大型网络视频监控系统技术要点详细分析

大型网络视频监控系统技术要点详细分析随着宽带应用的普及和网络视频的快速发展，近几年对于筹建大型网络视频监控系统的需求越来越多，要求更具体，应用范围也更广泛。总结目前市场上的需求，在金融，交通，公共娱乐业，大型商业场所，人员集中区，商检企业，社会治安等，都是未来几年有较大需求的行业。而根据不同行业应用的不同需求，以及大型网络视频监控系统稳定性，可扩展性的要求，组建一套较完整的大型的网络视频监控系统，必须是分布式，多服务，集中管理的结构。本文以北京先进视讯科技有限公司提供的鞍山市平安城市监控方案为例，简单介绍一下，构建大型网络视频监控系统需要具备的几点技术要素：1.多级监控中心目录目录服务在监控系统中负责各种应用的分配，可以理解为一个消息中心或控制中心，类似于电话交换系统的总机。在一个大型网络化视频监视系统中，目录服务不仅仅是一个，而应该是多个，并以多级的形态存在，具有树状结构。系统内存在一个主目录服务，所有的从目录服务通过与主目录服务保持同步的方式协同工作。图一：多级目录结构拓扑图多级目录形态，在我们的网络视频监控技术系统中，级数理论上没有限制。并且在系统中已经存在的顶级目录中心，在需要时，可以降级。比如，原来以省为顶级目录中心，由于需要，可能国家级目录中心建设完成，那么这个原来的省级顶级中心可以降级，服从国家级中心目录的管理。多级目录中心的示意图可以参见下面的图二。图二：多目录（多中心）服务、故障切换示意图2.前端设备具有主动寻址方式在大型网络视频监控技术系统中用来传输视频图像信息、报警信息的硬件设备包括嵌入式DVR、PC-DVR、视频编码器等设备。这些设备本身都包含了将模拟视频图像使用压缩算法压缩并打包为TCP/IP包，同时也具备了通过网络传输的能力。这些设备在网络传输层可以定义为编码设备，使用普通的TCP/IP协议，在单一物理网络以及操作系统软件环境下可以提供联网能力。目前一些软件管理平台支持上述编码设备的联网。对于一个运行于大型IP网络的视频监控技术系统来讲，其所面临的网络环境要较单一物理网络复杂得多，它可能不仅仅是一个城域网，还有可能是城域网与自建私网的组合。同时整个系统容纳的视频流的数量是巨大的，集中式的视频流管理和处理机制就会面临动态IP问题、组播问题、设备过路由跨NAT（网络地址转换）问题、视频流管理和转发服务器处理能力问题以及因网络“聚焦效应”带来的网络瓶颈问题等等。在这种复杂网络环境下，软件管理平台必须有分布式、多服务（或多中心）、故障服务能力之外，编码设备也需要具有特殊的机制以适应大规模、复杂环境下视频流传输工作。这个特殊的机制就是“前端编码设备主动寻址”。目前的网络视频管理平台（软件系统）绝大多数使用被动寻址的方式在管理服务器和编码设备之间建立联系。这种方式被称为“Webserver”方式。其原理来自于网络摄像机。每一个编码设备具有自己独立的“Webserver”，这个“Webserver”具有一定的视频流发送能力，一般同时可处理的用户请求在5个左右。浏览用户需要知道这个网络摄像机的IP地址，或者通过DDNS服务解决动态IP地址问题而间接知道IP地址，通过使用IE浏览器登陆到这个编码设备，在通过简单的认证之后，用户就可以通过TCP/IP网络得到图像。我们以Panasonic网络摄像机KX-HCM280为例简单解释其工作原理。拓扑图见下图：图三：设备寻址示意图局域网环境下我们暂且不提。按照上面的拓扑图，保证我们能够在网络中找到这个KX-HCM280的关键在于的存在。如果这个DDNS服务器出现问题，或者DDNS通往internet的网络出现问题，KX-HCM280就在这个世界中消失了。这种建立网络连接的方式和方法我们称为“依赖于第三方服务的联网方式”。目前就PC-DVR、嵌入式DVR还有绝大多数的视频编码器来讲，使用的都是这个机制。我们可以看到，这种机制还不能将若干台编码设备与若干个接收终端联系在一起。为解决若干编码设备或一群编码设备联网问题，我们需要建立一个中间件-视频流管理和转发服务器（StreamServer）。这个服务器具有强行“唤醒”能力，完成与每一个编码器强行建立联系的任务，同时负责将视频流按需发送到观看目的地，我们称之为-转发。拓扑图见下图：图四：转发服务示意图通过上面的拓扑图我们可以发现，在编码设备处于动态IP环境时，中间件服务器（StreamServer）是否能够找到编码设备取决于第三方的DDNS服务。通过上面的理论分析，我们可以得出这样的结论：这种依赖于“第三方服务的联网方式”的可靠性完全取决于第三方的DDNS服务器的工作状态。如果这个DDNS服务器服务出现问题，所有的编码设备就全部在系统内消失了。因此，这种被动式的联网方式不适用于完全部署于IP城域网的城市级别网络视频监控技术系统，仅适用于单一物理网络内的联网任务。当然，除这个主要因素之外，这种联网方式不能部署多服务（多中心）故而不能有效地分散网络“聚焦效应”带来的网络瓶颈问题以及不支持故障服务切换等特殊的管理策略。解决大型联网系统的关键技术是“主动寻址”服务。图五：主动寻址服务示意图扑图见下图：通过上图可以看到，编码设备始终寻找一个固定的IP地址，这个IP地址处有视频流管理服务器（我们称为网关服务）。这个IP地址事先保存在每一个编码器程序内，我们称之为寻址IP（DiscoveryIP）。通过这种机制，我们甩掉了第三方的DDNS服务，系统的可靠性由过去的不可控变为可控。这种机制对于网络视频来讲具有革命性的意义。编码器具备这种机制后，很多困扰依赖第三方服务的联网方式中的问题就应迎刃而解了。如DDNS服务问题、编码设备过NAT问题、多服务（多中心）问题、故障服务问题等等。图六：无需DDNS服务示意图3.故障切换机制整个系统具有故障服务能力（简称FOS=failoverservice）。故障服务包括故障发生时的切换服务和故障修复后的系统自愈合能力。3.1故障切换服务故障切换服务就软件技术来讲分为三个方面，一是目录服务故障切换服务，二是转发、存储故障切换服务，三是设备接入服务故障切换。3.1.1目录服务故障切换（DirectoryFailover）由于目录服务负责整个系统中各种应用的分配和管理，一旦目录服务发生故障时，通过实时监视工具和录像回放工具完成的实时监视和图像回放应用就不能完成。目录服务故障切换是指在系统配置一个或多个目录故障切换服务器，在某一级目录服务器出现故障时，由它的上一级目录服务器替代故障目录服务器的功能。若是顶级目录服务器发生故障，需要建立双机热备。3.1.2设备接入服务故障切换服务（GatewayFailover）在整个系统中，设备接入服务（我们的术语是网关服务）管理所有的视频编码器、解码器等设备的身份认证、编码器设备的视频流转发（单播Unicast设备的单播转发，多播Multicast设备的多播转发）、编解码器设备事件向目录服务器的发送、设备网关备份功能。比如一个前端视频编码器在5秒内与自己的设备服务联系不上，该前端编码器会自动与另一个备份网关服务进行联系，在获得备份网关服务的认证后，由备份网关服务接替故障网关的功能3.1.3转发、存储故障切换服务（IVS、Archive