主动方式的视频监控系统连接方案研究

苑春苗，万振凯，杨清永

（1.天津工业大学 计算机科学与软件学院，天津 300160；2.天津天地伟业数码科技有限公司，天津 300384）

主动方式的视频监控系统连接方案研究

苑春苗1，万振凯1，杨清永2

（1.天津工业大学 计算机科学与软件学院，天津 300160；2.天津天地伟业数码科技有限公司，天津 300384）

为提高对网络环境的适应能力，满足大型监控联网系统的需要，提出一种新的应用在视频监控系统的监控设备连接方案.该方案通过改变网络连接的方向，使监控设备以主动方式向客户端提供视频服务.实验表明：该方案提升了监控设备的局域网穿透能力，增强了网络自恢复和网络负载均衡能力.

视频监控；主动连接；负载平衡

视频监控系统是安防行业的一个重要组成部分，随着社会需求的不断增多，监控系统正在逐步应用于越来越多的社会领域[1].随着监控需求的逐渐变化，监控范围和规模逐渐增大，监控端和网络摄像机数量也逐渐增多，导致监控系统结构日益复杂，网络数据流量日益增大.原有的视频监控系统通常由网络视频服务器、转发服务器及监控端所构成，网络视频服务器被动等待转发服务器的连接，然后将视频数据传送到监控中心[2-4].该模型要求网络视频服务器具备公共IP，以便转发服务器可以进行连接，因此该模式网络适应能力差，不适合大型监控网络的建设需求.为提升监控设备的局域网穿透能力，满足大型监控联网系统的需要，本文提出一种主动的连接模型.该模型支持监控设备主动与监控平台建立连接.通过主动连接方式，提高了监控设备的网络适应能力，增加了网络自恢复和网络负载均衡功能，便于大型监控系统的部署，使系统的软件平台更加稳定和易于扩充.

1 系统模型

主动监控系统模型由1个备份目录服务器（Backup Directory）、多个目录服务器（Directory）、多个视频代理服务器（Proxy Server）、多个录像主机/监控主机（Client）和多个网络视频服务器（Network Video Server，NVS）构成.

为实现主动连接模式，本文在传统监控模型的网络监控主机（监控中心的服务器）和网络视频服务器（网络摄像机）之间增加代理服务器、目录服务器和备份目录服务器等相关设备.在新的系统结构中，网络视频服务器不再被动等待视频连接请求，而是主动与代理服务器建立连接；网络监控主机连接代理服务器即可获得所需视频.系统结构如图1所示.

在系统中，只要求备份目录服务器、目录服务器和代理服务器必须有固定外网IP地址，而NVS和监控终端则不需要固定外网IP地址.网络连接全部采用TCP连接完成.网络通信端口可更改，点对点之间只能有一个连接，所有命令和数据都通过该连接来完成.

2 实施方案

2.1 不同服务器及所实现的功能

2.1.1 目录服务器

目录服务器提供的服务包括域名注册/解析、NVS身份注册、代理服务器身份注册、监控主机身份注册、代理服务器转发分配等.

（1）域名注册/解析：实现设备和软件的域名注册/解析功能（即注册中心）.

（2）NVS身份注册：NVS去目录服务器注册身份，需要上传“身份标识、主机名、本机IP地址、目录服务器信息、码率及其他信息”.当有NVS注册时，目录服务器记录注册信息，并保持连接，当该连接断开后删除注册记录.

（3）代理服务器身份注册：代理服务器去目录服务器注册身份，需要上传“身份标识、主机名、本机IP地址、目录服务器信息、带宽及其他信息”.当有代理服务器注册时，目录服务器记录注册信息，并保持连接，当该连接断开后删除注册记录.

（4）监控主机身份注册：监控主机去目录服务器注册身份，需要上传“身份标识、主机名、本机IP地址及其他信息”.当有监控主机注册时，目录服务器发送NVS列表供监控主机选择，不维护监控主机注册记录.

（5）代理服务器转发分配：收到监控主机连接请求后，若欲连接的NVS还没有分配代理，则按照手动指定或最大可用带宽原则选择一个代理服务器分配给该NVS.目录服务器收到代理服务器发送来的视频转发关系后，更新自身维护的NVS和代理服务器信息列表以及对应关系，该转发关系表用来计算网络负载均衡和供用户查阅转发关系.

所有需要保持的注册连接都必须定时发送空数据包，维护的注册信息表都是动态的，如果目录服务器重起，则该表必须重新注册建立.

2.1.2 代理服务器

代理服务器提供的服务包括NVS视频注册、监控主机视频连接和视频代理转发等.

（1）NVS视频注册：NVS注册身份、设备类型和视频通道数.代理服务器收到视频注册信息后，马上通知目录服务器视频转入关系.

（2）监控主机视频连接：当收到监控主机视频连接NVS请求时，建立NVS与监控主机间的视频转发关系.视频转出关系建立好之后，向目录服务器提交视频转出关系，以便目录服务器计算网络均衡.

（3）断开处理：当和NVS的连接断开后，清理所有和该NVS有关的视频转发关系，并通知目录服务器；当和监控主机的连接断开后，删除该监控主机的视频转发关系，并通知目录服务器.

（4）注册功能：去目录服务器注册身份，需要上传“身份标识、主机名、本机IP地址、目录服务器信息、带宽和其他信息”，在主目录服务器连接失败后自动转到备份目录服务器去注册.

2.1.3 监控主机

监控主机向目录服务器注册身份，从目录服务器处获取NVS列表，获取信息后断开连接，无需保持连接状态.连接视频时向目录服务器请求某NVS视频连接，获得该视频连接所需的代理服务器后，再从代理服务器处连接NVS获取视频.

2.1.4 网络视频服务器NVS

NVS去目录服务器注册身份.收到目录服务器分配给自己的代理服务器地址后，再去代理服务器处注册视频连接.在主目录服务器连接失败后自动转到备份目录服务器去注册.

2.1.5 备份目录服务器

备份目录服务器在模型中为可选项，也可不配置该服务器.备份目录服务器和目录服务器使用同一程序，多个目录服务器可使用同一个备份目录服务器，两个目录服务器可互为备份目录服务器.

2.2 视频请求的处理过程

目录服务器收到监控主机发送连接某NVS的视频请求后，若该NVS已经被某代理服务器转发，则告诉监控主机去该代理服务器处连接视频；否则可以根据手动配置或是负载均衡原理，从代理服务器列表中选择一个较合适的代理服务器，并告知NVS去该代理服务器处注册视频，NVS注册视频成功后由代理服务器通知目录服务器.得到通知后，目录服务器告诉监控主机去代理服务器处连接视频.若在规定时间内（比如40 s）得不到代理服务器的通知，则选择重试注册或更换代理服务器后再注册.若该NVS去各个代理服务器处注册都不能成功，则通知监控主机连接失败.视频请求处理过程如图2所示，线上数字表示的是工作顺序.

2.3 代理服务器的分配策略

多媒体数据在网络中进行传输时，为有效地利用网络带宽和保证传输质量，系统中需要采用相应的带宽分配算法.刘泉等[5]提出了一种基于资源预留的核心无状态动态带宽分配机制，采取了一种无状态递归观察机制动态调整预留带宽值的做法，使得系统可靠性和强壮性大大增强.郭娟等[6]提出了一种适用于宽带无线网络的带宽分配方案，并对话音和视频业务的QoS指标进行了分析.Xu Binyang等[7]研究了无线网络中实时多媒体的调度公平性问题.

在监控系统中，由于NVS和监控主机数量众多，各代理服务器处理能力不同，因此在代理服务器进行分配时，必须要采取一定原则，才能保证系统可得到较好的带宽分配效果[8].在系统中，当提出请求的NVS视频没有和代理服务器建立连接时，可以采用手动或是一种简单的最大可用带宽均衡算法进行代理服务器的分配.

在本系统模型中，因为代理服务器的代理和分发作用，其压力主要在上行带宽，下行带宽一定会小于等于上行带宽，所以在算法设计中只涉及上行带宽的计算.算法中假设系统有多个代理服务器，每个代理服务器上连接多个NVS，每个NVS上又有多个同监控主机建立的TCP连接.算法如下：

假设对于每个NVS和M个监控主机有视频连接，每路视频的带宽为BWj，则该NVS的传输带宽BW_NVS为：

对于任意代理服务器，假如其上现在注册有N个NVS，则该代理服务器的使用带宽BW_Proxy为：

假设代理服务器的总带宽为BW_Total，则代理服务器的可用带宽BW_Available为：

目录服务器在进行代理服务器选择时，按照最大可用带宽的原则进行选择，即选择BW_Available值最大的代理服务器进行分配.

3 系统测试效果

从网络穿透（网络接入）、网络自恢复和网络负载均衡3个方面给出方案的测试效果.

3.1 网络穿透（网络接入）测试

网络摄像机采用内部IP，如果采用传统系统方案，则内外监控设备和监控终端不能正常通信；若采用本方案，则系统通信通过代理服务器，只要有明确的代理服务器IP地址，系统即可正常运行.

系统测试中，前端监控设备采用PPPoE动态获取IP地址的方式，代理服务器和目录服务器采用固定IP的方式.代理服务器IP为221.238.22.5，目录服务器IP地址为221.238.22.10.测试时将目录服务器的IP地址配置到设备内，然后保存重新上电，设备加电后大概20 s注册到目录服务器，客户从目录服务器连接视频即可连出实时视频.连接视频时客户端无需知道设备端的IP地址和端口，使用起来非常方便.给设备断电重启，反复测试20次，每次设备的IP地址都不相同，平均20 s就可以恢复视频连接.

3.2 网络自恢复测试

网络自恢复主要是为了保证系统的稳定性和顽强性.在一个视频监控系统中，系统的性能瓶颈往往都是在流媒体代理转发服务器上，一个转发服务器往往需要肩负很多路的视频转发业务，所以监控系统中代理服务器的稳定性就显得非常重要.该系统设计中主要考虑，在代理转发服务器出现故障后，将视频转发关系自动切换到其他代理服务器上，以保证视频转发关系的顽强性.

该功能测试中，采用1个目录服务器和3个代理转发服务器，分别命名为P1、P2和P3.测试时，客户端连接视频时转发关系在P1，视频连接正常，这时将P1人为断电，模拟故障，可以发现代理转发关系在20 s后自动切换到P2，视频可正常连接；接下来再将P2的转发服务器程序强行结束，人为造成代理服务器程序异常，这时会发现，视频转发关系会立即切换到P3.经过反复50次试验和测试，可以确认当代理服务器异常后视频转发关系可很快恢复.

3.3 代理服务器的分配测试

在该测试部分，仍然采用3个代理服务器P1、P2和P3，3个服务器带宽均为1 Mb/s；系统中有3个NVS，分别为N1、N2和N3；每个网络视频服务器的码率设定为CBR（固定码率）120 kb/s.向网络中发出视频传输请求序列，并通过最大可用带宽分配法和手动分配两种方法进行代理服务器分配测试.手动分配时指定：对Ni的视频请求将分配到指定的Pi上进行视频连接.

表1显示请求序列为N1、N1、N1、N2、N2、N3、N3、N1、N1时，在两种分配方式下代理服务器的分配序列.表2为各代理服务器带宽的使用情况.

表1 代理服务器的分配序列Tab.1 Allocation sequence of proxy servers

由表2数据可以看出，目录服务器在处理视频请求时，使用最大可用带宽分配法可使得各服务器的带宽使用情况较为均衡，而手动分配时3个代理服务器的带宽使用不均衡.系统实际应用时，可以根据当前代理服务器和网络的状态，决定采用手动或非手动分配代理服务器.

4 结束语

本文提出了一种应用在视频监控系统中的主动连接模式，该模式提高了监控系统对网络环境的适应性，增强了系统的可扩展性，使系统具备了负载均衡的能力.通过大量的实验证明该方案是现实可行的，并且具备良好的使用效果.

[1]王 锐，胡佳明，蒋萌青.基于QoS策略的视频监控系统的设计[J].微电子学与计算机，2006，23（6）：68-71.

[2]尹 浩，林 闯，文 浩，等.大规模流媒体应用中关键技术的研究[J].计算机学报，2008，31（5）：755-774.

[3]KATSAGGELOSAggelosK，EISENBERGYiftach，ZHAI Fan，et al.Advances in efficient resource allocation for packetbased real-time video transmission [J].Proceedings of the IEEE，2005，93（1）：135-147.

[4]胡 栋，刘 峰，朱秀昌.实时多模式无线视频传输原型系统的实现[J].通信学报，2006，27（10）：106-112.

[5] 刘 泉，梁小宇，吴皓莹.资源预留动态带宽分配机制[J].武汉理工大学学报，2007，29（5）：138-141.

[6]郭 娟，李明远.宽带无线网中的带宽分配方案及QoS分析[J].西安电子科技大学学报，2006，33（2）：333-335.

[7] XU Binyang，LI Shaoqian，PU Heping.Scheduling fairness of real-time scheduling algorithms in wireless multimedia application[J].Chinese Journal of Electronics，2007，16（2）：332-337.

[8] WU Dapeng.Transporting real-time video over the internet：challenges and approaches [J].Proceedings of the IEEE，2000，88（12）：1855-1875.

Study on active connection mode in video surveillance system

YUAN Chun-miao1，WAN Zhen-kai1，YANG Qing-yong2
（1.School of Computer Science and Software，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China；2.Tianjin Tiandy
Digital Technology Co Ltd，Tianjin 300384，China）

A novel scheme of active connection mode applied in video surveillance system is presented in order to improve network adaptability and meet the needs of construction of large surveillance networks.Through changing the direction of network connection，the surveillance devices provide the video service to clients actively. The experimental data show that the scheme promotes the penetrating power of LAN for the network video server and enhances the capability of network self-recovery and network load balance.

video surveillance；active connection；load balance

book=4,ebook=147

TP393

A

1671－024X（2010）04－0085－04

2010-03-26 基金项目：天津市科技创新专项资金资助项目（08FDZDGX00900）

苑春苗（1975—），女，硕士，讲师.

万振凯（1964—），男，博士，教授，博士生导师.E-mail：wanzhenkai@tjpu.edu.cn