一种视频监控系统中心跳机制的实现方法*

傅晓茜，何加铭

（宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211）

1 引言

近年来，随着移动通信和多媒体技术的迅速发展，计算机、网络以及图像处理、传输技术也得到了飞速发展，视频监控技术受到越来越广泛的应用。视频监控系统对安全性的要求比较高，服务器平台构架要简单方便，无论是在PC（Personal Computer，个人电脑）机上还是移动设备上都可以对监控内容进行实时查看。流媒体技术[1-2]是视频监控系统的关键，目前主流的流媒体传输协议主要是实时传输协议RTP/RTCP以及实时流协议RTSP[3]。如果流媒体服务器和终端之间用普通的实现RTSP方法进行连接，那么在网络畅通的终端上都能实现对该服务器的访问，就能查看视频监控的具体内容。传统的方法无法对访问者进行权限的控制，特别是用在安全性较高的系统中，安全性较低。

为了提高视频监控系统的安全性，本文提出一种心跳机制的实现方法，使得现有普通的实现RTSP的终端不能正确访问到实现了本方法的流媒体服务器，从而增加了系统的安全性和可靠性。除此之外，实现本方法还具有流保活功能，若终端的网络环境异常甚至出现断网的情况，则流媒体服务器会及时发现并停止对其服务，避免浪费服务器资源。

2 流媒体传输协议简介

2.1 实时流媒体协议RTSP

RTSP协议能够配合低层协议共同给用户提供一套较为完整的基于Internet的流式传输服务，为流媒体服务器和终端间实现音视频流数据的控制搭建了桥梁。RTSP协议规定了一套可以根据需求而进行扩展的框架，终端播放时可以控制音频和视频，如控制在线视频的暂停、定位、快进等，支持单播和组播服务，提供了选择发送通道的方法以及基于RTP的发送机制。

2.2 实时传输协议RTP/RTCP

视频流是视频通信的核心，是一系列连续的并且带有时间戳的视频包数据。由于视频流有实时传输的特性，对带宽和延迟较敏感，因此需要合适的传输协议。

一般情况下，实时视频传输系统利用U D P（User Datagram Protocol，用户数据报协议）来实现数据的传送，但是UDP是“贪婪”的，不像TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）有冲突检测和拥塞控制机制，一旦网络发生拥塞，UDP不会减少数据包的发送量，从而导致传输的停止和阻塞。TCP虽然有AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease，拥塞控制算法），即每发现一个报文丢失就减半窗口，但这种做法极大地破坏了数据流的平滑性，从而影响接收质量。

RTP传输协议[4]包含两部分内容：RTP数据传输协议和RTCP传输控制协议。RTP可以灵活改变传输速率，以防乱序；而RTCP报文可以把网络状况和服务质量反馈给RTP数据，即RTP/RTCP能够实现视频自适应传输。

3 心跳机制的设计与实现

3.1 流媒体服务器与终端间的连接过程

本文中提到的方法扩展了原有的RTSP协议的连接建立过程，在流媒体服务器响应了终端的PLAY请求后，定时器开始计时。终端接收到服务器的PLAY响应后就以设定的时间间隔向服务器发送心跳包，服务器收到此心跳包后重设定时器，并分析出心跳包中终端对应的公网IP地址信息和端口号。服务器根据获取的IP地址和端口号向终端发送视频流数据，终端播放器在会话过程中仍以一定的时间间隔发送心跳包。若服务器在定时器超过一定数值后还没有接收到心跳包，则关闭会话。具体流程如图1所示：

图1 流媒体服务器与终端通信流程图

（1）终端与流媒体服务器经过OPTIONS、DESCRIBE、SETUP、PLAY等交互后建立连接。

（2）终端视频端口（client_port），端口号分别是59532、59533，其中59532端口用于接收视频流数据，59533端口用于终端和服务器间RTCP消息交互。

（3）流媒体服务器用于接收接收心跳包的端口（server_port）分别为6970、6971，其中6970用于接收终端发送的RTP心跳包，6971用于接收终端RTCP心跳包。

（4）流媒体服务器响应完终端PLAY请求之后，并没有马上向终端发送视频流数据，而是先设定一个定时器，等待终端向其发送心跳包。若在定时器规定的时间内收到心跳包，服务器才向终端发送视频数据；若等待时间超出了定时器设定时间，服务器则关闭与终端的连接。

（5）流媒体服务器收到终端发送的心跳包后，重新设定定时器并分析心跳包，从中获取终端对应的公网IP地址和端口号，或者终端的NAT（Network Address Translation，网络地址转换）设备的公网IP（Internet Protocol，网协）地址以及NAT设备端口号。服务器就能根据得到的IP地址和端口号向终端播放器发送视频流数据，同时进行RTCP消息交互。

（6）流媒体服务器向终端发送视频流数据后，终端仍然以设定的时间间隔向服务器发送心跳包，如果服务器在设定的时间间隔内未收到心跳包，则判定终端处于离线状态，随即关闭连接。

3.2 心跳包的设计

本文中心跳包结构扩展了RTP协议数据包字段[5-6]，在RTP数据包的报文头扩展字段中填入流媒体服务器所需的验证信息，再由UDP发送。心跳包的构成如图2所示：

图2 心跳包结构图

各个字段描述如下：

V：标识RTP版本，占2位；

P：填充标识，占1位；

X：扩展标识，占1位；

CC：CSRC计数器，占4位；

M：标记，占1位；

PT：载荷类型，占7位；

sequence number：系列号，占16位，用于标识发送端发送RTP报文的序列号，每发送1个，序列号就加1，接收端则通过序列号对数据包进行排序，检测数据包丢失情况；

timestamp：时标，占32位，反映RTP数据包中第1个八进制采样时刻，用于接收端延迟和延迟抖动，并且进行同步控制；

SSRC：同步源标识符，占32位，用于同一RTP包连接中没有两个同步源有相同的SSRC标识；

CSRC列表：贡献源标识符，占32位，表示包内的对载荷起作用的源；

identifier：标识，占32位；

IPCID：网络摄像头ID号，占16位；

length：心跳包的有效字段字节数；

packettype：值为0表示初始化包，值为1表示维持包；

reserved：保留字段，占16位。

流媒体服务器向终端响应PLAY请求后，并非立刻向终端播放器发送视频流数据，而是先处于等待状态，当含有初始化标志的心跳包到达时，经过分析、验证正确后，服务器才向终端发送视频流数据。终端收到流媒体服务器发送的视频流数据后，设置心跳包的packettype字段为“维持”，直到连接结束，此时心跳包的作用为在线保活。

流媒体服务器分析心跳包的过程如图3所示。

流媒体服务器收到终端发送的心跳包后，先判断其identifier字段是否正确，如果正确则说明收到正确的心跳包，再检测packettype字段，若packettype为“初始化包”，则服务器从承载心跳包的UDP数据包头获得源IP地址及其端口号，根据获取的IP地址及端口号发送视频流数据，若规定时间内未收到“初始化包”，则关闭连接。如果packettype字段标识为“维持包”，那么服务器更新定时器，在规定时间内未收到“维持包”服务器则判定终端播放器已处于离线状态，关闭连接。

图3 心跳包分析过程图

4 结束语

本文描述了流媒体服务器和终端之间通信连接建立的过程，提出了一种心跳机制的实现方法，该方法对传统的RTP数据包头部进行扩展，利用增加的字段识别来自终端的信息，使得普通的实现RTSP的终端不能访问流媒体服务器，从而更好地保障了视频监控系统的安全性。无论终端的网络环境是处于公网，还是含有NAT设备的内网环境，实现了本方法后就可以查看监控内容，为解决一些网络问题提供参考。

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