基于ＳＩＰ的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：介紹了初始會(huì)話協(xié)議SIP。在SIP和一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，給出了分層網(wǎng)絡(luò)模型，并對其各功能模塊的作用進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。該分層網(wǎng)絡(luò)模型的建立使得構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

關(guān)鍵詞：初始會(huì)話協(xié)議；媒體流；視頻監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP393．02文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2007)05－0247－03

0引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，以及計(jì)算機(jī)、IP網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也有長足的發(fā)展。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外發(fā)展的必然趨勢。視頻監(jiān)控是現(xiàn)代化管理、監(jiān)測、控制的重要手段之一，以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、金融、交通、教育、軍事以及安防等多種領(lǐng)域。近年來，在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控成為了一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。為了在Internet上實(shí)現(xiàn)多媒體會(huì)話業(yè)務(wù)，IETF(Internet Engineering Task Force)組織于1999年3月正式提出了SIP。該協(xié)議適用于網(wǎng)絡(luò)電話、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議、即時(shí)消息和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等多種多媒體應(yīng)用；同時(shí)它也正在為適應(yīng)更多的應(yīng)用而不斷擴(kuò)展、不斷標(biāo)準(zhǔn)化。

本文結(jié)合已有的一些研究結(jié)果和SIP擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1SIP

SIP是一種基于IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用層控制(信令)協(xié)議；而所謂的會(huì)話(Session)就是指用戶之間的數(shù)據(jù)交換。在基于SIP的應(yīng)用中，每一個(gè)會(huì)話可以是各種不同類型的內(nèi)容，如普通的文本數(shù)據(jù)、數(shù)字化音頻、視頻數(shù)據(jù)，還可以是諸如游戲等應(yīng)用的數(shù)據(jù)。SIP是基于HTTP的，它可以通過代理或重定向功能將用戶請求轉(zhuǎn)至當(dāng)前被叫用戶。它和HTTP、SMTP一樣，采用的也是便于操作的基于文本的編碼方式。這是SIP與視頻通信領(lǐng)域其他現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相比最大的特點(diǎn)之一。

SIP可以用來創(chuàng)建、修改和終止有多個(gè)參與者參加的多媒體會(huì)話進(jìn)程，參與會(huì)話的成員可以通過組播（Multicast）、單播（Unicast）或兩結(jié)合的方式進(jìn)行通信。SIP能邀請用戶加入一個(gè)已經(jīng)存在的會(huì)話中(如多播會(huì)話)，也可以用于創(chuàng)建一個(gè)全新的會(huì)話。會(huì)話中的媒體形式可以增加或更改；SIP還可以透明地支持用戶名映射和重定向服務(wù)，從而支持用戶的移動(dòng)性。

SIP不是一個(gè)垂直集成的通信系統(tǒng)。它需要與其他協(xié)議共同建立一個(gè)完整的多媒體通信框架。例如，為了協(xié)商多媒體會(huì)話參數(shù)，需要與RTP、RTCP、SDP (Session Description Protocol)結(jié)合。雖然SIP需要與其他協(xié)議相結(jié)合才能為用戶提供完整的服務(wù)，但是其基本功能和操作卻不依賴于其他協(xié)議。

1．1SIP系統(tǒng)基本組成

按邏輯功能區(qū)分，SIP系統(tǒng)主要由四類元素組成，即用戶代理、代理服務(wù)器、重定向服務(wù)器以及注冊服務(wù)器。

（1）用戶代理(User Agent，UA)是SIP通信的用戶終端。其包括兩個(gè)部分，即用戶代理客戶(User Agent Client，UAC )和用戶代理服務(wù)器(User Agent Server，UAS)。發(fā)起呼叫的主呼SIP用戶終端為用戶代理客戶，用于初始化的呼叫，發(fā)出呼叫請求；被呼SIP用戶終端為用戶代理服務(wù)器，用于響應(yīng)呼叫請求(接收、拒絕或重定向)。SIP終端同時(shí)具備UAC和UAS的功能。

（2）代理服務(wù)器(Proxy Server)是一個(gè)中間元素。它既是一個(gè)客戶機(jī)又是一個(gè)服務(wù)器，具有解析名字、選擇地址的能力；能夠代理前面的用戶向下一跳服務(wù)器發(fā)出呼叫請求，由服務(wù)器決定下一跳的地址。

（3）重定向服務(wù)器(Redirect Server)是一個(gè)規(guī)劃SIP呼叫路徑的服務(wù)器。它在獲得下一跳地址后，立刻告訴前面的用戶，讓該用戶直接向下一跳地址發(fā)出請求，而自己則退出對這個(gè)呼叫的控制。

（4）注冊服務(wù)器(Register Server)用來完成對UAS的注冊。當(dāng)注冊服務(wù)器接收到位置信息時(shí)會(huì)立即將這些信息上傳到位置服務(wù)器。在SIP系統(tǒng)的網(wǎng)元中，所有UAS都要在某個(gè)登錄服務(wù)器中登錄，以便UAC通過服務(wù)器能夠找到它們。

另外，在實(shí)際的SIP系統(tǒng)中，還有一個(gè)很重要的服務(wù)器，即位置(定位)服務(wù)器(Location Server)，用來儲(chǔ)存用戶的邏輯地址與聯(lián)系(轉(zhuǎn)交、漫游)地址間的綁定列表，實(shí)現(xiàn)對用戶邏輯地址綁定信息的查詢、添加、修改或刪除等功能；并作為一個(gè)全局的數(shù)據(jù)庫，為注冊服務(wù)器、代理服務(wù)器與重定向服務(wù)器提供服務(wù)。嚴(yán)格地說，位置服務(wù)器不屬于SIP服務(wù)器的范疇。因?yàn)槲恢梅?wù)器和SIP服務(wù)器之間并不使用SIP協(xié)議，一些位置服務(wù)器使用輕量級(jí)目錄訪問協(xié)議(Lightweight Directory Access Protocol，LDAP )與SIP服務(wù)器進(jìn)行通信。

SIP的地址標(biāo)志使用統(tǒng)一資源標(biāo)志(Uniform Resource Identifier，URI)，其格式與E－mail地址很相似。最簡單的形式是sip：用戶名@主機(jī)域名，如sip：lucy@mydomain.com。這種地址形式不依賴于具體的網(wǎng)絡(luò)IP地址，因此具有很大的靈活性、用戶移動(dòng)性，可以方便地與已有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫連接。

1．2SIP消息

文獻(xiàn)[2]中定義了六類不同的應(yīng)答消息，用三位數(shù)字組成的代碼來表示對請求的處理。

消息頭提供了該消息進(jìn)一步的信息，使其能被正確處理；消息體對所要建立的會(huì)話進(jìn)行描述，包括協(xié)商編碼種類、媒體流類型（在交互式業(yè)務(wù)中媒體流是雙向的，在流媒體業(yè)務(wù)中媒體流是單向的）、傳輸速率等。默認(rèn)狀態(tài)下，該部分由SDP實(shí)現(xiàn)。

2視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型

2．1視頻監(jiān)控總體組成

一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機(jī)、監(jiān)控點(diǎn)、錄像存儲(chǔ)設(shè)備、報(bào)警聯(lián)動(dòng)設(shè)備、業(yè)務(wù)管理設(shè)備等組成。總體組成框圖如圖1所示。

（1）攝像機(jī)(或稱攝像頭、監(jiān)控終端)負(fù)責(zé)音/視頻等信號(hào)的采集。攝像機(jī)指的是廣義攝像機(jī)，除了采集音/視頻信號(hào)外，還可以收集溫度、濕度、煙霧濃度等信號(hào)以便為系統(tǒng)增加報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能。例如云臺(tái)、球機(jī)具備角度旋轉(zhuǎn)等功能，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（2）監(jiān)控點(diǎn)為用戶提供圖像顯示、監(jiān)控控制等功能。監(jiān)控點(diǎn)可以是電視機(jī)、電視墻、PC機(jī)或工業(yè)機(jī)箱等設(shè)備。

（3）錄像存儲(chǔ)服務(wù)是視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的一個(gè)重要特征。在許多場合都需要對監(jiān)控圖像進(jìn)行一定時(shí)期內(nèi)的錄像處理。模擬時(shí)代一般采用磁帶錄像機(jī)，而今數(shù)字時(shí)代則多采用DVR (Digital Video Recorder)來完成。

（4）智能的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能。當(dāng)攝像機(jī)收集到異常信號(hào)(如探測到了高溫信號(hào)，認(rèn)為發(fā)生了火災(zāi))后，將其通過監(jiān)控系統(tǒng)傳至報(bào)警聯(lián)動(dòng)裝置，再由報(bào)警聯(lián)動(dòng)裝置通過某種通信手段(如手機(jī)短信、E－mail等)自動(dòng)向監(jiān)控人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或者系統(tǒng)自動(dòng)地處理現(xiàn)場（如火災(zāi)時(shí)斷電等）。

（5）業(yè)務(wù)管理設(shè)備負(fù)責(zé)完成權(quán)限管理、計(jì)費(fèi)管理、用戶數(shù)據(jù)庫等各種管理功能。完善的業(yè)務(wù)管理是體現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是否走向成熟的重要標(biāo)志之一。

2．2體系架構(gòu)

目前數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)處于小規(guī)模發(fā)展階段。典型的集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)均采用B/S結(jié)構(gòu)，基于Web的應(yīng)用，系統(tǒng)的核心是監(jiān)控服務(wù)器。在一些小規(guī)模的應(yīng)用中，監(jiān)控服務(wù)器同時(shí)還充當(dāng)監(jiān)控終端的角色。整個(gè)系統(tǒng)主要采用HTTP，視頻通過HTTP以流媒體方式傳輸。大部分監(jiān)控系統(tǒng)都沒有考慮用戶權(quán)限、安全性、收費(fèi)模式等方面的問題。

當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，這種集中式的結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)流量瓶頸問題。圖2所示的系統(tǒng)中，所有攝像頭采集的視頻信號(hào)實(shí)際上都是經(jīng)過監(jiān)控服務(wù)器中轉(zhuǎn)而到達(dá)監(jiān)控點(diǎn)的。隨著業(yè)務(wù)擴(kuò)大，攝像頭與監(jiān)控點(diǎn)數(shù)目的增多，監(jiān)控服務(wù)器必將成為流量瓶頸。

解決監(jiān)控服務(wù)器流量瓶頸的方法是引入P2P（Peer to Peer）技術(shù)，采用分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。讓攝像頭采集的音/視頻信號(hào)直接通過網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)作為P2P中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以將它的文件或信息共享給其他的用戶，從而減少服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，提高每個(gè)用戶的音/視頻質(zhì)量。監(jiān)控服務(wù)器只處理終端的連接控制及其他各種信令的調(diào)度管理。但是分布式模型安全性差、不可控、不利于管理等缺陷，極大地限制了它的大規(guī)模發(fā)展。

3基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型

目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，媒體流與控制信令的區(qū)分并不明顯，都共用一條HTTP通道。這對于視頻監(jiān)控朝著可控、可管理、大規(guī)模運(yùn)營方向發(fā)展是極為不利的。所以，未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，特別是將來可能出現(xiàn)的電信級(jí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將是數(shù)據(jù)與信令分層的系統(tǒng)。

SIP是基于文本的編碼方式，很容易用Java、Tcl和Perl等語言來實(shí)現(xiàn)。因此它具有簡單靈活、調(diào)試方便、易擴(kuò)展、分布式控制等優(yōu)點(diǎn)，可以解決用戶級(jí)和IP級(jí)的移動(dòng)性。SIP將會(huì)成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。其視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型如圖4所示。

3．1SIP視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型

該模型主要由以下幾部分組成：

(1)管理服務(wù)器。其負(fù)責(zé)整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的管理工作。它向管理員和參與者提供監(jiān)控配置、管理和監(jiān)控信息查詢界面，執(zhí)行從界面上傳來的配置、管理和控制命令，并據(jù)此對控制服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的配置和管理，實(shí)現(xiàn)基本的監(jiān)控管理功能。

(2)控制服務(wù)器。它是整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部分。若管理服務(wù)器是監(jiān)控管理和控制命令的發(fā)出部件，則控制服務(wù)器是具體執(zhí)行部件。它根據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)的配置或指示創(chuàng)建、修改和終止會(huì)話，控制會(huì)話過程，并按各個(gè)會(huì)話的媒體策略對會(huì)話中的媒體流進(jìn)行集中處理。控制服務(wù)器是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，以下還將作重點(diǎn)闡述。

(3)Proxy(代理服務(wù)器)。它既充當(dāng)服務(wù)器又充當(dāng)客戶機(jī)。其根據(jù)接收到的請求回復(fù)響應(yīng)，并可代表其他SIP客戶機(jī)發(fā)起請求。在轉(zhuǎn)發(fā)請求之前，它可能根據(jù)重定向服務(wù)器所提供的地址改寫原請求消息中的內(nèi)容，以便將請求消息向更接近目標(biāo)地址的實(shí)體發(fā)送。

(4)注冊服務(wù)器。它負(fù)責(zé)接收來自終端和監(jiān)控控制服務(wù)器的注冊消息，以便終端和監(jiān)控控制服務(wù)器都能通過定位服務(wù)找到對方的當(dāng)前位置。監(jiān)控系統(tǒng)要完成會(huì)話控制功能、支持用戶的移動(dòng)性，必須使用Proxy和注冊服務(wù)器提供的服務(wù)。

3．2控制服務(wù)器的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制服務(wù)器由管理服務(wù)器代理(Manager Server Agent)、信令控制中心（Focus）、SIP協(xié)議棧、傳輸層和媒體流處理器組成。分層網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

Manager Server Agent位于控制子系統(tǒng)的頂層，充當(dāng)控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的通信中介，是控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)交互的紐帶。Focus是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；它通過Manager Server Agent與管理系統(tǒng)交互，獲取監(jiān)控配置信息和控制命令；用SIP協(xié)議棧提供的服務(wù)與SIP終端通信，并根據(jù)媒體策略配置媒體控制處理器，完成會(huì)話功能。SIP協(xié)議棧遵從RFC3261的規(guī)定和要求，利用傳輸層發(fā)送和接收SIP消息；并對SIP消息進(jìn)行構(gòu)造、解析、重傳以及過濾。傳輸層位于控制服務(wù)器的底層，負(fù)責(zé)SIP消息和媒體流的發(fā)送與接收。

媒體處理器是與Focus并行的模塊。它按照媒體策略，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)媒體流的接收、存儲(chǔ)、排序、混合、轉(zhuǎn)發(fā)和同步。其主要模塊功能如下：

(1)APU（Audio Process Unit，音頻處理單元）。它負(fù)責(zé)接收MP控制器的控制進(jìn)行音頻切換，并定期向控制器報(bào)告各個(gè)音頻通道音量的大小次序。在需要進(jìn)行音頻混合時(shí)，APU負(fù)責(zé)與音頻處理器交互。



(2)VPU（Video Process Unit，視頻處理單元）。它負(fù)責(zé)接收MP控制器的控制進(jìn)行視頻切換。在需要進(jìn)行視頻混合時(shí)，VPU負(fù)責(zé)與視頻處理器交互。

(3)DPU（Data Process Unit，數(shù)據(jù)處理單元）。它負(fù)責(zé)接收MP控制器的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)切換。

(4)MP(Media Process)控制器。負(fù)責(zé)通信的控制。MP控制器接收Focus的配置，可以管理多個(gè)會(huì)話。在會(huì)話期間，控制各個(gè)通道信息的轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，并將該邏輯（已協(xié)商）交給APU(VPU、DPU)模塊執(zhí)行；控制器理解并記錄會(huì)話控制信息路徑，從而正確地轉(zhuǎn)發(fā)控制消息。

基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控管理及控制的基本功能。該模型也可以應(yīng)用于下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）多媒體業(yè)務(wù)。隨著IETF不斷完善SIP和其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，信令消息將具有良好的靈活性、易擴(kuò)展性和互操作性。SIP提供了一種在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上部署多種多媒體業(yè)務(wù)時(shí)通用的信令控制協(xié)議，從而可以與現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。參加應(yīng)用會(huì)話過程的示意圖如圖6所示。

4結(jié)束語

視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化方向迅速發(fā)展。基于SIP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是目前IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)避免了在很大的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)廣播會(huì)話信息，同時(shí)可以在域內(nèi)處理大量的信令信息和媒體流信息。因此比集中式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)有更好的可擴(kuò)展性，比分布式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)更利于管理。另外，該系統(tǒng)的模型基于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)分層管理架構(gòu)，可以廣泛適用于流媒體、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議、VoIP、IPTV、IMS等業(yè)務(wù)的開發(fā)與研究。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”