一種視頻監控系統中心跳機制的實現方法*

傅曉茜，何加銘

（寧波大學信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

1 引言

近年來，隨著移動通信和多媒體技術的迅速發展，計算機、網絡以及圖像處理、傳輸技術也得到了飛速發展，視頻監控技術受到越來越廣泛的應用。視頻監控系統對安全性的要求比較高，服務器平臺構架要簡單方便，無論是在PC（Personal Computer，個人電腦）機上還是移動設備上都可以對監控內容進行實時查看。流媒體技術[1-2]是視頻監控系統的關鍵，目前主流的流媒體傳輸協議主要是實時傳輸協議RTP/RTCP以及實時流協議RTSP[3]。如果流媒體服務器和終端之間用普通的實現RTSP方法進行連接，那么在網絡暢通的終端上都能實現對該服務器的訪問，就能查看視頻監控的具體內容。傳統的方法無法對訪問者進行權限的控制，特別是用在安全性較高的系統中，安全性較低。

為了提高視頻監控系統的安全性，本文提出一種心跳機制的實現方法，使得現有普通的實現RTSP的終端不能正確訪問到實現了本方法的流媒體服務器，從而增加了系統的安全性和可靠性。除此之外，實現本方法還具有流保活功能，若終端的網絡環境異常甚至出現斷網的情況，則流媒體服務器會及時發現并停止對其服務，避免浪費服務器資源。

2 流媒體傳輸協議簡介

2.1 實時流媒體協議RTSP

RTSP協議能夠配合低層協議共同給用戶提供一套較為完整的基于Internet的流式傳輸服務，為流媒體服務器和終端間實現音視頻流數據的控制搭建了橋梁。RTSP協議規定了一套可以根據需求而進行擴展的框架，終端播放時可以控制音頻和視頻，如控制在線視頻的暫停、定位、快進等，支持單播和組播服務，提供了選擇發送通道的方法以及基于RTP的發送機制。

2.2 實時傳輸協議RTP/RTCP

視頻流是視頻通信的核心，是一系列連續的并且帶有時間戳的視頻包數據。由于視頻流有實時傳輸的特性，對帶寬和延遲較敏感，因此需要合適的傳輸協議。

一般情況下，實時視頻傳輸系統利用U D P（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）來實現數據的傳送，但是UDP是“貪婪”的，不像TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）有沖突檢測和擁塞控制機制，一旦網絡發生擁塞，UDP不會減少數據包的發送量，從而導致傳輸的停止和阻塞。TCP雖然有AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease，擁塞控制算法），即每發現一個報文丟失就減半窗口，但這種做法極大地破壞了數據流的平滑性，從而影響接收質量。

RTP傳輸協議[4]包含兩部分內容：RTP數據傳輸協議和RTCP傳輸控制協議。RTP可以靈活改變傳輸速率，以防亂序；而RTCP報文可以把網絡狀況和服務質量反饋給RTP數據，即RTP/RTCP能夠實現視頻自適應傳輸。

3 心跳機制的設計與實現

3.1 流媒體服務器與終端間的連接過程

本文中提到的方法擴展了原有的RTSP協議的連接建立過程，在流媒體服務器響應了終端的PLAY請求后，定時器開始計時。終端接收到服務器的PLAY響應后就以設定的時間間隔向服務器發送心跳包，服務器收到此心跳包后重設定時器，并分析出心跳包中終端對應的公網IP地址信息和端口號。服務器根據獲取的IP地址和端口號向終端發送視頻流數據，終端播放器在會話過程中仍以一定的時間間隔發送心跳包。若服務器在定時器超過一定數值后還沒有接收到心跳包，則關閉會話。具體流程如圖1所示：

圖1 流媒體服務器與終端通信流程圖

（1）終端與流媒體服務器經過OPTIONS、DESCRIBE、SETUP、PLAY等交互后建立連接。

（2）終端視頻端口（client_port），端口號分別是59532、59533，其中59532端口用于接收視頻流數據，59533端口用于終端和服務器間RTCP消息交互。

（3）流媒體服務器用于接收接收心跳包的端口（server_port）分別為6970、6971，其中6970用于接收終端發送的RTP心跳包，6971用于接收終端RTCP心跳包。

（4）流媒體服務器響應完終端PLAY請求之后，并沒有馬上向終端發送視頻流數據，而是先設定一個定時器，等待終端向其發送心跳包。若在定時器規定的時間內收到心跳包，服務器才向終端發送視頻數據；若等待時間超出了定時器設定時間，服務器則關閉與終端的連接。

（5）流媒體服務器收到終端發送的心跳包后，重新設定定時器并分析心跳包，從中獲取終端對應的公網IP地址和端口號，或者終端的NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）設備的公網IP（Internet Protocol，網協）地址以及NAT設備端口號。服務器就能根據得到的IP地址和端口號向終端播放器發送視頻流數據，同時進行RTCP消息交互。

（6）流媒體服務器向終端發送視頻流數據后，終端仍然以設定的時間間隔向服務器發送心跳包，如果服務器在設定的時間間隔內未收到心跳包，則判定終端處于離線狀態，隨即關閉連接。

3.2 心跳包的設計

本文中心跳包結構擴展了RTP協議數據包字段[5-6]，在RTP數據包的報文頭擴展字段中填入流媒體服務器所需的驗證信息，再由UDP發送。心跳包的構成如圖2所示：

圖2 心跳包結構圖

各個字段描述如下：

V：標識RTP版本，占2位；

P：填充標識，占1位；

X：擴展標識，占1位；

CC：CSRC計數器，占4位；

M：標記，占1位；

PT：載荷類型，占7位；

sequence number：系列號，占16位，用于標識發送端發送RTP報文的序列號，每發送1個，序列號就加1，接收端則通過序列號對數據包進行排序，檢測數據包丟失情況；

timestamp：時標，占32位，反映RTP數據包中第1個八進制采樣時刻，用于接收端延遲和延遲抖動，并且進行同步控制；

SSRC：同步源標識符，占32位，用于同一RTP包連接中沒有兩個同步源有相同的SSRC標識；

CSRC列表：貢獻源標識符，占32位，表示包內的對載荷起作用的源；

identifier：標識，占32位；

IPCID：網絡攝像頭ID號，占16位；

length：心跳包的有效字段字節數；

packettype：值為0表示初始化包，值為1表示維持包；

reserved：保留字段，占16位。

流媒體服務器向終端響應PLAY請求后，并非立刻向終端播放器發送視頻流數據，而是先處于等待狀態，當含有初始化標志的心跳包到達時，經過分析、驗證正確后，服務器才向終端發送視頻流數據。終端收到流媒體服務器發送的視頻流數據后，設置心跳包的packettype字段為“維持”，直到連接結束，此時心跳包的作用為在線保活。

流媒體服務器分析心跳包的過程如圖3所示。

流媒體服務器收到終端發送的心跳包后，先判斷其identifier字段是否正確，如果正確則說明收到正確的心跳包，再檢測packettype字段，若packettype為“初始化包”，則服務器從承載心跳包的UDP數據包頭獲得源IP地址及其端口號，根據獲取的IP地址及端口號發送視頻流數據，若規定時間內未收到“初始化包”，則關閉連接。如果packettype字段標識為“維持包”，那么服務器更新定時器，在規定時間內未收到“維持包”服務器則判定終端播放器已處于離線狀態，關閉連接。

圖3 心跳包分析過程圖

4 結束語

本文描述了流媒體服務器和終端之間通信連接建立的過程，提出了一種心跳機制的實現方法，該方法對傳統的RTP數據包頭部進行擴展，利用增加的字段識別來自終端的信息，使得普通的實現RTSP的終端不能訪問流媒體服務器，從而更好地保障了視頻監控系統的安全性。無論終端的網絡環境是處于公網，還是含有NAT設備的內網環境，實現了本方法后就可以查看監控內容，為解決一些網絡問題提供參考。

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