一種雙網口冗余的視頻編碼系統的設計與實現

蘇威積 杜 煒 李 劍

1(北京航天愛威電子技術有限公司 北京 100854)2 (北京郵電大學計算機學院 北京 100876)

1 背景技術

隨著互聯網的發展，高效、安全地傳遞信息及實現信息的共享已成為現代社會發展的一個必要條件.視頻編碼系統作為視頻安防監控系統[1]的一部分，對網絡有實時性的要求，是不允許網絡出現故障的.但網絡涉及到的環節非常多，任何一個環節出現問題都會導致整個網絡傳輸運行的停止.所以應該給用戶提供冗余的網絡、冗余的通道等確保網絡的暢通[2].在我們的視頻編碼系統里，編碼板與交換設備實現通信時，通過網線將它們的網口連接起來.其中，交換設備網口中的邏輯端口通過設置的硬件接口與編碼板設備實現數據傳輸.在網口中1個邏輯端口的通信通路出現故障時，可以切換至另一個邏輯端口的通信通路，實現直接、高效的網口故障防護.在視頻編碼系統中使用雙網口冗余方法[3]可以提高鏈路可靠性，冗余設備的成員能夠相互動態備份.當某一個鏈路中斷時其他成員可以迅速接替其工作，切換在1 s內完成，而用戶并不會感覺到.

圖1 系統架構

現在實現雙網口冗余的通常做法是用戶設備上只設置1個硬件接口，通過特制的I轉2網線連接到交換設備的2個硬件接口上，交換設備上設置內置或外置的開關器件.當交換設備的1個邏輯端口的通信通路發生故障時，通過切換開關，斷開故障邏輯端口這一通信通路的物理連接，將連接通路切換至另一個邏輯端口的通信通路，以保證數據的傳輸[4].這種方式用戶設備只要有1個接口即可，切換用的開關器件集成在交換設備上.但是由于開關器件的引入，將會影響信號傳輸的可靠性，導致收發信號的實際波形無法達標.開關控制狀態變換常常引起各種信號震蕩，且開關器件本身的可靠性導致其電氣防護特性也是有限的，因此這種方式會導致交換設備本身的可靠性降低[5].所以我們需要通過軟件控制來使用雙網口冗余技術，以保證視頻編碼系統的穩定性及實時性.

2 系統概況

本文的目的是使用海思Hi353x開發板實現一種雙網口冗余的視頻編解碼系統，使得該系統穩定可靠[6].Hi3531是針對多路D雙網口1和多路高清DVR和NVR產品應用開發的一款專業高端SOC芯片.Hi3531內置高性能雙核A9處理器、高達5路1080P實時多協議編解碼能力的引擎和專用TOE網絡加速模塊，并且支持2個GMAC接口，可以實現雙網口冗余.

本文采用的技術方案如下：

雙網口冗余采用的方法是交換設備上的2個邏輯端口分別對應2個硬件接口，2個硬件接口分別通過2根網線與交換設備上的2個硬件接口配合，連接成2個通路，2個通路互相冗余，一旦一個邏輯端口對應的通路壞掉，則可以自動切換至另一個邏輯端口對應的通路上去.這種雙網口冗余就是把2個網口當成1個網口使用，起到冗余的作用.

雙網口冗余[7]使用的技術是鏈路聚合技術，也稱為捆綁技術.其實是將幾條物理鏈路“組合”成邏輯上的一條數據通道，稱為1條聚合鏈路.將交換機與防火墻之間的2條物理鏈路link1和link2組成1條邏輯鏈路，該鏈路在邏輯上是一個整體，鏈路內部組成和傳輸細節對上層是透明的，對外不再使用物理端口號fe1或fe2，而是使用冗余網口號(可命名為rd1).冗余網口對上層來說是一個整體，冗余設備由什么物理設備組成、物理設備之間如何進行協調動態備份，對上層都是透明的.冗余網口內部聚合的物理鏈路共同完成收發任務并相互備份，只要還存在能正常工作的成員，整個傳輸鏈路就不會失效.也就是說如果link1失效，它的任務會迅速轉移到link2上，因此編碼板與交換設備之間的連接不會中斷.這種實現雙網口冗余的技術簡單易用，很適用于雙接口的設備上.

在本系統中，整個雙網口冗余的視頻編解碼系統包括視頻編碼模塊、視頻解碼模塊、冗余網絡模塊和IO傳輸模塊，如圖1所示.

3 系統設計

3.1 視頻編碼模塊

在視頻編碼模塊，我們使用了海思Hi3531開發板進行視頻編碼，編碼模塊主要由圖2所示的4個部分組成，分別為視頻輸入、視頻處理、視頻編碼、視頻輸出[8].

1) 視頻輸入(VI).將芯片外的視頻數據，通過ITU-R BT656/601/1120接口或digital camera接口，存入到指定的內存區域.在此過程中，VI可以對接收到的原始視頻圖像數據進行裁剪、水平垂直縮小和水平垂直翻轉，并輸出多個不同分辨率的視頻流及對應的直方圖信息.

2) 視頻處理(VPSS).該部分完成視頻的圖像增強、去噪、De-Interlace、OSD疊加、銳化等功能.也就是對輸入的視頻進行前期的處理.

3) 視頻編碼(VENC).本部分支持多路實時編碼，且每路編碼彼此獨立，編碼協議和編碼profile可以不同.在支持視頻編碼的同時，調度VPP模塊對視頻圖像進行視頻前處理，調度REGION模塊對編碼圖像內容進行疊加和遮擋.VENC的數據流程如圖3所示.

其中編碼通道可分為主編碼通道和次編碼通道，能夠同時輸出2路碼流:一路主碼流，另一路為次碼流.

4) 視頻輸出(VO).該部分是本模塊的最后一步，輸入的視頻經過VNEC模塊編碼后，由輸出模塊傳給交換設備，在這個過程中采用雙網口冗余來進行傳輸，保證了傳輸的可靠性.

圖2 視頻編碼模塊

圖3 VENC的數據流程圖

這4個部分組成了本系統的視頻編碼模塊，完成了視頻從輸入到編碼、再輸出的整個過程.

3.2 視頻解碼模塊

在視頻解碼模塊，我們使用了海思Hi3536開發板進行視頻編碼，解碼模塊主要由圖4所示的4個部分組成，分別為視頻輸入、視頻處理、視頻解碼、視頻輸出[9].

1) 視頻輸入(VI).將芯片外的視頻數據，也就是視頻編碼模塊得到編碼后的視頻通過IO模塊傳輸過來，存入到指定的內存區域.

圖4 視頻解碼模塊

2) 視頻處理(VPSS).該部分完成視頻的圖像增強、去噪、De-Interlace、OSD疊加、銳化等功能.也就是對輸入的視頻進行前期的處理，同編碼模塊的視頻處理部分.

3) 視頻解碼(VDEC).本部分支持多路實時解碼，且每路解碼彼此獨立，解碼協議和解碼profile可以不同.其中解碼通道可分為主編碼通道和次編碼通道，能夠同時輸出2路碼流:一路主碼流，一路為次碼流.

4) 視頻輸出(VO).該部分是本模塊的最后一步，輸入的視頻經過VDEC部分解碼以后，由輸出模塊傳給屏幕.

這4個部分組成了本系統的視頻解碼模塊，完成了視頻從輸入到解碼、再輸出的整個過程，將由編碼模塊傳來的視屏解碼后輸出到屏幕上，完成了視頻安防監控系統的最后部分，保障了視頻監控系統的穩定性.

3.3 冗余網絡模塊

雙網口配置設置虛擬為一個網口，實現網口的冗余，其中一個網口壞掉后網絡通信仍可正常使用，實現網口層面的負載均衡和高可用性[10].

主要是在Linux開發板上進行配置，具體步驟如下：

1) 進入網口配置目錄；

2) 創建雙網口綁定配置文件；

3) 修改綁定網口(建議：在網口綁定前，先對先前的網口配置信息進行備份)，分別修改網口1和網口2的配置；

4) 配置modprobe參數；

5) 關閉網絡管理程序.

3.4 IO傳輸模塊

在本模塊里我們采用了select[11]模型，這是一種IO多路復用模型.一般網絡程序，使用accept，recv等接口.則服務端，在調用accept時，如果此時沒有客戶端連接則服務端需要等待.recv也是一樣.這種情況下服務端只能阻塞等待.select模塊，則是使用select函數去查詢你使用到的socket的狀態.比如，是否有客戶端連接，是否有客戶端發送數據.這樣可以針對有數據的socket進行操作.避免盲目等待.

最主要的一個函數就是select函數.該函數有5個參數.

maxfdp：是一個整數值，是指集合中所有文件描述符(socket)的范圍，即所有文件描述符的最大值加1.

readfds，writefds，errorfds都是fd_set類型的指針，是1個socket的數組指針.

readfds：進行可讀操作查詢的文件描述符的集合，不需要讀操作，則可傳入NULL.

writefds：進行可寫操作查詢的文件描述符的集合，不需要寫操作，則可傳入NULL.

errorfds：進行文件異常錯誤查詢的文件描述符，也可以傳入NULL.

timeout：第一，若將NULL以形參傳入，即不傳入時間結構，就是將select置于阻塞狀態，一定等到監視文件描述符集合中某個文件描述符發生變化為止；第二，若將時間值設為0秒0毫秒，就變成一個純粹的非阻塞函數，不管文件描述符是否有變化，都立刻返回繼續執行；第三，timeout的值大于0，這就是等待的超時時間，即select在timeout時間內阻塞，超時時間之內有事件到來就返回，否則在超時后不管怎樣一定返回.

返回值：如果有錯誤，則返回值為-1，如果超時返回則返回值為0，如果文件描述符里面有變化，則返回值大于0.

4 總 結

本文描述了一種雙網口冗余的視頻編碼方法及系統，是安防視頻系統的一部分，所以要求高實時性和高穩定性.我們將視頻通過Hi3531進行視頻編碼后傳給IO模塊輸出，在輸出過程中我們采用了select多路復用實現多路傳輸，并利用冗余模塊保證了一個網口斷掉，視頻可以在另一個網口上繼續傳輸，視頻傳輸到Hi3536進行解碼，最終輸出到屏幕上.

[1]雷玉堂. 安防視頻監控實用技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012

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[5]張士民. 基于TCP/IP網絡環境下網卡冗余熱備的實現[J]. 信息技術與信息化, 2016, 41(11): 26-28

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