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網絡傳輸技術

發布時間:2012-4-7    瀏覽:1045

一、網絡傳輸計術的發展
從上個世紀80年代以來,安防技術經歷了飛速發展。隨著監控行業從全模擬監控到全數字監控系統,監控傳輸技術也經歷了從閉路電視傳輸到IP有線網絡傳輸,再到現在的無線傳輸等傳輸技術的變遷。
早期傳統的監控系統采用模擬信號傳輸方式,稱為第一代全模擬監控時代。模擬監控一直主導著安防市場十多年時間,模擬監控在監控中心通過磁帶錄像設備進行錄像或保存。其缺點是無法對視頻資料進行自動的海量存儲,用磁帶作為存儲設備會給監控資料的保存和管理帶來巨大的工作量。隨著計算機技術的不斷發展,數字化存儲方式逐漸取代了模擬的磁帶存儲。隨之進入了第二代準數字監控系統,以數字硬盤錄像DVR為主,替代了原來的長延時模擬錄像機,跨出數字監控的第一步。
模擬監控系統的另外一大缺點需要大量鋪設視頻電纜或光纜,由于鋪設電纜/光纜成本過高,施工周期過長,現在已經逐步被數字化的傳輸方式所取代。
隨著計算機與網絡技術的發展,目前視頻監控已經發展到了基于IP網絡傳輸的監控系統。網絡視頻監控業務是一項完全基于寬帶網的遠程監控業務。
這樣就進入了第三代全數字網絡視頻監控時代,這個時代的代表產品以NVS/DVS和IP Camera為主。這個時代的網絡傳輸技術則完全依賴于傳統的計算機網絡技術,計算機網絡中的TCP/IP協議族在監控領域得到了廣泛的應用和發展。包括一直應用于通信領域的SIP協議也被逐步引入監控行業。
隨著無線傳輸技術的不斷發展,無線網絡帶寬的不斷提高,利用無線通訊技術來傳輸音視頻信號已成為可能。因此無線傳輸又被應用到視頻監控行業中來。預計視頻監控領域的下一個時代將是無線監控時代。無線監控以其方便的施工和低廉的成本已經越來越被人們認可。
雖然受限于無線網絡的帶寬,當前的無線監控只能作為對有線網絡監控系統的有力補充。但是,隨著WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)等3G技術的日趨成熟,基于3G網絡的無線視頻監控也成為研究熱點。WiMax是近年來出現的一種無線寬帶接入技術。與現有的移動通信技術相比。WiMax技術可以提供更高的數據速率,更強的數據業務能力。所以WiMax通信技術將是未來無線監控應用的主要通信手段。
二、傳輸協議及原理
計算機網絡傳輸采用的網絡協議有TCP/UDP、RTP/RTCP、SIP等協議。這些協議在安防監控領域已得到了廣泛的應用和推廣。
1、TCP/UDP
TCP是基于連接的協議,也就是說,在正式收發數據前必須和對方建立可靠的連接。TCP的目的是提供可靠的數據傳輸,并在相互進行通信的設備或服務之間保持一個虛擬連接。TCP在數據包接收無序、丟失或在交付期間被破壞時,負責數據恢復。
因為TCP協議的ACK機制限制它的傳輸效率不是很高,所以TCP協議適合傳輸數據量小,但對傳輸質量和數據重要性要求比較高的場合。不適合大流量的數據傳輸。
UDP與TCP的主要區別在于UDP不一定提供可靠的數據傳輸。該協議不能保證數據準確無誤地到達目的地。當某個程序的目標是盡快地傳輸盡可能多的信息時,可使用UDP。
鑒于TCP和UDP各自的傳輸特點,一般視頻監控系統中都采用TCP連接來傳輸命令和控制信息,而采用UDP連接來傳輸實時的音視頻數據。
2、RTP/RTCP
RTP(Real-time Transport Protocol)是Internet上針對多媒體數據流的一種傳輸協議。其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP通常使用UDP來傳送數據。也可以在TCP或ATM等其他協議之上工作。
RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP提供流量控制和擁塞控制。在RTP會話期間,各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料。服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速率,甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP必須配合使用,它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化,因而特別適合傳送網上的實時數據。
視頻監控領域要求傳輸包括聲音、圖像、圖形、視頻信息等等,而這些傳輸不但數據量大而且對交互性和實時性要求很高。所以實時流媒體控制協議已被廣泛應用于視頻監控領域,用來傳輸實時的多媒體數據流。
3、SIP
SIP是由IETF提出來的一個應用會話信令控制協議。SIP中有客戶機和服務器之分。客戶機是指為了向服務器發送請求而與服務器建立連接的應用程序,用戶代理和代理中含有客戶機;服務器是用于向客戶機發出的請求提供服務并回送應答的應用程序。共有四類基本服務器:用戶代理服務器、代理服務器、重定向服務器、注冊服務器。
Internet自身的特點,首先它是一個終端高度智能,網絡相對簡單的結構。SIP協議完全傳承了Internet的特點,是計算機網絡流派的杰作。Internet是一個分布、客戶機/服務器、水平控制的網絡,SIP協議本身實現的通信方式也是一個分布、客戶機/服務器、水平的控制結構。因為SIP協議的簡單性和符合計算機開發人員的思維習慣的特性, SIP協議已被引入到視頻監控領域,用來為系統監控平臺建立和管理復雜的會話連接。
三、安防行業的特殊要求
1、大數據量和高可靠性并重的要求
安防行業要求監控視頻數據的實時性、安全性、資料的可保存性。監控資料的保存隨著計算機技術的不斷發展,海量存儲設備不斷問世,已經可以解決視頻資料的海量存儲需求。安全性也有各種加密算法來保障信息的安全性和可靠性。
但是值得我們關注的是,網絡視頻的傳輸應該是當初網絡協議提出時所未料及的。實時視頻流是一個恒定的信息流,也就是說需要一個恒定的傳輸帶寬作保障。而在因特網內部,信息的傳輸并不是一個恒定的流。在圖像傳輸過程中,因特網底層會將數據分割為多個包進行傳輸。基于IP網絡傳輸的這些原理,網絡視頻監控對網絡有著很大的依賴性。龐大的數據和信號流量與目前相對過小的可用帶寬產生的矛盾導致人們對IP網絡視頻監控的應用和前景并不十分樂觀,而圖像質量、網絡速度、傳輸時延、網絡安全等問題,也成為大家關注的焦點。
網絡傳輸協議中TCP適合小數據量高可靠性要求的信息傳輸,UDP適合大數據量低可靠性要求的信息傳輸。而在視頻監控領域的監控視頻數據則是大數據量和高可靠性并重的要求。這就很難抉擇使用什么傳輸協議來傳輸監控視頻,視頻流編解碼的相對性,對數據流的前后相關性提出了很高的要求,如果丟掉前一幀數據則可能會導致后一幀或之后的很多幀數據都無法解碼顯示,后續傳輸的部分數據等同于無用的廢數據。而如果要丟掉這些數據則會導致在視頻取證上的不完整性,監控視頻每時每刻的數據都非常重要,不能輕易丟棄。這是網絡協議應用的尷尬,所以后來出現了RTP/RTCP用來傳輸實時的音視頻數據流。雖然比較普通的TCP/UDP協議其實時性和可靠性有了一定的提高。但是這些協議都是建立在UDP/TCP協議基礎之上的,其底層傳輸協議的弊端是無法避免的。
2、上行帶寬比下行帶寬高的要求
和其他互聯網業務需求不同,監控點要求網絡上行帶寬要高于下行帶寬,而現在的很多互聯網接入業務則正好相反,比如應用最為廣泛的ADSL接入技術提供下行帶寬高,而上行帶寬低的網絡傳輸服務。對于一個NVS或網絡監控攝像機它們則需要更高的上行帶寬來傳輸實時視頻流,較高的下行帶寬則毫無用處,這就使監控行業應用在現在的寬帶業務接入方案中顯得比較不適合。
視頻監控領域對同一個監控點的多人同時瀏覽,則對監控點的上行帶寬提出了更高的要求,這樣就引入了流媒體轉發服務器的概念,監控點將視頻數據上傳到流媒體轉發服務器上,再由流媒體轉發服務器分發給需要瀏覽的各客戶端。對于監控點龐大的平安城市項目來說,流媒體轉發服務器的上行帶寬又成為了系統應用的瓶頸。
四、傳輸技術創新
1、基于WiMax的無線視頻監控
在青島進行的奧運帆船比賽,因為轉播工作必須要在輪船上進行,所以有線的通信設備已無用武之地。為保證奧運會的順利召開,奧運安保工作在緊張的進行,巡邏車、巡邏安保人員,等這些安保要求都對移動監控提出了需求。鑒于這種市場需求和應用。國內一些大公司聯合開發了基于WiMax無線傳輸網絡的視頻監控和轉播系統。該系統基于WiMax無線傳輸網絡,實現對前端奧運帆船賽事的實況轉播,實現在移動巡邏車上的監控,實現巡邏安保人員的手持無線監控。
同時還實現了基于MID的手持無線監控終端,通過該終端可以瀏覽到其他移動的或固定監控點的音視頻圖像,用于巡邏安保應用。該無線監控終端還可以瀏覽到帆船賽事節目的轉播,觀眾可以通過手持的無線監控終端對賽事進行實時觀看。
基于WiMax的無線網絡監控攝像機和基于MID的無線手持監控終端填補了無線監控市場的空白,已成功應用于青島奧帆賽的實況轉播和奧運安保工作,為奧運會的順利召開貢獻了自己的力量。
2、智能網絡傳輸模型
監控行業對互聯網帶寬的特殊要求,在前端監控點要求有較高的上行帶寬,而下行帶寬則基本上沒什么用途,后端瀏覽的客戶端則要求有較高的下行帶寬來保證多路視頻的實時瀏覽,而對上行帶寬則無過多要求。我們基于IP網絡來傳輸監控視頻又無法對IP傳輸底層協議進行更改,鑒于這種特殊的應用需求,和特殊的帶寬占用。我們只能通過上層傳輸控制機制來有效地利用這些有限的網絡帶寬資源。
為了減輕前端監控點和流媒體服務器的上行帶寬壓力,國內一些安防公司經過多年的摸索研究出一套全智能型網絡傳輸和轉發控制機制,該系統中可以有效利用有限的網絡資源。通過該機制可以緩解流媒體轉發服務器的壓力,在沒有流媒體轉發服務器的情況下可以有效地緩解前端監控點的網絡傳輸壓力。該方案已成功應用于多個監控現場,對緩解網絡傳輸壓力起到了非常重要的作用。
該傳輸機制的原理就是充分利用瀏覽客戶端幾乎沒用的上行帶寬。在監控系統內客戶端用來瀏覽監控點的電腦上,其上行網絡帶寬幾乎沒什么用,該方案的關鍵點就是設計出一套機制來把這些沒用的上行帶寬充分地利用起來。利用這些上行帶寬為其他客戶端提供實時的視頻監控數據。從而分解和減輕服務器發送視頻數據的負擔。
該方案中模糊了Server和Client的概念,讓Client也分擔一部分Server發送視頻數據的負擔,從而減輕真正Server的工作壓力。而在這里Server需要負責協調各Client之間的正常工作和穩定運行。
系統中Server根據各Client的不同網絡帶寬和傳輸延遲對數據的轉發方式進行智能分配。一個Client可能從Server收到數據也可能從其他一個或多個Client收到視頻數據。這樣,當Server網絡附載過重時,它會自動安排Client之間進行數據轉發,從而降低Server負擔,并且能充分利用各Client的上行帶寬。
該方案的難點在于如何快速進行網絡帶寬的調配,使各客戶端之間能夠迅速完成視頻數據的智能轉發,以及在某客戶端網絡出現故障后如何進行快速恢復,這兩個機制解決好之后該方案才能真正起到均衡網絡帶寬的目的。
五、發展趨勢及展望
隨著無線網絡技術的日益成熟,無線網絡已被越來越多的企業用戶所接受。無線網絡在各方面的發展,達到了企業用戶對使用無線網絡全方位的需求。從日常辦公環境到跨地區的網絡互聯,無線網絡都扮演著重要的角色。無線網絡的引入,為監控行業提供了一種新型的網絡應用平臺。
無線網絡自問世以來,以其無可比擬的優勢迅速深入到各行各業。無線網絡安裝方便,性價比高,成為當今網絡發展的趨勢所向。
無線網絡已成為網絡傳輸技術的發展目標。其高移動性、無線網絡布局自由、建設成本低、施工周期短、安裝方便、兼容性強、接入方式靈活多樣。在監控行業發展迅猛的今天的,許多監控現場都提出了無線監控的要求。在很多特殊的監控領域比如森林、油田、環保、能源等場合,由于其布線成本非常昂貴,且工期長。無線網絡的出現無疑給企業帶來了新的生機,通過無線網絡可以很方便的建立起安防監控網絡。
隨著企業辦公信息化程度的提高,移動辦公設備越來越普及。而傳統的有線接入的方式卻阻礙了這些移動設備發揮其移動的特性。基于WiMax的無線手持監控終端MID的誕生,拋棄了線路的束縛,使監控環境移動了起來,用戶可以隨時隨地進行網絡連接,真正實現了無所不在的監控,為巡邏車和巡邏人員提供了有效的通信和和監控手段。
無線網絡傳輸網速是最大問題,而隨著3G技術的不斷發展,WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMax等技術的不斷成熟和商用,尤其是WiMax技術的成熟應用,其理論帶寬可達到30Mbps,且上下行帶寬可調等便利因素,使得網絡速度的限制已經不復存在。無線通信技術和衛星通信技術的發展,使得將來的網絡傳輸技術可能衛星化,將來可實現全球化的衛星監控。

 
 
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