??? 摘 要：為了機房的安全以及更好地管理，設(shè)計了機房實時監(jiān)視系統(tǒng)。采用H26x視頻編碼技術(shù)和RTP協(xié)議來實現(xiàn)，并且討論了基于RTP/RTCP協(xié)議的視頻實時傳輸中的控制方法。
??? 關(guān)鍵詞：實時傳輸協(xié)議；RTP／RTCP；H．26x ；G.729

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??? 視頻監(jiān)控一直是人們十分關(guān)注的應(yīng)用技術(shù)熱點之一，它以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于安保、生產(chǎn)管理等場合,成為金融、商業(yè)、交通乃至住宅、社區(qū)等領(lǐng)域安全防范監(jiān)控的重要手段,它為這些行業(yè)的安全防范和環(huán)境監(jiān)控起到了不可忽視的作用。傳統(tǒng)的機房都只能安排工作人員現(xiàn)場進行管理，不能遠程監(jiān)控、自由指揮，費時、費力，而且不能周密、全方位的監(jiān)視每個使用者，因此，為了機房的安全和更有效的管理，本文設(shè)計了機房實時視頻管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要解決兩個方面的問題，一個是視頻圖像的編碼問題，另一個是其在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸問題，而且兩方面是緊密聯(lián)系的。本研究提出基于RTP/RTCP協(xié)議構(gòu)建的機房實時視頻傳輸控制系統(tǒng)，傳輸層通信使用 UDP Socket 完成。
1 系統(tǒng)的組成與功能詳述
??? 機房監(jiān)控系統(tǒng)是由現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控服務(wù)器和監(jiān)控客戶端構(gòu)成。現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備包括數(shù)字攝像機、控制云臺、矩陣主機和模擬數(shù)字化設(shè)備、紅外線、雷達等。而監(jiān)控服務(wù)器對現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備發(fā)來的信息進行驗證、分發(fā)、處理和保存，并同時可以讓監(jiān)控客戶端通過視頻或通過Internet查看現(xiàn)場信息。這樣大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋面和靈活性。系統(tǒng)模型如圖1所示。

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2 傳統(tǒng)的TCP和UDP協(xié)議
??? TCP協(xié)議即傳輸控制協(xié)議，該協(xié)議首先要通過三次握手來建立連接，再利用“發(fā)送-等待確認-再發(fā)送”機制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕秋@然造成了對寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源的嚴重浪費，降低了傳輸效率，而且因為這種控制機制的時延太長，靈活性太差，不能滿足實時的音視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求。而UDP協(xié)議，即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，它為應(yīng)用程序之間提供面向無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)報的傳輸服務(wù)。它是一個非常簡單的協(xié)議，沒有使用確認機制來確保報文到達，沒有對傳入的報文重新排序的功能，也不提供反饋信息來控制機器之間信息流動的速度。所以UDP的報文傳輸可能出現(xiàn)丟失、重復(fù)、延遲以及亂序的錯誤。所以說單獨的UDP協(xié)議也不適合實時的音視頻數(shù)據(jù)的傳輸。
3 RTP/RTCP協(xié)議及其傳輸控制方法
3.1 RTP/RTCP協(xié)議^[1]
??? RTP協(xié)議主要是用來傳輸實時音/視頻數(shù)據(jù)，它包括RTP和RTCP兩種數(shù)據(jù)包。RTP包用于實時數(shù)據(jù)端到端傳輸，RTP包最大的特點就是其提供了時間戳(即發(fā)送數(shù)據(jù)塊首字節(jié)的創(chuàng)建時間)和序列號，以達到數(shù)據(jù)的同步和重組。而在RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失數(shù)據(jù)包的情況和數(shù)據(jù)包到達時延抖動等信息，通過該信息可以計算出如下有關(guān)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)：數(shù)據(jù)包丟失比、數(shù)據(jù)包時間片丟失比、數(shù)據(jù)包丟失率、數(shù)據(jù)包時間片丟失率、有效數(shù)據(jù)傳輸率、數(shù)據(jù)包傳輸率、吞吐量、吞吐率數(shù)據(jù)包到達時延抖動、往返傳播時延等等。通過這些參數(shù)可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量、通信帶寬以及網(wǎng)上傳送的信息。
3.2實時傳輸控制的方法
??? 遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸不可靠性主要表現(xiàn)在^[2]:
??? (1)數(shù)據(jù)包“亂序到達”，先發(fā)送數(shù)據(jù)包有可能后到；
??? (2)在Internet環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬變動會引起發(fā)送的數(shù)據(jù)包丟失；
??? (3)數(shù)據(jù)包到達的時延過大而產(chǎn)生抖動會引起數(shù)據(jù)的失真。
3.2.1 利用RTP/RTCP進行傳輸控制
??? RTP/RTCP能很好地解決上述問題。發(fā)送端和接收端應(yīng)遵循以下步驟：
??? (1)在接收端緩沖區(qū)中依靠RTP包中的序列號來調(diào)整到達數(shù)據(jù)包的順序，使之與發(fā)送時的數(shù)據(jù)順序一致。
??? (2)分析RTCP控制包。
??? (3)評估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。采用某種判斷依據(jù)，評估實際的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，以決定是否對帶寬需求進行動態(tài)控制以改善服務(wù)質(zhì)量。
??? (4)調(diào)整所需帶寬。如接收端用戶可以設(shè)置可接受的最大和最小帶寬。
??? 為了改進遠程視頻傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需建立一個傳輸控制模型，這樣可通過網(wǎng)絡(luò)狀況的反饋及時調(diào)整采樣頻率以及編碼格式以適應(yīng)當前的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求。RTCP利用主要的兩種控制包SR和RR反饋的信息如數(shù)據(jù)包丟失比、數(shù)據(jù)包丟失率、吞吐量和吞吐率、數(shù)據(jù)包到達時延抖動J(interarrival jitter)和往返傳播時延等來調(diào)節(jié)實時傳輸，并調(diào)整系統(tǒng)的打包格式、發(fā)包速率來保證流暢地傳輸數(shù)據(jù)和清晰地播放視頻。其服務(wù)質(zhì)量動態(tài)反饋控制的原理如圖2所示。

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3.2.2 利用TCP進行的新型傳輸控制
??? TCP不適合實時音視頻數(shù)據(jù)的傳輸。但是RTP協(xié)議可以利用TCP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男碌目刂疲@種控制方法很獨特、新穎。因為利用RTCP雖然可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲渲饕窃谠炊撕徒邮斩酥g的參數(shù)交流，因而只能大概、初略地估計線路的阻塞程度，從而調(diào)整發(fā)送速率。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，擁塞控制機制的目標從單獨地避免擁塞趨向于怎樣有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。RTCP中的控制將丟包和傳輸延遲的增長作為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的指示，沒有依賴于網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點。在實際網(wǎng)絡(luò)中，引起網(wǎng)絡(luò)擁塞的因素是很多的：可能由于中間節(jié)點隊列溢出引起丟包，也可能是由于設(shè)備故障或者鏈路干擾導(dǎo)致節(jié)點校驗錯誤引起丟包；可能由于中間節(jié)點隊列長度增長引起延遲增加，也可能由于傳輸路徑很長(如衛(wèi)星鏈路)或者鏈路層數(shù)據(jù)包重傳引起延遲增加。因此，利用TCP協(xié)議，可以反映網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點對擁塞的影響程度，從而采用多種擁塞控制機制來保證服務(wù)質(zhì)量。可以大致地將其劃分為3類：(1)基于丟包反饋地協(xié)議LCA(loss-based congestion avoidance); (2)基于路徑延時反饋地協(xié)議DCA(delay-based congestion avoidance); (3)基于顯式反饋的協(xié)議ECN(explicit congestion notification)。
??? 即在源端發(fā)送一些TCP探測包，經(jīng)過中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，到達接收端，接收端再發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包，與源端進行交流，從而達到傳輸控制。TCP用于RTP傳輸控制如圖3所示。

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5 監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用
??? 本系統(tǒng)的一種實現(xiàn)形式就是直接使用機房的計算機，通過安裝攝像頭或紅外線探頭，采集視頻圖像，壓縮編碼后，通過機房內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C房管理控制中心，方便機房管理人員了解機房內(nèi)學(xué)生上機的情況。另一種形式是把視頻采集編碼程序通過DSP編譯和優(yōu)化^[7-8]，然后移植到DSP平臺上，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到接收端實時顯示^[9-10]。在Internet網(wǎng)絡(luò)上進行視頻實時傳送，需要進行QOS服務(wù)質(zhì)量控制，否則傳輸質(zhì)量滿足不了要求，效果也很差。本系統(tǒng)由于采用RTP/RTCP協(xié)議進行傳輸質(zhì)量控制，在Internet網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的效果也非常好，在家里、網(wǎng)吧等也可以實時看到機房的情況，滿足了機房實時視頻監(jiān)視的需要^[11]。
??? 針對機房的安全以及機房使用的管理情況設(shè)計了機房實時監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)上的多次實驗，表明在局域網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)通信較為簡單，傳輸質(zhì)量較好，在Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，跳幀現(xiàn)象明顯，通過有效的傳輸質(zhì)量控制，傳輸幀率一般保持在每秒15～30幀，圖像效果很好，當視頻背景快速移動時，運算復(fù)雜度增大，傳輸幀率會降低，須即時調(diào)整，確保傳輸質(zhì)量的穩(wěn)定。
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