徐 強，章堅武

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

0 引言

隨著計算機技術、網絡技術、語音和視頻編解碼技術以及流媒體技術的不斷發(fā)展與完善，視頻監(jiān)控業(yè)務在當今的網絡時代取得了蓬勃的發(fā)展。如今，視頻監(jiān)控業(yè)務的重要性不言而喻，其應用領域包括城市安防、檢驗檢疫、環(huán)境保護、氣象檢測、銀行安保、商鋪監(jiān)控等等，甚至滲透到了家庭領域［1］?，F(xiàn)在一些視頻監(jiān)控應用提出多點接收的需求。實現(xiàn)多點接收有3種方法，第1種方法是對每個接收點都發(fā)送一次單播，第2種方法是采用廣播技術，第3種方法是利用多播手段。其中第3種方法最好，它也是當前互聯(lián)網實現(xiàn)多點接收的主流技術，應用范圍很廣。本文由于本視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用于虛擬專用網絡，因此多播安全性得到保證。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 實時視頻監(jiān)控網絡的原理框圖

視頻采集模塊將原始的視頻模擬信號經過取樣和量化轉換成數字信號，為接下來的視頻編碼做準備工作。未編碼的視頻數據量特別大，如表1所示。

表1 未壓縮信源的大致信息量

在現(xiàn)有網絡環(huán)境下，直接傳輸如此大的信息量是不現(xiàn)實的。由于視頻數據中存在大量的冗余信息，經過壓縮之后，數據量會大幅下降，從而使得通過網絡傳輸實時多媒體數據成為可能。rtp協(xié)議是由音頻和視頻傳輸工作組制訂，專門用來在因特網上傳輸音頻和視頻的標準包格式。客戶端通過接收和解包rtp數據，解碼視頻數據，最終播放視頻，顯示畫面。為了方便保存證據，以便公安機關查看，本文增加了本地存儲模塊來保存高分辨率的視頻。這就是監(jiān)控系統(tǒng)的全部流程。與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用VPN技術，此技術主要采用了隧道技術、加解密技術、密鑰管理技術和使用者與設備身份認證技術。它可以將外部非法用戶與合法用戶隔離開來，使得非法用戶無法竊取VPN網絡傳輸的視頻數據。

2 多播實現(xiàn)

2.1 多播介紹

多播，也稱為組播，將局域網中同一業(yè)務類型主機進行了邏輯上的分組，進行數據收發(fā)的時候其數據僅僅在同一分組中進行，其他的主機沒有加入此分組不能收發(fā)對應的數據。多播技術，是一種允許一臺或多臺主機(多播源)發(fā)送單一數據包到多臺主機(一次的，同時的)的TCP/IP網絡技術。在IPv4中D 類 IP 地址用于多播通信，范圍從224.0.0.0 到 239.255.255.255，并被劃分為局部鏈接多播地址、預留多播地址和管理權限多播地址3類。其中，局部鏈接多播地址范圍在224.0.0.0 224.0.0.255，這是為路由協(xié)議和其它用途保留的地址，路由器并不轉發(fā)屬于此范圍的IP包;224.0.1.0 238.255.255.255為預留多播地址，可用于全球范圍(如 Internet)或網絡協(xié)議;239.0.0.0 239.255.255.255 為管理權限多播地址，可供組織內部使用，類似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制多播范圍。使用同一個IP多播地址接收多播數據包的所有主機構成了一個主機組，也稱為多播組。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的多播流程

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻采集模塊將模擬的視頻信號進行模數轉換，得到數字的視頻信號，再送入視頻壓縮模塊。該模塊采用H.264視頻壓縮算法，視頻壓縮完成后得到264視頻流，在送入rtp發(fā)送模塊。此模塊對264視頻流進行打包，根據視頻流中的起始碼，將視頻流分割成一幀一幀，并將每一幀按照rtp打包規(guī)則分開打包，然后通過UDP協(xié)議發(fā)送到多播組，路由器根據多播組地址自動進行多播轉發(fā)。此時，只要客戶端加入多播組就可以通過UDP協(xié)議從多播組接收經過rtp打包過的視頻數據了。接收視頻數據后，對這些包重新進行排序以解決rtp包亂序到達的問題，之后就可以從排好序的rtp包中提取出視頻數據并送入視頻解碼模塊，使用H.264算法進行解壓縮，解壓出一幀后就送入視頻播放模塊進行畫面回放。

2.3 Linux操作系統(tǒng)下多播編程實現(xiàn)

Linux操作系統(tǒng)使用Berkeley Socket API進行網絡編程。Berkeley Socket采用setsockopt()的套接字選項功能來設置。對于某些選項利用getsockopt()功能可獲得當前的設置［3］。setsockopt()/getsockopt()可用的組播命令如表2所示。利用Berkeley Socket實現(xiàn)IP組播通信的流程圖如圖2所示。

表2 setsockopt/getsockopt組播命令參數

IP組播通信的編程方法如下:

(1)建立多播發(fā)送套接字，首先要使用函數socket()建立一個數據報套接字，然后用bind()函數將套接字與一地址和端口號連接起來，其中，地址可選用本地IP地址或由INADDR_ANY參數任意分配一個IP地址，端口號要大于 1024［4］。相關代碼如下，

圖2 多播流程圖

(2)設置多播的參數，例如設置IP_Multicast_TTL選項和要加入的組播組的地址結構。詳細代碼如下，

(3)設置IP_Add_Membership選項以便加入指定的某個多播組。如果只打算發(fā)送數據，則不必加入多播組。

其中ip_mreq結構如下:

(4)調用函數sendto()發(fā)送多播數據，調用函數recvfrom()接收多播數據;

(5)設置IP_Drop_Membership選項和要脫離的多播組的地址結構，調用setsockopt()脫離指定的組播組，例如，

(6)完畢后關閉套接字。

在步驟4中，可以將打包好的rtp視頻數據包通過調用sendto()函數發(fā)送出去或者通過調用recvfrom()函數從多播組接收rtp視頻數據包。

3 多播安全性

多播通信過程中，由于任何IP地址都可以隨意加入某個多播組，也可以隨時離開某個多播組，因此這給多播組的安全和管理帶來較大的難度。此視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于VPN網絡的，因此不屬于這個VPN網絡的用戶是無法加入多播組的，也就接收不到多播組傳輸的數據，這讓該視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性得到了比較好的保護。

4 實驗結果與分析

本文以北京瑞泰的ICETEK-DM365-KB-EZ開發(fā)板作為監(jiān)控端，華為C8500和中興N880S手機作為客戶端。這兩支手機均安裝了使用Java語言編寫的客戶端程序，監(jiān)控系統(tǒng)采用由ISO的MPEG和ITU的VCEG兩個組織制定的H.264視頻編碼標準，視頻分辨率為352×288，10幀/s，碼率200kbps。在VPN網環(huán)境下(VPN網絡有中國電信提供，對手機的VPN設置選項進行一些相關設置，然后輸入電信提供的帳號和密碼就可以進入VPN網絡)，進行了測試。畫面清晰，視頻流暢，多播功能得到了較好的實現(xiàn)。由于電信的3G網絡的不穩(wěn)定，實驗過程中還是有少量馬賽克出現(xiàn)。效果如圖3所示。

圖3 測試效果圖

5 結束語

多播作為一點對多點的通信［5］，是節(jié)省網絡帶寬的有效方法之一。在網絡音頻/視頻廣播的應用中，當需要將一個節(jié)點的信號傳送到多個節(jié)點時，無論是采用重復點對點通信方式，還是采用廣播方式，都會嚴重浪費網絡帶寬，只有多播才是最好的選擇。多播能使一個或多個多播源只把數據包發(fā)送給特定的多播組，而只有加入該多播組的主機才能接收到數據包。目前，IP多播技術被廣泛應用在網絡音頻/視頻廣播、AOD/VOD、網絡視頻會議、多媒體遠程教育、“push”技術(如股票行情等)和虛擬現(xiàn)實游戲等方面。由于任何IP都可以自由的加入一個多播組，也可以隨時隨地的離開一個多播組，因此多播的安全性一直一個比較棘手的問題。本文提出使用VPN技術，可以較好的解決安全性問題。

［1］ 劉聰，陳大慶，鄭冬冬.TD視頻監(jiān)控的解決方案分析［J］.電信技術，2011，(11):48－50.

［2］ 劉鵬.音視頻壓縮技術在多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究［D］.西安:西北工業(yè)大學，2003.

［3］ 徐立新，李宗斌.IP組播技術的API編程實踐［J］.微型機與應用，2002，21(6):32－34.

［4］ 朱利，周俊輝，鄭守淇.WINDOWS下組播通信的研究與實現(xiàn)［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2000，21(2):132－134.

［5］ 徐昌彪.IP組播及其核心技術探討［J］.計算機應用研究，2001，18(8):38－41.