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基于SIP的网络视频监控系统

时间:2010-08-14


第 24 卷第 5 期 2007 年 5 月

计 算 机 应 用 研 究
App lication Research of Computers

Vol 24, No. 5 . May 2007

基于 S IP 的网络视频监控系统
陈季安 , 陈安平 , 李立群 , 戚文芽
(解放军信息工程大学 信息科学系 , 河南 郑州 450002 )

摘   : 介绍了初始会话协议 SIP。在 SIP和一般视频监控系统模型的基础上 ,提出了一种基于 SIP的网络视频 要 监控系统 ,给出了分层网络模型 ,并对其各功能模块的作用进行了重点阐述 。该分层网络模型的建立使得构建 数字化 、 网络化 、 智能化 、 多媒体化视频监控系统成为可能 。 关键词 : 初始会话协议 ; 媒体流 ; 视频监控 ; 网络架构

0  引言

随着互联网的普及 ,以及计算机 、 网络 、 IP 图像处理 、 传输 技术的飞速发展 ,视频监控技术也有长足的发展 。数字化 、 网 络化 、 智能化 、 多媒体化视频监控系统已经成为国内外发展的 必然趋势 。视频监控是现代化管理 、 监测 、 控制的重要手段之 一 ,以其直观 、 方便 、 信息内容丰富而被广泛地应用于工业 、 商 业、 金融 、 交通 、 教育 、 军事以及安防等多种领域 。近年来 , 在
IP网络上实现视频监控成为了一个重要的研究热点 。为了在 Force)组织于 1999 年 3 月正式提出了 SIP。该协议适用于网

Internet上实现多媒体会话业务 , IETF ( Internet Engineering Task

络电话 、 网络会议 、 即时消息和分布式虚拟现实系统等多种多 媒体应用 ; 同时它也正在为适应更多的应用而不断扩展 、 不断 标准化 。 本文结合已有的一些研究结果和 SIP扩展 ,设计了一个基 于 SIP的网络视频监控系统 。

1  SIP

SIP是一种基于 IP 网络实现实时通信的应用层控制 (信

令 )协议 ; 而所谓的会话 ( Session) 就是指用户之间的数据交 换 。在基于 SIP的应用中 ,每一个会话可以是各种不同类型的 内容 ,如普通的文本数据 、 数字化音频 、 视频数据 ,还可以是诸 如游戏等应用的数据 。 SIP 是基于 HTTP 的 , 它可以通过代理

或重定向功能将用户请求转至当前被叫用户 。它和 HTTP、

号与信息处理 、 嵌入式系统开发 ; 戚文芽 ( 1968 2) ,女 ,浙江余姚人 ,副教授 ,硕导 ,博士 ,主要研究方向为信号与信息处理 、 嵌入式系统开发 .

( 1969 2) ,男 ,湖北云梦人 ,讲师 ,硕士研究生 ,主要研究方向为计算机软件与理论 ; 李立群 ( 1981 2) ,男 ,甘肃静宁人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为信

收稿日期 : 2006 204 212; 修返日期 : 2006 206 215    基金项目 : 国家“863 ” 计划资助项目 ( 2005AA132015)

作者简介 : 陈季安 ( 1978 2) ,男 ,湖北云梦人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为信号与信息处理 、 嵌入式系统开发 ( ji an168 @ 163. com ) ; 陈安平 .

中图分类号 : TP393102     文献标志码 : A     文章编号 : 1001 23695 ( 2007 ) 05 20247 203

Network V ideo Surveillance System Based on SIP
CHEN J i2an, CHEN An 2 ing, L IL i2qun, Q IW en2ya p

(D ept of Infor ation S cience, PLA Infor a tion Eng ineering U n iversity, Z hengzhou Henan 450002, Ch ina) . m m

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

Abstract: The paper introduced Session Initial Protocol( SIP). Based on the SIP and the common video surveillance system models, it designed a general SIP network video surveillance system and p resented a layered network model, whose compo2 nents was discussed in detail The layered network model p resented here makes it possible to construct a real digital and net2 . work and intellectualized and multim edia video surveillance system. Key words: SIP ( session initial p rotocol) ; media stream ing; video surveillance; network framework

S TP一样 ,采用的也是便于操作的基于文本的编码方式 。这 M SIP可以用来创建 、 修改和终止有多个参与者参加的多媒

是 SIP与视频通信领域其他现有标准相比最大的特点之一 。 体会话进程 ,参与会话的成员可以通过组播 (M ulticast) 、 单播
(Unicast)或两结合的方式进行通信 。 SIP 能邀请用户加入一

个已经存在的会话中 (如多播会话 ) , 也可以用于创建一个全 新的会话 。会话中的媒体形式可以增加或更改 ; SIP 还可以透 明地支持用户名映射和重定向服务 ,从而支持用户的移动性 。
SIP不是一个垂直集成的通信系统 。它需要与其他协议

共同建立一个完整的多媒体通信框架 。例如 ,为了协商多媒体 会话参数 , 需要与 RTP、 RTCP、 SDP ( Session Descrip tion Proto2
col)结合 。虽然 SIP 需要与其他协议相结合才能为用户提供

完整的服务 ,但是其基本功能和操作却不依赖于其他协议 。
111  SIP系统基本组成

按逻辑功能区分 , SIP 系统主要由四类元素组成 , 即用户

代理 、 代理服务器 、 重定向服务器以及注册服务器 。

( 1 )用户代理 ( U ser Agent, UA ) 是 SIP 通信的用户终端 。

其包括两个部分 ,即用户代理客户 (U ser Agent Client, UAC )和 用户代理服务器 ( U ser Agent Server, UAS) 。发起呼叫的主呼
SIP用户终端为用户代理客户 , 用于初始化的呼叫 , 发出呼叫

请求 ; 被呼 SIP用户终端为用户代理服务器 , 用于响应呼叫请 求 (接收 、 拒绝或重定向 ) 。 SIP 终端同时具备 UAC 和 UAS的 功能 。
(2)代理服务器 ( Proxy Server) 是一个中间元素 。它既是

http://www.cnki.net

3

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计 算 机 应 用 研 究
的代码来表示对请求的处理 。

2007 年

一个客户机又是一个服务器 ,具有解析名字 、 选择地址的能力 ; 能够代理前面的用户向下一跳服务器发出呼叫请求 ,由服务器 决定下一跳的地址 。
( 3 )重定向服务器 ( Redirect Server) 是一个规划 SIP 呼叫

消息头提供了该消息进一步的信息 , 使其能被正确处理 ; 消息体对所要建立的会话进行描述 , 包括协商编码种类 、 媒体 流类型 (在交互式业务中媒体流是双向的 ,在流媒体业务中媒 体流是单向的 ) 、 传输速率等 。默认状态下 , 该部分由 SDP 实 现。

路径的服务器 。它在获得下一跳地址后 , 立刻告诉前面的用 户 ,让该用户直接向下一跳地址发出请求 , 而自己则退出对这 个呼叫的控制 。
(4)注册服务器 ( Register Server) 用来完成对 UAS 的注

2  视频监控系统模型
211   视频监控总体组成 212   体系架构

册 。当注册服务器接收到位置信息时会立即将这些信息上传 到位置服务器 。在 SIP 系统的网元中 , 所有 UAS都要在某个 登录服务器中登录 ,以便 UAC通过服务器能够找到它们 。 另外 ,在实际的 SIP系统中 ,还有一个很重要的服务器 ,即 位置 (定位 )服务器 (Location Server) , 用来储存用户的逻辑地 址与联系 (转交 、 漫游 )地址间的绑定列表 ,实现对用户逻辑地 址绑定信息的查询 、 、 添加 修改或删除等功能 ; 并作为一个全局 的数据库 ,为注册服务器 、 代理服务器与重定向服务器提供服 务 。严格地说 ,位置服务器不属于 SIP服务器的范畴 。因为位 置服务器和 SIP服务器之间并不使用 SIP 协议 ,一些位置服务 器使用轻量级目录访问协议 (L ightw eight D irectory Access Pro2
tocol, LDAP )与 SIP服务器进行通信 。 SIP 的 地 址 标 志 使 用 统 一 资 源 标 志 ( Uniform Resource

一般视频监控系统由摄像机 、 监控点 、 录像存储设备 、 报警
(1)摄像机 (或称摄像头 、 监控终端 ) 负责音 /视频等信号

联动设备 、 业务管理设备等组成 。总体组成框图如图 1 所示 。 的采集 。摄像机指的是广义摄像机 ,除了采集音 /视频信号外 , 还可以收集温度 、 湿度 、 烟雾浓度等信号以便为系统增加报警 联动功能 。例如云台 、 球机具备角度旋转等功能 , 可以进行远 程控制 。
( 2 )监控点为用户提供图像显示 、 监控控制等功能 。监控 ( 3 )录像存储服务是视频监控业务的一个重要特征 。在

点可以是电视机 、 电视墙 、 机或工业机箱等设备 。 PC 许多场合都需要对监控图像进行一定时期内的录像处理 。模 拟时代一般采用磁带录像机 , 而今 数字时 代则 多采用 DVR
(D igital V ideo Recorder)来完成 。 (4)智能的监控系统应具有报警联动功能 。当摄像机收

是 sip: 用户名 @主机域名 , 如 sip: lucy@mydomain. com。这种 地址形式不依赖于具体的网络 IP 地址 , 因此具有很大的灵活 性、 用户移动性 ,可以方便地与已有网络实现无缝连接 。
112  SIP消息

   2 给出了六类应答消息的简单介绍 。 表
状态代码 1xx (100 ~199) 2xx (200 ~299) 3xx (300 ~399) 4xx (400 ~499) 5xx (500 ~599) 6xx (600 ~699) 描述 信息临时表示 成功 重定向 ,需刷新 客户端错误 服务器错误 全局错误

  SIP通信的基本单元是消息 , 包括请求消息和应答消息 。
(表示消息头的结束 )和可选的消息体 。通常一个消息格式如
Genetic2 message = start2line / /请求 (或状态 ) 起始行

这两种消息都包含一个起始行 、 一个或多个消息头 、 一个空行 下:

Identifier, UR I) , 其格式与 E 2 mail地址很相似 。最简单的形式 RFC3261 定义了六种基本的请求方法 ,如表 1 所示 。
表 1  SIP 基本请求方法
S IP请求消息 I V ITE N ACK OPTI NS O BYE CANCEL REG ISTER

集到异常信号 (如探测到了高温信号 ,认为发生了火灾 ) 后 ,将 其通过监控系统传至报警联动装置 ,再由报警联动装置通过某 种通信手段 (如手机短信 、 2 E mail等 ) 自动向监控人员发出报 警信号 ,或者系统自动地处理现场 (如火灾时断电等 ) 。
( 5 )业务管理设备负责完成权限管理 、 计费管理 、 用户数

描述 邀请一个终端用户参加会话 用于对 I V ITE成功应答的回应 N 请求获得一个服务器的能力 终止连接或会话 终止一个终端用户的请求或搜索 向注册服务器登记终端用户的位置

据库等各种管理功能 。完善的业务管理是体现视频监控系统 是否走向成熟的重要标志之一 。

目前数字视频监控系统处于小规模发展阶段 。典型的集

中式网络架构如图 2 所示 。

表 2  SIP 的六类响应状态码及其含义

示例 100: Trying; 180: R inging 200: 理解和接受 302: 暂时离开 404: 未找到地址 501: 未执行 603:退回

集中式网络架构监控系统均采用 B / S结构 , 基于 W eb 的

应用 ,系统的核心是监控服务器 。在一些小规模的应用中 , 监 控服务器同时还充当监控终端的角色 。整个系统主要采用
HTTP,视频通过 HTTP 以流媒体方式传输 。大部分监控系统

CRLF / /空白行 ,标志消息头结束 ,消息体开始 Start2line = Request2 ine / Status2 ine L L

3 message2header/ /携带消息参数的头部

都没有考虑用户权限 、 安全性 、 收费模式等方面的问题 。

当系统规模扩大时 ,这种集中式的结构很容易出现流量瓶

文献 [ 2 ]中定义了六类不同的应答消息 ,用三位数字组成

| message2body | / /承载任意附加信息的消息体

颈问题 。图 2 所示的系统中 ,所有摄像头采集的视频信号实际 上都是经过监控服务器中转而到达监控点的 。随着业务扩大 , 摄像头与监控点数目的增多 ,监控服务器必将成为流量瓶颈 。 http://www.cnki.net

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第 5期

陈季安等 : 基于 SIP的网络视频监控系统

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解决监 控 服 务 器 流 量 瓶 颈 的 方 法 是 引 入 P2P ( Peer to
Peer)技术 ,采用分布式的网络架构如图 3 所示 。让摄像头采

址改写原请求消息中的内容 ,以便将请求消息向更接近目标地 址的实体发送 。
( 4 )注册服务器 。它负责接收来自终端和监控控制服务

集的音 /视频信号直接通过网络传至监控点 , 监控点作为 P2P 中的一个节点 ,可以将它的文件或信息共享给其他的用户 , 从 而减少服务器的负担 , 提高每个用户的音 /视频质量 。监控服 务器只处理终端的连接控制及其他各种信令的调度管理 。但 是分布式模型安全性差 、 不可控 、 不利于管理等缺陷 ,极大地限 制了它的大规模发展 。

器的注册消息 ,以便终端和监控控制服务器都能通过定位服务 找到对方的当前位置 。监控系统要完成会话控制功能 、 支持用 户的移动性 ,必须使用 Proxy和注册服务器提供的服务 。
312   控制服务器的分层网络结构

控制服务器由管理服务器代理 (M anager Server Agent) 、 信

令控制中心 ( Focus) 、 协议栈 、 SIP 传输层和媒体流处理器组 成 。分层网络模型如图 5 所示 。

3  基于 SIP的网络视频监控系统模型
目前的视频监控系统 , 媒体流与控制信令的区分并不明 显 ,都共用一条 HTTP 通道 。这对于视频监控朝着可控 、 可管 理、 大规模运营方向发展是极为不利的 。所以 ,未来的视频监 控系统 ,特别是将来可能出现的电信级视频监控系统必将是数 据与信令分层的系统 。
SIP是基于文本的编码方式 , 很容易用 Java、 和 Perl等 Tcl

M anager Server Agent位于控制子系统的顶层 ,充当控制系

统和管理系统的通信中介 ,是控制系统与远程管理系统交互的 纽带 。 Focus是监控系统的关键部件 ; 它通过 M anager Server
Agent与管理系统交互 ,获取监控配置信息和控制命令 ; 用 SIP

协议栈提供的服务与 SIP终端通信 ,并根据媒体策略配置媒体 控制处理器 ,完成会话功能 。 SIP协议栈遵从 RFC3261 的规定 和要求 ,利用传输层发送和接收 SIP 消息 ; 并对 SIP 消息进行 构造 、 解析 、 重传以及过滤 。传输层位于控制服务器的底层 ,负 责 SIP消息和媒体流的发送与接收 。 媒体处理器是与 Focus并行的模块 。它按照媒体策略 ,实 现多点媒体流的接收 、 存储 、 排序 、 混合 、 转发和同步 。其主要 模块功能如下 :
( 1 ) APU (Audio Process Unit, 音频处理单元 ) 。它负责接

语言来实现 。因此它具有简单灵活 、 调试方便 、 易扩展 、 分布式 控制等优点 ,可以解决用户级和 IP级的移动性 。 SIP将会成为 视频监控领域研究和开发的热点 。其视频监控系统模型如图
4 所示 。

收 M P控制器的控制进行音频切换 ,并定期向控制器报告各个 音频通道音量的大小次序 。在需要进行音频混合时 , APU 负
311  SIP视频监控系统模型

责与音频处理器交互 。

该模型主要由以下几部分组成 :
(1)管理服务器 。其负责整个视频监控系统的管理工作 。

( 2 ) VPU (V ideo Process Unit, 视频处理单元 ) 。它负责接

收 M P控制器的控制进行视频切换 。在需要进行视频混合时 ,
VPU 负责与视频处理器交互 。 ( 3 ) DPU (Data Process Unit,数据处理单元 ) 。它负责接收 ( 4 ) M P (M edia Process)控制器 。负责通信的控制 。M P 控

它向管理员和参与者提供监控配置 、 管理和监控信息查询界 面 ,执行从界面上传来的配置 、 管理和控制命令 ,并据此对控制 服务器进行相应的配置和管理 ,实现基本的监控管理功能 。
( 2 )控制服务器 。它是整个视频监控系统的核心和关键

M P控制器的控制进行数据切换 。

制器接收 Focus的配置 , 可以管理多个会话 。在会话期间 , 控 制各个通道信息的转发逻辑 , 并将该逻辑 (已协商 ) 交给 APU
(VPU、 DPU )模块执行 ; 控制器理解并记录会话控制信息路径 ,

部分 。若管理服务器是监控管理和控制命令的发出部件 ,则控 制服务器是具体执行部件 。它根据监控管理系统的配置或指 示创建 、 修改和终止会话 ,控制会话过程 ,并按各个会话的媒体 策略对会话中的媒体流进行集中处理 。控制服务器是该系统 设计的一个难点 ,以下还将作重点阐述 。
( 3 ) Proxy (代理服务器 ) 。它既充当服务器又充当客户机 。

从而正确地转发控制消息 。

基于 SIP的网络视频监控系统实现了视频监控管理及控

制的基本功能 。该模型也可以应用于下一代网络 ( NGN ) 多媒 体业务 。随着 IETF 不断完善 SIP 和其他协议标准 , 信令消息 将具有良好的灵活性 、 易扩展性和互操作性 。 SIP提供了一种在 异构网络上部署多种多媒体业务时通用的信令 http://www.cnki.net
(下转第 265 页 )

其根据接收到的请求回复响应 ,并可代表其他 SIP 客户机发起 请求 。在转发请求之前 ,它可能根据重定向服务器所提供的地

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第 5期

张东辉等 : 基于代理的流媒体动态共享缓存算法研究

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效率具有明显的影响 。尽管大的缓冲区能够为更多的请求提 供服务 ,但是由于客户请求目标和间隔的不确定性 , 在内存再 次申请或者回收 、 调整过程中大缓冲区的服务效率会降低 , 从 而较小的缓冲区模式取得了较好的缓存效果 。 图 5 ( b )显示了在以流媒体对象长度的 1 /16 为初始缓冲 区大小情况下 ,不同算法对于客户端请求延时产生的影响 。同 样可以看出 ,动态共享缓存算法同样可以有效降低客户端的请 求延时 。

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4  结束语
本文提出了一种新的代理缓存算法 ,并且定义了缓冲区的 几种不同状态 ,以及缓冲区大小的冻结和运行过程当中动态调 整的算法 。比较与固定大小缓存 、 间隔缓存以及共享缓存三种 缓存算法 。试验结果表明 ,动态共享缓存算法在内存分配管理 以及对带宽需求的降低等方面均收到了明显的效果 。 参考文献 :
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[ 3 ] HUA K A , CA I Ying, SHEU S Patching: a multicast technique for .

连接 。参加应用会话过程的示意图如图 6 所示 。

4  结束语

速发展 。基于 SIP的视频监控系统是目前 IP 网络监控研究的 一个热点 。本文基于 SIP 的网络视频监控系统避免了在很大 信息和媒体流信息 。因此比集中式的视频监控系统有更好的 可扩展性 ,比分布式的视频监控系统更利于管理 。另外 , 该系 统的模型基于实际网络分层管理架构 , 可以广泛适用于流媒 体、 网络会议 、 IP、 Vo IPTV、 S等业务的开发与研究 。 M I 参考文献 :
[1 ]

的网络范围内广播会话信息 ,同时可以在域内处理大量的信令

[ 4 ] SEN S, GAO L ixin, TOW SLEY D. Op tim al patching schemes for ef2 (上接第 249 页 ) 控制协议 , 从而可以与现存网络系统实现无缝

视频监控正朝着数字化 、 网络化 、 智能化 、 多媒体化方向迅

on 2demand video server with batching: p roceedings of ACM Multi2 ficient multim edia stream ing: p roceedings of ACM Workshop on Net2

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segmentation based p roxy caching for stream ing media delivery: p ro2

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