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SIP协议在视频监控系统中的应用

时间:2010-10-09


2009 年 第 1 期

计 算 机 系 统 应 用

SIP 协议在视频监控系统中的应用
SIP in Surveillance System
陈 莹 (上海贝尔卡特有限公司 上海 200001)



摘 要: 在当前的视频监控市场中,不同监控系统采用的信令控制协议不统一,互联互通困难,无法满足网络 化时代对大规模电信级视频监控、 远程访问、 集中管理的需要。 于是设计者们将目光投向了通用的 SIP 协议与 H.323 协议。H.323 由于其协议族过于复杂庞大,不如 SIP 简单灵活、分布式控制,故将 SIP 作为未来市场视频监控的主流协议已成为业界共识。中国电信集团也在其《中国电信家庭视频监控业 务技术规范》中,推荐将 SIP 协议作为首选控制协议来实现。本文介绍了一整套基于 SIP 协议的视频 监控系统应用解决方案,涵盖了系统的基本组成和各类信令的处理流程。在此方案中,视频监控将摒 弃以往的私有协议,完全采用通用的 SIP 协议来实现,以利于日后不同监控系统之间的互联互通。 关键词: 视频监控 SIP UAC UAS 客户端 IPCAM

1 引言
随着构建和谐社会步伐的不断推进,创建平安城 市已逐渐成为全社会共同关注的目标。 伴随着宽带的 普及和提速,视频监控系统的建设在提高治安监察能 力、确保社会长治久安上发挥了巨大作用。因此,部 署大规模、互联互通的视频监控系统已成为构建平安 城市的重要组成部分,并成为政府、政法部门关注的 重点。 本套智能视频监控系统以宽带网为依托,是集远 程监控、传输和管理于一体的智能视频监控系统,适 用于公安、交通、金融、学校、医院、物业等各个领 域。该系统摒弃了以往的专线设计概念,采用通用的 SIP 协议, 完全满足了网络化时代对大规模监控、 远程 访问和集中管理的需求,是真正满足电信级互联互通 的应用解决方案。

参加者参加的会话进程。会话可能是终端设备之间任 何类型的通信,它可以是视频话路、即时信息处理话 路或协作话路。任何情况下,该协议都不会定义或限 制使用的业务。而且,传输、QoS、计费、安全性等 问题都由基本核心网络和其它协议处理。 SIP 完成的功能是建立和终止多媒体通信: ①用户 定位:确定参加通信的终端用户的位置;②用户通信 能力协商:确定通信的媒体类型和参数;③用户意愿 交互:确定被叫是否愿意参加某个通信;④会话建立: 在主、被叫之间建立约定的支持特定媒体流传输的连 接;⑤呼叫处理和控制:包括呼叫重定向、呼叫转移、 终止呼叫等。 在 SIP 中,采用客户机/服务器结构,由用户代理 和服务器两大部分组成。其中用户代理又分为用户代 理客户(UAC:User Agent Client)和用户代理服务 器(UAS:User Agent Server)两种。UAC 用来发 起会话请求,UAS 用来接受并响应会话请求。这两者 只是逻辑上的功能,实际上网络终端应同时具备这两 种功能,既能发起会话,又能接受、相应会话。服务 器分为代理服务器(Proxy Server) 、重定向服务器

2 SIP 简介
会 话 初 始 化 协 议 SIP (Session Initiation Protocol) 是一个在 IP 网络上进行多媒体通信的应用 层控制协议,它被用来创建、修改、终结一个或多个
① 收稿时间:2008-07-08

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(Redirected Server)和注册服务器(Registrar) 。

3.3.1 CMS(中心管理服务器) CMS 是整个监控系统的管理模块, SIP 架构中, 在 CMS 需要兼具位置服务器和路由服务器的功能。它包 括下面的功能: (1)设备管理:增加、删除、修改、查询设备,配置各 类设备参数,统计平台服务器性能; (2)用户管理:增加、删除、修改、查询用户信息,管 理各类用户的权限; (3)存储管理:接受用户的存储计划,将计划转发到 NRU,由 NRU 来执行具体的存储任务; (4)告警管理:告警分成两类,一类业务告警,如前端 IPCAM 的移动侦测告警;一类网管告警,如各系统设 备的性能告警,前端设备的性能告警、断开告警等。

3 视频监控系统的组成架构
视频监控系统由客户端、服务器平台、网络摄像 头和宽带接入承载网络组成,如图 1 所示。

图1 3.1 客户端

视频监控系统

(5)鉴权认证:用户登陆时,需要通过鉴权认证; (6)系统管理:记录操作日志、系统日志等功能; 3.3.2 MCS(媒体控制服务器) 媒体控制服务器是系统中的核心模块,它完成用 户注册/前端设备注册,呼叫控制,云镜控制,告警上 报,监测前端设备 IPCAM 在线情况等功能。 3.3.3 AAA AAA 完成用户登录和前端服务器注册的认证功 能,同时具备用户计费功能。 3.3.4 AS(告警服务器) 告警服务器主要监测各类告警并及时上报。 3.3.5 MRS(媒体分发服务器) MRS 主要完成媒体分发工作,当只有一个用户访 问某个 IPCAM 时,监控客户端直连 IPCAM 获得媒体 流。 当第二个用户再访问该 IPCAM 时, 需要切换到通 过 MRS 来将 N 路媒体流分发给 N 个客户端。 3.3.6 NRU(网络存储单元) 在 SIP 架构中,NRU 属于 UAC。 NRU 完成存储任务功能: 接受 CMS 的转发来的存 储任务;充当 SIP UA,向 MCS 发起视频会话;接收媒 体流,将媒体数据写入磁盘;上报相关存储文件信息, 如文件大小,加密的相关信息;存储任务相关告警的发 送 AS;提供用户下载中心平台存储的文件功能。

在 SIP 架构中,客户端属于 UAC。客户端分为监 控客户端和网管客户端。监控客户端是提供给普通用 户使用的,采用 B/S 结构。它的功能主要包括:实时 监控;云台镜头控制;告警接收;前端设备参数配置; 各种业务的配置和查询(如历史告警查询、中心平台 录像计划配置等) ;历史视频录像文件的下载。网管客 户端是提供给电信管理员使用的,采用 B/S 结构。电 信管理员通过它来管理整个监控平台,其功能主要包 括:设备配置;用户配置;网管告警的查询/确认/消 除/过滤等;查询和显示各设备性能和系统的各种 LOG;定制数据库的维护任务。 3.2 网络摄像头 IPCAM 网络摄像头作为前端监控设备,在 SIP 架构中, IPCAM 属于 UAS。 IPCAM 将采集视频/音频数据,并进行视音频数 据的压缩,具备压缩、传输、传感器开关量的采集和 传输(即报警) 、视频数据上传等功能。 3.3 网络摄像头 IPCAM 服务器平台均建在 SuSE Linux 上,包括 CMS、 MCS、AAA、AS、MRS、NRU 等模块。
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4 基于 SIP 的各类操作
4.1 Client/IP Camera 的注册/注销流程 ① Client/IP Camera 发送 Register 消息到 MCS,请求行中的 SIP URI 使用该 CMS 的域名, “From”“To”字段为 Client 的标识, 、 “Contact” 字段表示 Client/IP Camera 的地址信息; ②MCS 返回 401 响应给客户端。 ③Client/IP Camera 加入认证信息,重新发送 Register 消息给 MCS。

⑩Client/IP Camera 退出时,把 Register 消息 中超时时间设置成 0 即可向 MCS 注销。 4.2 用户呼叫未被访问的 IP Camera ①客户端发送INVITE 给MCS, 其中带有SDP Offer。 ②MCS 收到该 INVITE 消息后, CMS 查询该用 向 户对要访问的 IP Camera 是否有视频访问权限。 ③CMS 查询用户权限, 如有视频访问权限且该 IP Camera 已经注册,则把该 IP Camera 的信令地址在 响应消息中返回给 CMS; 否则指示 CMS 拒绝该呼叫。 ④如该用户没有视频访问权限, MCS 发送 403 则 Forbidden 给客户端,呼叫中止;如果用户访问的 IP Camera 没有注册,则 MCS 发 480 Temporarily

图2

Client/IP Camera 注册/注销的流程图 图3 用户呼叫未被访问的 IP Camera 时的流程图

④MCS 检查 Register 中参数的合法性,如果通 过检查,发送 Access-Request 到 AAA 认证。 ⑤AAA 对用户进行认证,返回 Access-Accept 或者 Access-Reject。 ⑥如果收到 Access-Accept,MCS 返回 200 OK,注册成功。如果收到 Access-Reject,MCS 返 回 403 Forbidden 给 Client/IP Camera。 ⑦MCS 将 Client/IP Camera 的注册状态报告给 CMS。 ⑧注册成功后, Client/IP Camera 使用 Options 作为心跳。 ⑨Client/IP Camera 需要按照 MCS 指定的超时 时间进行刷新注册,如果 Client/IP Camera 没有进 行刷新注册,MCS 需要将其注销。

Unavailable 给客户端。 ⑤如该用户有视频访问权限,并且没有其它用户 在访问该 IP Camera, 则生成该会话使用的加密密钥, 按照电信规范加密后放在 SDP 中,发送 INVITE 给 IP Camera。 ⑥IP Camera 收到该 INVITE 消息后,如果不能 立即给出响应,可以选择发送 180 Ringing,否则确 定 SDP Answer,发送 200 OK 给 MCS。 ⑦MCS 收到 200 OK 后,如果需要加密则把这次会 话的加密密钥放在 SDP 中,发送 200 OK 给 Client。 ⑧Client 收到 200 OK,发送 ACK,会话建立。 Client 按照 SDP 的密钥解密视频流。 ⑨MCS 发送 ACK 给 IP Camera。
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4.3 用户呼叫已被访问的 IP Camera 但视频流未从平 台分发 ①Client 1 已经和 IP Camera 建立了视频会话。 ②Client 2 发送 INVITE 给 MCS 请求浏览该 IP Camera 的实时视频,MCS 向 CMS 查询该用户对该 IP Camera 是否有视频访问权限。 ③如无视频访问权限,MCS 回 403 Forbidden 拒绝该会话。 ④如有视频访问权限,MCS 将 Client 1 和 IP Camera 间的媒体流重定向到 MRS, 建立 Client 2 和 Client 1 和该 IP Camera 之间的呼叫。由于需要修改 SDP, MCS 要向 CMS 查询 Client 2 和 Client 1 和 IP Camera 之间呼叫的 MRS 路由。

呼叫不受影响,MCS 需要把请求的路由释放掉。若是 其他错误(超时或 5XX/6XX 等) ,说明 IP Camera 或 者网络有问题,此时 MCS 将所有相关会话都释放掉。 ⑧如果 IP Camera 同意该请求, MCS 发送 ACK 则 给 IP Camera, 发送 200 OK 给 Client 2,其中带 有 MRS 的地址信息和该会话使用的加密密钥。同时 MCS 发送 re-INVITE 给 Client,通知地址的转变。 ⑨Client 2 发送 ACK,MCS 和 Client 2 的会话 建立成功。 ⑩Client 1 如果拒绝该请求,MCS 发送 ACK 给 Client1,然后发送 BYE 给 Client 1 释放该呼叫,同 时释放向 CMS 请求的路由。如果 Client 1 接收该请 求,发送 ACK 给客户端。 4.4 用户呼叫已被访问的 IP Camera 视频流已从平台 分发

图 5 用户呼叫已被访问的 IP Camera 视频流已从平 台分发的流程图 ①Client 1 和Client 2 已经和IP Camera 建立了视频。 图 4 用户呼叫已被访问的 IP Camera 但视频未 从平台分发的流程图 ⑤如果路由查询失败,MCS 使用 500 Server Internal Error 拒绝该会话,同时释放申请的路由。 ⑥如果路由查询成功, MCS 发送 re-INVITE 给 IP Camera,SDP 中包含 MRS 的地址,视频流加密密钥 不改变。 ⑦IP Camera 如果拒绝该请求,则要向 MCS 拒绝 Client 2 的请求。如果 IP Camera 不接受本次会话修 改(415 Unsupported Media Type 或 488 Not Acceptable Here) ,则 MCS 使用相同的响应码拒绝 Client 2 的请求。此时 IP Camera 和 Client 1 之间的
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②Client 3 发送 INVITE 请求浏览该 IP Camera 的视频,MCS 向 CMS 查询用户对该 IP Camera 是否 有视频访问权限。 ③如无视频访问权限,MCS 回 403 Forbidden 拒绝该会话。 ④如有视频访问权限,由于此时媒体流已经从 MRS 转发,MCS 只需要向 CMS 请求 Client 3 和 IP Camera 之间呼叫的 MRS 路由。 ⑤如果路由查询失败,MCS 使用 500 Server Internal Error 拒绝该会话。 ⑥如果路由查询成功,MCS 控制 MRS 开始转发 码流,并使用 200 OK 接收该呼叫请求,SDP 中携带 MRS 的地址信息和视频加密密钥。

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⑦Client 3 发送 ACK, MCS 收到 ACK 后呼叫建立成功。 4.5 云镜控制

①IP Camera 只和该 Client 的呼叫相关, 媒体流 Client、IP Camera 直连:MCS 只要发送 BYE 到 IP Camera 即可。 ②IP Camera 只和该 Client 的呼叫相关, 媒体流 Client、IP Camera 通过 MRS 转发:MCS 需要发送 BYE 到 IP Camera,同时控制 MRS 停止转发媒体流。 ③IP Camera 和多个 Client 的呼叫相关, 媒体流 Client、 Camera 通过 MRS 转发: IP MCS 只需让 MRS 停止转发媒体流即可。

图6

云镜控制的流程图

5 总结
视频监控系统采用通用的 SIP 协议, 具有以下优势: ①独立于接入:由于 SIP 是一种纯信令协议,它 可以用于建立与任何类型的接入网络的话路。 ②会话和业务独立: 任何情况下, 都不限制建立话 SIP 路的类型,各种媒体类型均能在终端设备之间进行交换。 ③经济高效:由于 SIP 是接入独立的协议,运营商可 以将本系统运用于多种接入网络中而不需要另建网络。 ④互联互通:根据电信出具的视频业务规范,制 造厂商纷纷开始选择运营商推荐的 SIP 作为提供融合 业务的多媒体协议,这将确保基础设施供应商、开发 人员和终端供应商之间的快速互操作性, 降低运营商 的成本。

①Client 和 IP Camera 直接已经建立了 SIP 会话。 ②Client 发送 INFO 消息给 MCS 去控制 IP Camera 云镜。 ③MCS 检查该用户对该 IP Camera 是否有云镜 控制权限,该信息是在会话建立的时候 CMS 返回的, 如果没有则用 403 Forbidden 拒绝该请求。 ④MCS 发送云镜控制给 IP Camera。 ⑤IP Camera 去控制云镜,MCS 发送响应给 Client。 4.6 呼叫中止 Client 发起的呼叫中止有三种情况:

参考文献
1 Camarillo G.SIP 揭密.北京:人民邮电出版社,2003. 2 Rosenberg J, Schulzrinne H,Camanilo G.SIP:Session Ini-tiation Protocol;IETF RFC3261,2002. 3 张智江.SIP 协议及其应用.北京:电子工业出版社, 2006. 4 周海华,边恩炯.SIP 原理与应用.北京:机械工业出版社, 2007.

图7

呼叫中止的流程图

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