基于ＳＩＰ的網絡視頻監控系統

摘要：介紹了初始會話協議SIP。在SIP和一般視頻監控系統模型的基礎上，提出了一種基于SIP的網絡視頻監控系統，給出了分層網絡模型，并對其各功能模塊的作用進行了重點闡述。該分層網絡模型的建立使得構建數字化、網絡化、智能化、多媒體化視頻監控系統成為可能。

關鍵詞：初始會話協議；媒體流；視頻監控；網絡架構

中圖分類號：TP393．02文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0247－03

0引言

隨著互聯網的普及，以及計算機、IP網絡、圖像處理、傳輸技術的飛速發展，視頻監控技術也有長足的發展。數字化、網絡化、智能化、多媒體化視頻監控系統已經成為國內外發展的必然趨勢。視頻監控是現代化管理、監測、控制的重要手段之一，以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛地應用于工業、商業、金融、交通、教育、軍事以及安防等多種領域。近年來，在IP網絡上實現視頻監控成為了一個重要的研究熱點。為了在Internet上實現多媒體會話業務，IETF(Internet Engineering Task Force)組織于1999年3月正式提出了SIP。該協議適用于網絡電話、網絡會議、即時消息和分布式虛擬現實系統等多種多媒體應用；同時它也正在為適應更多的應用而不斷擴展、不斷標準化。

本文結合已有的一些研究結果和SIP擴展，設計了一個基于SIP的網絡視頻監控系統。

1SIP

SIP是一種基于IP網絡實現實時通信的應用層控制(信令)協議；而所謂的會話(Session)就是指用戶之間的數據交換。在基于SIP的應用中，每一個會話可以是各種不同類型的內容，如普通的文本數據、數字化音頻、視頻數據，還可以是諸如游戲等應用的數據。SIP是基于HTTP的，它可以通過代理或重定向功能將用戶請求轉至當前被叫用戶。它和HTTP、SMTP一樣，采用的也是便于操作的基于文本的編碼方式。這是SIP與視頻通信領域其他現有標準相比最大的特點之一。

SIP可以用來創建、修改和終止有多個參與者參加的多媒體會話進程，參與會話的成員可以通過組播（Multicast）、單播（Unicast）或兩結合的方式進行通信。SIP能邀請用戶加入一個已經存在的會話中(如多播會話)，也可以用于創建一個全新的會話。會話中的媒體形式可以增加或更改；SIP還可以透明地支持用戶名映射和重定向服務，從而支持用戶的移動性。

SIP不是一個垂直集成的通信系統。它需要與其他協議共同建立一個完整的多媒體通信框架。例如，為了協商多媒體會話參數，需要與RTP、RTCP、SDP (Session Description Protocol)結合。雖然SIP需要與其他協議相結合才能為用戶提供完整的服務，但是其基本功能和操作卻不依賴于其他協議。

1．1SIP系統基本組成

按邏輯功能區分，SIP系統主要由四類元素組成，即用戶代理、代理服務器、重定向服務器以及注冊服務器。

（1）用戶代理(User Agent，UA)是SIP通信的用戶終端。其包括兩個部分，即用戶代理客戶(User Agent Client，UAC )和用戶代理服務器(User Agent Server，UAS)。發起呼叫的主呼SIP用戶終端為用戶代理客戶，用于初始化的呼叫，發出呼叫請求；被呼SIP用戶終端為用戶代理服務器，用于響應呼叫請求(接收、拒絕或重定向)。SIP終端同時具備UAC和UAS的功能。

（2）代理服務器(Proxy Server)是一個中間元素。它既是一個客戶機又是一個服務器，具有解析名字、選擇地址的能力；能夠代理前面的用戶向下一跳服務器發出呼叫請求，由服務器決定下一跳的地址。

（3）重定向服務器(Redirect Server)是一個規劃SIP呼叫路徑的服務器。它在獲得下一跳地址后，立刻告訴前面的用戶，讓該用戶直接向下一跳地址發出請求，而自己則退出對這個呼叫的控制。

（4）注冊服務器(Register Server)用來完成對UAS的注冊。當注冊服務器接收到位置信息時會立即將這些信息上傳到位置服務器。在SIP系統的網元中，所有UAS都要在某個登錄服務器中登錄，以便UAC通過服務器能夠找到它們。

另外，在實際的SIP系統中，還有一個很重要的服務器，即位置(定位)服務器(Location Server)，用來儲存用戶的邏輯地址與聯系(轉交、漫游)地址間的綁定列表，實現對用戶邏輯地址綁定信息的查詢、添加、修改或刪除等功能；并作為一個全局的數據庫，為注冊服務器、代理服務器與重定向服務器提供服務。嚴格地說，位置服務器不屬于SIP服務器的范疇。因為位置服務器和SIP服務器之間并不使用SIP協議，一些位置服務器使用輕量級目錄訪問協議(Lightweight Directory Access Protocol，LDAP )與SIP服務器進行通信。

SIP的地址標志使用統一資源標志(Uniform Resource Identifier，URI)，其格式與E－mail地址很相似。最簡單的形式是sip：用戶名@主機域名，如sip：lucy@mydomain.com。這種地址形式不依賴于具體的網絡IP地址，因此具有很大的靈活性、用戶移動性，可以方便地與已有網絡實現無縫連接。

1．2SIP消息

文獻[2]中定義了六類不同的應答消息，用三位數字組成的代碼來表示對請求的處理。

消息頭提供了該消息進一步的信息，使其能被正確處理；消息體對所要建立的會話進行描述，包括協商編碼種類、媒體流類型（在交互式業務中媒體流是雙向的，在流媒體業務中媒體流是單向的）、傳輸速率等。默認狀態下，該部分由SDP實現。

2視頻監控系統模型

2．1視頻監控總體組成

一般視頻監控系統由攝像機、監控點、錄像存儲設備、報警聯動設備、業務管理設備等組成。總體組成框圖如圖1所示。

（1）攝像機(或稱攝像頭、監控終端)負責音/視頻等信號的采集。攝像機指的是廣義攝像機，除了采集音/視頻信號外，還可以收集溫度、濕度、煙霧濃度等信號以便為系統增加報警聯動功能。例如云臺、球機具備角度旋轉等功能，可以進行遠程控制。

（2）監控點為用戶提供圖像顯示、監控控制等功能。監控點可以是電視機、電視墻、PC機或工業機箱等設備。

（3）錄像存儲服務是視頻監控業務的一個重要特征。在許多場合都需要對監控圖像進行一定時期內的錄像處理。模擬時代一般采用磁帶錄像機，而今數字時代則多采用DVR (Digital Video Recorder)來完成。

（4）智能的監控系統應具有報警聯動功能。當攝像機收集到異常信號(如探測到了高溫信號，認為發生了火災)后，將其通過監控系統傳至報警聯動裝置，再由報警聯動裝置通過某種通信手段(如手機短信、E－mail等)自動向監控人員發出報警信號，或者系統自動地處理現場（如火災時斷電等）。

（5）業務管理設備負責完成權限管理、計費管理、用戶數據庫等各種管理功能。完善的業務管理是體現視頻監控系統是否走向成熟的重要標志之一。

2．2體系架構

目前數字視頻監控系統處于小規模發展階段。典型的集中式網絡架構如圖2所示。

集中式網絡架構監控系統均采用B/S結構，基于Web的應用，系統的核心是監控服務器。在一些小規模的應用中，監控服務器同時還充當監控終端的角色。整個系統主要采用HTTP，視頻通過HTTP以流媒體方式傳輸。大部分監控系統都沒有考慮用戶權限、安全性、收費模式等方面的問題。

當系統規模擴大時，這種集中式的結構很容易出現流量瓶頸問題。圖2所示的系統中，所有攝像頭采集的視頻信號實際上都是經過監控服務器中轉而到達監控點的。隨著業務擴大，攝像頭與監控點數目的增多，監控服務器必將成為流量瓶頸。

解決監控服務器流量瓶頸的方法是引入P2P（Peer to Peer）技術，采用分布式的網絡架構如圖3所示。讓攝像頭采集的音/視頻信號直接通過網絡傳至監控點，監控點作為P2P中的一個節點，可以將它的文件或信息共享給其他的用戶，從而減少服務器的負擔，提高每個用戶的音/視頻質量。監控服務器只處理終端的連接控制及其他各種信令的調度管理。但是分布式模型安全性差、不可控、不利于管理等缺陷，極大地限制了它的大規模發展。

3基于SIP的網絡視頻監控系統模型

目前的視頻監控系統，媒體流與控制信令的區分并不明顯，都共用一條HTTP通道。這對于視頻監控朝著可控、可管理、大規模運營方向發展是極為不利的。所以，未來的視頻監控系統，特別是將來可能出現的電信級視頻監控系統必將是數據與信令分層的系統。

SIP是基于文本的編碼方式，很容易用Java、Tcl和Perl等語言來實現。因此它具有簡單靈活、調試方便、易擴展、分布式控制等優點，可以解決用戶級和IP級的移動性。SIP將會成為視頻監控領域研究和開發的熱點。其視頻監控系統模型如圖4所示。

3．1SIP視頻監控系統模型

該模型主要由以下幾部分組成：

(1)管理服務器。其負責整個視頻監控系統的管理工作。它向管理員和參與者提供監控配置、管理和監控信息查詢界面，執行從界面上傳來的配置、管理和控制命令，并據此對控制服務器進行相應的配置和管理，實現基本的監控管理功能。

(2)控制服務器。它是整個視頻監控系統的核心和關鍵部分。若管理服務器是監控管理和控制命令的發出部件，則控制服務器是具體執行部件。它根據監控管理系統的配置或指示創建、修改和終止會話，控制會話過程，并按各個會話的媒體策略對會話中的媒體流進行集中處理。控制服務器是該系統設計的一個難點，以下還將作重點闡述。

(3)Proxy(代理服務器)。它既充當服務器又充當客戶機。其根據接收到的請求回復響應，并可代表其他SIP客戶機發起請求。在轉發請求之前，它可能根據重定向服務器所提供的地址改寫原請求消息中的內容，以便將請求消息向更接近目標地址的實體發送。

(4)注冊服務器。它負責接收來自終端和監控控制服務器的注冊消息，以便終端和監控控制服務器都能通過定位服務找到對方的當前位置。監控系統要完成會話控制功能、支持用戶的移動性，必須使用Proxy和注冊服務器提供的服務。

3．2控制服務器的分層網絡結構

控制服務器由管理服務器代理(Manager Server Agent)、信令控制中心（Focus）、SIP協議棧、傳輸層和媒體流處理器組成。分層網絡模型如圖5所示。

Manager Server Agent位于控制子系統的頂層，充當控制系統和管理系統的通信中介，是控制系統與遠程管理系統交互的紐帶。Focus是監控系統的關鍵部件；它通過Manager Server Agent與管理系統交互，獲取監控配置信息和控制命令；用SIP協議棧提供的服務與SIP終端通信，并根據媒體策略配置媒體控制處理器，完成會話功能。SIP協議棧遵從RFC3261的規定和要求，利用傳輸層發送和接收SIP消息；并對SIP消息進行構造、解析、重傳以及過濾。傳輸層位于控制服務器的底層，負責SIP消息和媒體流的發送與接收。

媒體處理器是與Focus并行的模塊。它按照媒體策略，實現多點媒體流的接收、存儲、排序、混合、轉發和同步。其主要模塊功能如下：

(1)APU（Audio Process Unit，音頻處理單元）。它負責接收MP控制器的控制進行音頻切換，并定期向控制器報告各個音頻通道音量的大小次序。在需要進行音頻混合時，APU負責與音頻處理器交互。



(2)VPU（Video Process Unit，視頻處理單元）。它負責接收MP控制器的控制進行視頻切換。在需要進行視頻混合時，VPU負責與視頻處理器交互。

(3)DPU（Data Process Unit，數據處理單元）。它負責接收MP控制器的控制進行數據切換。

(4)MP(Media Process)控制器。負責通信的控制。MP控制器接收Focus的配置，可以管理多個會話。在會話期間，控制各個通道信息的轉發邏輯，并將該邏輯（已協商）交給APU(VPU、DPU)模塊執行；控制器理解并記錄會話控制信息路徑，從而正確地轉發控制消息。

基于SIP的網絡視頻監控系統實現了視頻監控管理及控制的基本功能。該模型也可以應用于下一代網絡（NGN）多媒體業務。隨著IETF不斷完善SIP和其他協議標準，信令消息將具有良好的靈活性、易擴展性和互操作性。SIP提供了一種在異構網絡上部署多種多媒體業務時通用的信令控制協議，從而可以與現存網絡系統實現無縫連接。參加應用會話過程的示意圖如圖6所示。

4結束語

視頻監控正朝著數字化、網絡化、智能化、多媒體化方向迅速發展。基于SIP的視頻監控系統是目前IP網絡監控研究的一個熱點。本文基于SIP的網絡視頻監控系統避免了在很大的網絡范圍內廣播會話信息，同時可以在域內處理大量的信令信息和媒體流信息。因此比集中式的視頻監控系統有更好的可擴展性，比分布式的視頻監控系統更利于管理。另外，該系統的模型基于實際網絡分層管理架構，可以廣泛適用于流媒體、網絡會議、VoIP、IPTV、IMS等業務的開發與研究。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”