流媒體轉發服務器的設計與實現

黃慧精

摘要：視頻監控是安防領域的重要組成部分，是當今社會安全系統中相當關鍵的一環。流媒體服務器又是其重要的設計環節，流媒體服務器的引入有效地解決了監控系統的帶寬瓶頸，本文主要介紹了流媒體轉發服務器的系統實現架構，提高轉發效率設計的實現，并系統化展示了其功能環節。

關鍵詞：流媒體轉發；RTSP； RTP；RTCP

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0199-02

1 概述

隨著監控系統的系統化、效率化的發展和提高，流媒體技術的引入有效地提高了監控系統的傳輸機制，流媒體技術是將視頻或音頻等多媒體數據以RTP數據包的形式，將前端設備IPC數據流實時傳輸至客戶端。流媒體服務器能實現同時響應多個客戶端的視頻流實時請求，從而有效地解決了帶寬的限制。

本文詳細介紹了流媒體服務器的功能架構，具體的設計、實現，并以系統的形式展現其功能價值。

2 系統總體框架

2.1 系統流程設計

整個視頻監控系統由多個部分構成，前端設備IPC負責采集視頻數據，流媒體服務器負責轉發媒體視頻流數據，監控平臺主要給客戶端提供瀏覽視頻使用。流媒體服務器起關鍵作用，當客戶端需要某路視頻圖像時，通過RTSP協議與流媒體服務器建立通道連接，流媒體解析消息后，再與對應的IPC建立流連接通道；IPC上傳RTP視頻數據流至流媒體服務器上，流媒體再接受到該數據包后，做相應處理，再轉發給請求的客戶端。

2.2 軟硬件接口設計

流媒體服務器與客戶端和IPC軟件接口采用目前常用的RTP、RTSP、RTCP協議，系統運行前需要先配置流媒體服務器的相關信息，供客戶端調用。客戶端是一種應用視頻軟件，提供了視頻界面，有一定的參數配置等。當多個客戶端同時訪問同一個視頻流時，流媒體可以有效地減輕網絡寬帶壓力的影響。

考慮系統吐吞量比較大，該系統采用千兆雙網口，一個是視頻入，一個是視頻出；運行在嵌入式linux操作系統上。性能主要表現為系統的反應速度和響應時間，作為一個實時監控系統，對反應速度和響應時間的要求要高，同時還要滿足多客戶端同時點播前端設備的情況。每個流媒體服務器最大支持64路1080p/8Mbps碼流或128路720p/4Mbps碼流。

3 流媒體服務器設計與實

3.1 流媒體點播處理過程

視頻點播過程又可分為兩個過程即請求視頻數據和停止視頻數據。具體流程如下，

請求視頻數據流程：

（1） 流媒體服務器收到由客戶端數據請求后，解析訪問者信息（IP/PORT）。

（2） 判斷客戶端請求的設備是否已經建立過連接，如果已經建立連接，直接給請求的客戶端轉發視頻流，并記錄訪問媒體數據流量。如果沒有建立連接，則通過RTSP與IPC交互并接受來自IPC的RTP數據流。

停止視頻數據流程：

（1） 流媒體服務器在接到客戶端發出的請求終止視頻數據的消息后，立即解析訪問者的信息數據流（IP/PORT）。

（2） 判斷視頻服務器請求的設備是否還有其他客戶端連接，如果還有其他客戶端連接，則直接斷開與客戶端連接通道即可；如果沒有其他客戶端訪問該設備，先停止相應的轉發服務，再斷開與客戶端的連接通道。

3.2 流媒體系統設計

流媒體服務器與IPC端之間數據流，有三條消息通道，一條通道是RTP協議數據鏈路，這條通道主要工作是接收前端設備IPC的視頻RTP數據流；第二條通道是RTCP協議數據鏈路，這條通道的工作是傳輸RTP鏈路協議中的QoS控制消息，然后讓服務器根據這條通路發送的消息來調整整個發送端的速率。再一條是RTSP協議數據鏈路，主要完成與IPC端的通信建立之前的交互操作，獲取所需的參數信息。

流媒體服務器與客戶端之間數據流，有兩條數據通道，一條通道是RTP協議數據鏈路，這條通道負責轉發由服務器端向客戶端傳輸的視頻流。第二條通道是RTCP協議數據鏈路，主要完成傳輸RTP鏈路協議中的QoS控制消息，使得服務器根據這些消息調整發送端的速率。

流媒體服務器主要功能是響應客戶端的請求，然后從IPC獲取需要的視頻流數據，最后為發出請求的客戶端轉發視頻。當流媒體服務器接收到來自客戶端的點播或請求后，服務器啟動該線程，監聽來自客戶端的請求。若有多個客戶端點播，則流媒體服務器需要啟動多個處理線程，為了節省資源減少操作，我們可以定義一個線程池，預先開啟多個線程，每當接收一個客戶端請求時，直接從線程池中啟用，當客戶端斷開后，釋放線程，再將其放入到線程池中，這樣可以減少很多關于線程創建和釋放的操作。同時流媒體服務器需要先創建一個緩沖區，用來存放來自前端IPC設備發過來的RTP報文，同時為了避免多線程同時操作數據造成數據錯亂，需要創建一個臨界區，用互斥量來保證數據的順序執行。流媒體服務器主要設計流程如圖1。

從系統設計流程圖（圖1）可以看出，要建立的RTP會話的數量與當前IPC流媒體服務器之間傳輸的視頻路數相對應。即要轉發多少路視頻，就要建立多少個相應的RTP會話，同時每一個RTP都要有自己相應的線程。所以要建立的RTP線程數量，與要轉發出去的視頻路數沒有必然的聯系。結果表明，一個RTP會話的一路視頻，可以轉發給多個用戶。

RTP會話的關閉取決于當前視頻通道的轉發情況，而不是由一個客戶端的停止請求所確定。當客戶端發出一個停止請求時，服務器先把發出請求的客戶端地址從轉發列表中刪除，然后再判斷當期通道請求的數量。如果當期通道請求的數量為0，就結束當期RTP的會話，關閉線程，實時流視頻停止請求的工作。

4 系統運行與測試

系統搭建完畢后，配置設備的參數，系統正常啟動后，視頻流從前端設備IPC經過轉發服務器回傳到客戶端，本系統中使用兩個IPC，流媒體服務器一臺，一臺筆記本主要運行客戶端軟件。具體顯示如圖2、圖3：

5 結束語

本文從系統設計和高效的資源管理方面提出了設計和改進方案，實驗證明該方案有效地降低了CPU的使用率，極大提高了視頻轉發處理能力，很好提高了吐吞量。

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