周承芳 汪志兵 唐昆 杜文

　　摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IP Multicast技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了分布式音視頻接入共享的解決方案，能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬；針對(duì)視頻、音頻語(yǔ)音和控制數(shù)據(jù)的不同傳輸特點(diǎn)，對(duì)其所采用的傳輸技術(shù)作了詳細(xì)探討，給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。
　　關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng) 分布式接入共享 網(wǎng)絡(luò)傳輸 IP組播 Windows套接字
　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)燕尾服，一種以數(shù)字化、智能化為特點(diǎn)的多媒體遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，即基于IP的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控到數(shù)字監(jiān)控質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比較，數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)是：可以借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；在遠(yuǎn)程不同地點(diǎn)的分控中心或同個(gè)分控中心可同時(shí)調(diào)看某一個(gè)或者幾個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的音視頻數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)分布式的音頻頻接入和音視頻數(shù)據(jù)共享，同時(shí)，可以與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行對(duì)講；可以對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的云臺(tái)、攝像機(jī)等外圍設(shè)備進(jìn)行控制。視頻、音頻的實(shí)時(shí)、分布式傳輸及控制指令的可靠傳輸是遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)字音頻頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用IP Multicast技術(shù)作為分布式音視頻執(zhí)著入和共享的解決方案，并針對(duì)視頻、音頻語(yǔ)音和控制數(shù)據(jù)不同的特點(diǎn)，對(duì)其所采用的不同傳輸技術(shù)進(jìn)行了探討，給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般包括三部分：前端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)、通信設(shè)備和后端分控中心。整個(gè)系統(tǒng)基于Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)及通信協(xié)議的選擇

　　系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)有：控制數(shù)據(jù)、音頻、視頻數(shù)據(jù)、后端分控中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)外圍設(shè)備云臺(tái)及攝像機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)動(dòng)作（上、下、左、右、自動(dòng)）攝像機(jī)光圈、焦距及聚焦三可變，要求控制信號(hào)的傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤；音頻、視頻是連續(xù)，數(shù)據(jù)量大，允許傳輸中存在一定的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率及數(shù)據(jù)丟失率，但實(shí)時(shí)性要求很高。此外，在監(jiān)控系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)音視頻的分布式接入和數(shù)據(jù)共享，必須進(jìn)行音視頻的多點(diǎn)傳輸。樣實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)？首先是通信協(xié)議的選擇，TCP/IP協(xié)議是廣泛使用的網(wǎng)協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)模型定義了四層（即網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。傳輸層包含兩個(gè)協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。IP是國(guó)際互聯(lián)協(xié)議，位于網(wǎng)絡(luò)層。TCP協(xié)議是面向連接的，提供可靠的流服務(wù)；UDP是無(wú)連接的，提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)；TCP采用提供確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)、滑動(dòng)窗口機(jī)制等措施來(lái)保證傳輸?shù)目煽啃裕沁@些措施增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷。如果用TCP傳輸視（音）頻數(shù)據(jù)，大量的數(shù)據(jù)容量引起重傳。，使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大并會(huì)加大延遲；UDP協(xié)議是最簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，不提供可靠性保證，正因?yàn)閁DP協(xié)議不進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)與重傳國(guó)，大大提高了傳輸效率，具有高效快速的特點(diǎn)；Ipv4定義了三種IP數(shù)據(jù)包的傳輸：?jiǎn)尾ァV播及組播。要系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視（音）頻數(shù)據(jù)的多點(diǎn)傳輸，若采用單播，則同樣的音、視頻數(shù)據(jù)要發(fā)送多次，這樣導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)重、延遲長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞；若用廣播，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)站點(diǎn)都將接收到數(shù)據(jù)，不管該結(jié)點(diǎn)否需要數(shù)據(jù)，增加了非接收者的開銷；組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者（組播源）發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個(gè)接收者（一次的、同時(shí)的）的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數(shù)據(jù)包。由于無(wú)論有多少個(gè)目的地址，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上都只傳送單一的數(shù)據(jù)包。因此組播提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男剩瑯O大地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳輸。組播方式只適用于UDP。綜上所述，采用TCP/IP傳輸控制信號(hào)，即信令通道；采用UDP/IP傳輸音視頻信號(hào)，即數(shù)據(jù)通道。
　　IP組播依賴一個(gè)特殊的地址組——“移播址”，即D類地址。范圍在224.0.0.0-239.255.255.255之間（其中224.0.0.0-224.0.0.255是被保留的地址），D類地址是動(dòng)態(tài)分配和恢復(fù)的瞬態(tài)地址。組播地址只能作為信宿地址使用，而不能出現(xiàn)在任何信源地址中。每一個(gè)組播組對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)分配 的一個(gè)D類地址。組播的特點(diǎn)：組播組的成員是動(dòng)態(tài)的，主機(jī)可以任何時(shí)間加入或離開組播組，主機(jī)組中的成員在位置上和數(shù)量 舊沒(méi)有限制的。

　　2.2 Windows下，IP組播的Winsock2實(shí)現(xiàn)

　　Windows環(huán)境下組播通信是基于WindowsSocket的。Windows Socket提供兩種不同IP組播的實(shí)現(xiàn)方法：Windows Socket提供兩種不同的IP組播的實(shí)現(xiàn)方法：Winsock1與Winsock2。在Windows2000平臺(tái)實(shí)現(xiàn)VC++6.0開發(fā)工具，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了基于Winsock2的組播通信編程。
　　發(fā)送端（前端、客戶端）實(shí)現(xiàn)步驟：
　　(1)加載Winsock2庫(kù)，完成Winsock2的初始化：
　　WSAStarup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)；(2)建立本地套接字（UDP）：
m_socket=WSASocke(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP,NULL,0,
WSA_FLAG_MULTIPOINT_C_LEAF|WSA_FLAG_MULTIPOINT_D_LEAF);
　　//組播通信具有兩個(gè)層面的重要特征：控制層面和數(shù)據(jù)層面。控制層面決定一個(gè)多播組建立通信的方式，數(shù)據(jù)層面決定通信成員間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健Ｃ恳粋€(gè)層面有兩種形式，一種是“有限的”，另一種是“無(wú)根的”；數(shù)據(jù)報(bào)IP組播在兩個(gè)層面上都是“無(wú)根”的。任一用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)都將被傳送到組中所有其它成員。最后一個(gè)參數(shù)表明新創(chuàng)建的套接字在控制層面與數(shù)據(jù)層面都是“無(wú)根的”。
可以通過(guò)setsocket函數(shù)設(shè)置套接字的屬性，如地址重用，緩沖區(qū)是接收還是發(fā)送。
　　M_localAddr.sin_family = AF_INET;
　　M_localAddr.sin_port=m_iPort;//本地端口號(hào)
　　M_localAddr..sin _addr.S_un.S_addr=m_uLocalIP;//本地IP地址；

　　（3）綁定（將新創(chuàng)建的套字節(jié)與本地插口地址進(jìn)行綁定）：
　　bind(m_socket,(PSOCKADDR)&(m_localAddr),sizeof(m_localAddr);

　　(4)設(shè)置生存時(shí)間（即數(shù)據(jù)包最多允許路由多少個(gè)網(wǎng)段）：
　　WSAIoctl(m_socket,SIO_MULTICAST_SCOPE,//設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)生存時(shí)間；
　　&iMcastTTL,//生存時(shí)間大小；
　　sizeof(iMcastTTL),NULL,0,&cbRet,NULL,NULL)；

　　（5）配置Loopback,以決定組播數(shù)據(jù)幀是否回送：

　　int bLoopback=FALSE;
　　WSAIoct(m_socket,SIO_MULTIPOINT_LOOPBACK,//允許或禁止組播數(shù)據(jù)幀回送；
　　&bLoopback,sizeof(bLoopback)，NULL,0,&cbRet,NULL,NULL);

　　(6)收發(fā)數(shù)據(jù)：

　　在發(fā)送方（前端、客戶端）響應(yīng)發(fā)送的消息函數(shù)中調(diào)用下面函數(shù)：
　　WSASendTo (m_socket,&stWSABuf,&cbRet,0,(struct sockaddr*)&stDestAddr,//發(fā)送的目的地址；
　　sizeof(struct(sockaddr),NULL,NULL);
　　在發(fā)送方（前端、客戶端）響應(yīng)接收消息函數(shù)中調(diào)用下面函數(shù)：
　　WSARecvFrom(m_socket,&stWSABuf,1,& cbRet,&Flag,(struct sockaddr*)&stSrcAddr,//源地址；
　　&iLen，NULL，NULL）；

　　（7）將組播套接字設(shè)置為異步I/O工作模式，在該套節(jié)字上接收事件為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)事件通知：

　　WSAEventSelect(m_socket，m_hNetworkEvent，//網(wǎng)絡(luò)事件句柄；將此套字節(jié)與該事件句柄并聯(lián)在一起；
　　FD_WRITE|FD_READ）；//發(fā)生此兩個(gè)事件之一，則將m_hNetworkEvent置為有信號(hào)狀態(tài)；

　　（8）在工作線程中設(shè)置：

　　WSAWaitForMultipleEvent（3，//等待事件的個(gè)數(shù)）；
　　p->m_eventArray,//存放事件句柄的數(shù)組；
　　FALSE，WSA_INFINITE，F(xiàn)ALSE）；

　　（9）關(guān)閉組播套字節(jié)：

　　closesocket(m_socket)；

　　接收端（后端、服務(wù)器端）實(shí)現(xiàn)步驟：

　　（1）-（3）與發(fā)送端（客戶端）相同；
　　（4）調(diào)用WSAJLoinLeaf加入組播組：

　　SOCKET NetSock=WSAJoinLeaf(sock,//必須為組播標(biāo)志進(jìn)行創(chuàng)建，否則調(diào)用失敗；
　　（PSOCKADDR）&（m_stDestAddr,//組播導(dǎo)址，與發(fā)送方的目的地址相同；
　　sizeof(m_stDestAddr),UNLL,NULL,NULL,NULL,
　　JL_BOTH));//允許接收和發(fā)送；

　　（5）與客戶端（6）相同；（6）與客戶端（7）相同；（7）與客戶端（8）相同；（8）離開組播組；closesocket(NewSock)；//NewSock是調(diào)用WSAoinLeaf（）返回的套節(jié)字。

　　2.3 在監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊流程如圖2所示。