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基于IP Multicast的傳輸和實(shí)現

周承芳 汪志兵 唐昆 杜文 2004/06/10

　　摘要：設計并實(shí)現了一個(gè)基于IP Multicast技術(shù)的遠程數字音視頻監控系統，提出了分布式音視頻接入共享的解決方案，能夠有效地節省網(wǎng)絡(luò )帶寬；針對視頻、音頻語(yǔ)音和控制數據的不同傳輸特點(diǎn)，對其所采用的傳輸技術(shù)作了詳細探討，給出了具體實(shí)現方法。

　　關(guān)鍵詞：監控系統 分布式接入共享 網(wǎng)絡(luò )傳輸 IP組播 Windows套接字

　　隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機視覺(jué)與模式識別技術(shù)的發(fā)燕尾服，一種以數字化、智能化為特點(diǎn)的多媒體遠程數字監控系統應運而生，即基于IP的數字監控系統，實(shí)現了由傳統的模擬監控到數字監控質(zhì)的飛躍。與傳統的模擬監控系統相比較，數字遠程監控系統幾個(gè)最主要的優(yōu)勢是：可以借助網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控；在遠程不同地點(diǎn)的分控中心或同個(gè)分控中心可同時(shí)調看某一個(gè)或者幾個(gè)監控現場(chǎng)的音視頻數據，從而實(shí)現分布式的音頻頻接入和音視頻數據共享，同時(shí)，可以與監控現場(chǎng)人員進(jìn)行對講；可以對遠程監控現場(chǎng)的云臺、攝像機等外圍設備進(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程數字監控系統的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文設計并實(shí)現了遠程數字音頻頻監控系統，采用IP Multicast技術(shù)作為分布式音視頻執著(zhù)入和共享的解決方案，并針對視頻、音頻語(yǔ)音和控制數據不同的特點(diǎn)，對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)現方法。

　　1 系統的總體結構

　　遠程監控系統一般包括三部分：前端監控現場(chǎng)、通信設備和后端分控中心。整個(gè)系統基于Client/Server（客戶(hù)機/服務(wù)器）模式。總體結構如圖1所示。


　　（1）前端監控現場(chǎng)由監控現場(chǎng)主機及一些外圍設備組成。外圍設備包括攝像機、電動(dòng)鏡頭、云臺、防護罩、監視器、多功能解碼器及報警器。監控現場(chǎng)主機運行客戶(hù)前端軟件，實(shí)現視頻、音頻數據的實(shí)時(shí)采集、壓縮、解壓縮（音頻）（視頻傳輸 單向的，音頻傳輸是雙向的）及打包傳送；對壓縮的視（音）頻數據進(jìn)行經(jīng)存儲（也可在分近中心進(jìn)行）。存儲方式為循環(huán)存儲、定時(shí)存儲、手動(dòng)存儲及運動(dòng)視頻檢測啟動(dòng)存儲。接收來(lái)自分控中心的控制指令（也可在本地實(shí)施），對云臺動(dòng)作（上、下、左、右及自動(dòng)）電動(dòng)鏡頭的三可變（光圈、焦距和聚焦）。

　　（2）通信設備是指所采用的傳輸信道和相關(guān)設備，通信網(wǎng)絡(luò )為L(cháng)AN及WAN。

　　（3）后端設備由若干分控中心計算機組成。各分控計算機運行服務(wù)器端軟件，接收來(lái)自前端壓縮視（音）頻、顯示（播放）；通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對前端云臺、攝像機進(jìn)行控制；采用組播技術(shù)，實(shí)現分布式視頻執著(zhù)入和分豐式視頻共享：每個(gè)分控中心主機可以同時(shí)監控多個(gè)前端，即“一點(diǎn)對多點(diǎn)”；不同分控心也可以同時(shí)監控同一前端，即“多點(diǎn)對一點(diǎn)”。

　　2 網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊的設計與實(shí)現

　　2.1 系統傳輸數據類(lèi)型的特點(diǎn)及通信協(xié)議的選擇

　　系統傳輸數據有：控制數據、音頻、視頻數據、后端分控中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向監控現場(chǎng)主機外圍設備云臺及攝像機發(fā)送控制信號，實(shí)現云臺動(dòng)作（上、下、左、右、自動(dòng)）攝像機光圈、焦距及聚焦三可變，要求控制信號的傳輸準確無(wú)誤；音頻、視頻是連續，數據量大，允許傳輸中存在一定的數據錯誤率及數據丟失率，但實(shí)時(shí)性要求很高。此外，在監控系統中，要實(shí)現音視頻的分布式接入和數據共享，必須進(jìn)行音視頻的多點(diǎn)傳輸。樣實(shí)現上述目標？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(hù)數據報協(xié)議（UDP）。IP是國際互聯(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，提供數據報服務(wù)；TCP采用提供確認與超時(shí)重發(fā)、滑動(dòng)窗口機制等措施來(lái)保證傳輸的可靠性，正是這些措施增加了網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)銷(xiāo)。如果用TCP傳輸視（音）頻數據，大量的數據容量引起重傳。，使得網(wǎng)絡(luò )負載大并會(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，正因為UDP協(xié)議不進(jìn)行數據確認與重傳國，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數據包的傳輸：?jiǎn)尾ァV播及組播。要系統中實(shí)現視（音）頻數據的多點(diǎn)傳輸，若采用單播，則同樣的音、視頻數據要發(fā)送多次，這樣導致發(fā)送者負擔重、延遲長(cháng)、網(wǎng)絡(luò )擁塞；若用廣播，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)站點(diǎn)都將接收到數據，不管該結點(diǎn)否需要數據，增加了非接收者的開(kāi)銷(xiāo)；組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者（組播源）發(fā)送單一的數據包到多個(gè)接收者（一次的、同時(shí)的）的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。組播源把數據包發(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據包。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據包。因此組播提高了網(wǎng)絡(luò )傳輸的效率，極大地節省了網(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，即信令通道；采用UDP/IP傳輸音視頻信號，即數據通道。

　　IP組播依賴(lài)一個(gè)特殊的地址組——“移播址”，即D類(lèi)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(lèi)地址是動(dòng)態(tài)分配和恢復的瞬態(tài)地址。組播地址只能作為信宿地址使用，而不能出現在任何信源地址中。每一個(gè)組播組對應于動(dòng)態(tài)分配 的一個(gè)D類(lèi)地址。組播的特點(diǎn)：組播組的成員是動(dòng)態(tài)的，主機可以任何時(shí)間加入或離開(kāi)組播組，主機組中的成員在位置上和數量 舊沒(méi)有限制的。

　　2.2 Windows下，IP組播的Winsock2實(shí)現

　　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)現方法：Windows Socket提供兩種不同的IP組播的實(shí)現方法：Winsock1與Winsock2。在Windows2000平臺實(shí)現VC++6.0開(kāi)發(fā)工具，在本系統中實(shí)現了基于Winsock2的組播通信編程。

　　發(fā)送端（前端、客戶(hù)端）實(shí)現步驟：

　　(1)加載Winsock2庫，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：控制層面和數據層面。控制層面決定一個(gè)多播組建立通信的方式，數據層面決定通信成員間數據傳輸的方式。每一個(gè)層面有兩種形式，一種是“有限的”，另一種是“無(wú)根的”；數據報IP組播在兩個(gè)層面上都是“無(wú)根”的。任一用戶(hù)發(fā)送的數據都將被傳送到組中所有其它成員。最后一個(gè)參數表明新創(chuàng )建的套接字在控制層面與數據層面都是“無(wú)根的”。


可以通過(guò)setsocket函數設置套接字的屬性，如地址重用，緩沖區是接收還是發(fā)送。

　　M_localAddr.sin_family = AF_INET;

　　M_localAddr.sin_port=m_iPort;//本地端口號

　　M_localAddr..sin _addr.S_un.S_addr=m_uLocalIP;//本地IP地址；

　　（3）綁定（將新創(chuàng )建的套字節與本地插口地址進(jìn)行綁定）：

　　bind(m_socket,(PSOCKADDR)&(m_localAddr),sizeof(m_localAddr);

　　(4)設置生存時(shí)間（即數據包最多允許路由多少個(gè)網(wǎng)段）：

　　WSAIoctl(m_socket,SIO_MULTICAST_SCOPE,//設置數據報生存時(shí)間；

　　&iMcastTTL,//生存時(shí)間大小；

　　sizeof(iMcastTTL),NULL,0,&cbRet,NULL,NULL)；

　　（5）配置Loopback,以決定組播數據幀是否回送：

　　int bLoopback=FALSE;

　　WSAIoct(m_socket,SIO_MULTIPOINT_LOOPBACK,//允許或禁止組播數據幀回送；

　　&bLoopback,sizeof(bLoopback)，NULL,0,&cbRet,NULL,NULL);

　　(6)收發(fā)數據：

　　在發(fā)送方（前端、客戶(hù)端）響應發(fā)送的消息函數中調用下面函數：

　　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(hù)端）響應接收消息函數中調用下面函數：

　　WSARecvFrom(m_socket,&stWSABuf,1,& cbRet,&Flag,(struct sockaddr*)&stSrcAddr,//源地址；

　　&iLen，NULL，NULL）；

　　（7）將組播套接字設置為異步I/O工作模式，在該套節字上接收事件為基礎的網(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置為有信號狀態(tài)；

　　（8）在工作線(xiàn)程中設置：

　　WSAWaitForMultipleEvent（3，//等待事件的個(gè)數）；

　　p->m_eventArray,//存放事件句柄的數組；

　　FALSE，WSA_INFINITE，FALSE）；

　　（9）關(guān)閉組播套字節：

　　closesocket(m_socket)；

　　接收端（后端、服務(wù)器端）實(shí)現步驟：

　　（1）-（3）與發(fā)送端（客戶(hù)端）相同；

　　（4）調用WSAJLoinLeaf加入組播組：

　　SOCKET NetSock=WSAJoinLeaf(sock,//必須為組播標志進(jìn)行創(chuàng )建，否則調用失敗；

　　（PSOCKADDR）&（m_stDestAddr,//組播導址，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(hù)端（6）相同；（6）與客戶(hù)端（7）相同；（7）與客戶(hù)端（8）相同；（8）離開(kāi)組播組；closesocket(NewSock)；//NewSock是調用WSAoinLeaf（）返回的套節字。

　　2.3 在監控系統中網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊的設計

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊流程如圖2所示。

　　發(fā)送端（前端監控現場(chǎng)主機、客戶(hù)端）監控主機運行客戶(hù)端程序。在主線(xiàn)程中，啟動(dòng)視同、音頻兩個(gè)線(xiàn)程分別對視頻及音頻進(jìn)行采集，放入視（音）頻緩沖區；視頻在本地回放；同時(shí)，監聽(tīng)分控中心的連接請求，收到連接請求，TCP三次握手，建立TCP連接（信令通道）；通過(guò)信令通道，向分控心發(fā)送二組組播地址及端口號（對應視頻及音頻，音頻兩個(gè)線(xiàn)程；分別在視（音）頻線(xiàn)程中完成；利用Winsock2建立視（音）頻數據通道（UDP）（源碼前已述及）；對視（音）頻進(jìn)行壓縮編碼、組播發(fā)送；音頻線(xiàn)程接收分控中心的音頻數據包，解碼并播放；實(shí)現視頻的單向傳輸和音頻的雙向傳輸。

　　接收端（后端分控中心、服務(wù)器端）分控中心主機運行服務(wù)器端程序，在主線(xiàn)程中向前端監控現場(chǎng)主機發(fā)出連接請求（CALL），三次握手建立TCP連接（信令通道）；后端接收到組播地址及端口號后，啟動(dòng)視（音）頻兩個(gè)線(xiàn)程，完成；利用Winsock2建立視（音）頻數據通道（UDP），加入視（音）頻組播組，接收壓縮視（音）頻包，并解碼顯示（播放）；其中音頻線(xiàn)程，還要完成音頻數據包解碼顯示（播放）；其中音頻線(xiàn)程，還要完成音頻數據包的壓縮、發(fā)送；實(shí)現視頻的單向傳輸、音頻的雙向傳輸。

　　一個(gè)后端分控中心可同時(shí)監控12路前端視頻及音頻信號，在設計服務(wù)器端監控程序時(shí)，采用多線(xiàn)程技術(shù)，每建立一對前端監控主機與后端分控中心（服務(wù)器）的TCP連接，就開(kāi)兩個(gè)接收線(xiàn)程（一個(gè)接收視頻線(xiàn)程；一個(gè)接收音頻線(xiàn)程），視頻線(xiàn)程接收視頻數據包進(jìn)行解壓縮及回放；音頻線(xiàn)程接收音頻數據包進(jìn)行解壓縮及播放。對云臺及攝像機的控制指令通過(guò)信令通道傳輸。

　　本系統運行在Win2000平臺上，用VC++6.0開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)。

　　在遠程數字音視頻監控系統的傳輸模塊設計中，根據音頻頻數據傳輸及控制信號傳輸的特點(diǎn)，運用IP組播技術(shù)極大地減輕了網(wǎng)絡(luò )負擔，避免了資源的浪費，節省了網(wǎng)絡(luò )帶寬；利用TCP/IP協(xié)議設計了信令通道（TCP）和數據通道（UDP）；運用Windows多線(xiàn)程機制實(shí)現了音頻數據的實(shí)時(shí)、多點(diǎn)傳輸和控制信號的可靠傳，提高了程序運行的效率。在該系統的基礎上進(jìn)行改造和擴展，可以應用到遠程教學(xué)、遠程醫療等多種多媒體通信；因此，遠程數字音視頻監控系統的設計和實(shí)現不僅具有監控方面的現實(shí)意義，而且對于許多應用都有借鑒和參考價(jià)值。

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