智慧城市音視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)架構(gòu)-公共場(chǎng)所其他

智慧城市音視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)架構(gòu)-公共場(chǎng)所其他

導(dǎo)讀：智慧城市的建設(shè)需要用到大量的IT技術(shù)，音視頻技術(shù)作為智慧城市基礎(chǔ)IT技術(shù)有著廣泛的需求和應(yīng)用，構(gòu)建合理的音視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)，可以為智慧城市中音視頻應(yīng)用提供基礎(chǔ)服務(wù)，使音視頻應(yīng)用成為推動(dòng)智慧城市建設(shè)的重要力量，提升智慧城市服務(wù)能力。

國(guó)家“十二五”規(guī)劃出臺(tái)后，新一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)又將在各區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心推進(jìn)，各個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域的智慧城市化進(jìn)程也就進(jìn)一步加速。許多城市把建設(shè)“智慧城市”做為城市發(fā)展的重要任務(wù)，并計(jì)劃在十二五期間打造智慧城市，智慧城市的建設(shè)需要用到大量的IT技術(shù)，音視頻技術(shù)作為智慧城市基礎(chǔ)IT技術(shù)有著廣泛的需求和應(yīng)用。

在公共領(lǐng)域，城市道路交通系統(tǒng)通過(guò)視頻監(jiān)控技術(shù)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路情況，為解決日益擁擠的道路交通提供有效的解決方案；城市安防和管理系統(tǒng)中，通過(guò)視頻監(jiān)控為解決城市治安帶來(lái)方便快捷的能力；在公安系統(tǒng)中，視頻技術(shù)為公安的刑事偵查帶來(lái)很多有價(jià)值的資源。

在個(gè)人用戶領(lǐng)域，隨著城市移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，家庭帶寬的提升，個(gè)人智能移動(dòng)終端已經(jīng)非常普及，移動(dòng)終端的攝像頭具備很高的清晰度，人們能通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)分享有價(jià)值和娛樂性的內(nèi)容；家庭智能電視和智能家居也逐步成為市場(chǎng)追逐的熱點(diǎn)，智能電視和智能家居所攜帶的視頻能力，可以為我們帶來(lái)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，家庭視頻聚會(huì)等新的生活?yuàn)蕵贩绞?，為我們的生活、工作和娛樂提供更多的便利?/p>

目前，個(gè)人用戶領(lǐng)域和公共領(lǐng)域音視頻應(yīng)用的發(fā)展相對(duì)獨(dú)立。音視頻技術(shù)想要更好的為我們服務(wù)，必然要實(shí)現(xiàn)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的融合，而不是各個(gè)系統(tǒng)孤立的存在。比如在公安系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備在辦公室的電腦上瀏覽視頻的能力，但已經(jīng)不能滿足他們工作的需求。警務(wù)人員已經(jīng)配備了高配置、高性能的移動(dòng)終端，他們不僅需要在辦公室中能查看視頻整理案件，同時(shí)需要在外出辦公時(shí)也能夠?yàn)g覽視頻，為快速偵破案件提供幫助。在某些特定緊急場(chǎng)景下，對(duì)于視頻攝像頭沒有覆蓋的領(lǐng)域，能夠通過(guò)手機(jī)攝像頭攝取視頻傳送給后臺(tái)的指揮中心，為處理緊急事件提供快捷方便的幫助?？梢灶A(yù)見，智慧城市中音視頻技術(shù)將向高清化，聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，各種視頻終端能互聯(lián)互通，大量基于音視頻的應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)。視頻監(jiān)控，視頻會(huì)議，視頻培訓(xùn)，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，遠(yuǎn)程醫(yī)療，家庭視頻聊天等視頻應(yīng)用將會(huì)逐漸普及，人們?cè)谝曨l基礎(chǔ)之上創(chuàng)建各種應(yīng)用，滿足人們對(duì)交流，協(xié)作，娛樂的各項(xiàng)需求。

音視頻技術(shù)的發(fā)展在給我們生活帶來(lái)的便利的同時(shí)，也對(duì)音視頻網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和存儲(chǔ)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。視頻高清化為我們提供了高質(zhì)量的畫面，但數(shù)據(jù)量也成倍的增長(zhǎng)。監(jiān)控前端在向高清的方向發(fā)展，目前已經(jīng)有720P、1080P、5MP、8MP等高分辨率的IPC，手機(jī)攝像頭也向千萬(wàn)像素方向發(fā)展。高清晰音視頻數(shù)據(jù)的分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，在智慧城市中網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對(duì)領(lǐng)先的公安視頻網(wǎng)目前具備萬(wàn)兆主干網(wǎng)傳輸?shù)哪芰?，但一個(gè)城市通常會(huì)有上萬(wàn)個(gè)攝像頭，因此網(wǎng)絡(luò)的瓶頸還是非常的明顯。

一、音視頻數(shù)據(jù)因?yàn)閿y帶的數(shù)據(jù)量大，和普通文本數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)存在比較大的差異，對(duì)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)都有更高的要求，具體表現(xiàn)在

（一）網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力

高清視頻攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)非常大，對(duì)于一個(gè)1080P的視頻，需要占用4-8M的帶寬，一個(gè)智慧城市中將部署上萬(wàn)個(gè)攝像頭，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的壓力非常大。智能移動(dòng)終端攝像頭采集的高清視頻也在1-10M，移動(dòng)終端的用戶數(shù)量將達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，移動(dòng)視頻網(wǎng)絡(luò)的瓶頸非常明顯。

（二）視頻單元聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)互通的困難

公共領(lǐng)域的攝像頭一般有專線接入局域網(wǎng)，甚至在系統(tǒng)內(nèi)部也區(qū)分視頻專網(wǎng)，比如在公安系統(tǒng)內(nèi)部就有視頻網(wǎng)和公安網(wǎng)兩部分。視頻網(wǎng)和公安網(wǎng)通過(guò)中間的防火墻連接，家庭電視或家用攝像頭位于家庭路由器后面，移動(dòng)終端通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)。各個(gè)視頻單元之間如果要相互訪問，必須經(jīng)過(guò)多重防火墻，路由器、各種類型NAT設(shè)備。例如，從移動(dòng)智能端訪問局域網(wǎng)內(nèi)的視頻攝像頭，或者從局域網(wǎng)內(nèi)的PC端訪問移動(dòng)終端，將會(huì)非常困難，因此構(gòu)建一個(gè)合理的網(wǎng)絡(luò)成為視頻單元互聯(lián)互通的重要保障。

（三）視頻安全

視頻內(nèi)容很多涉及公共安全，比如公安系統(tǒng)的視頻監(jiān)控，銀行和郵政的視頻監(jiān)控都會(huì)對(duì)社會(huì)安全，經(jīng)濟(jì)金融產(chǎn)生很多的影響。如果泄露將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，移動(dòng)終端視頻和家庭視頻監(jiān)控涉及到個(gè)人隱私。現(xiàn)在，我們對(duì)個(gè)人隱私越來(lái)越重視。因此，在架構(gòu)視頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須保證視頻數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中不被第三方攔截;就算被攔截，數(shù)據(jù)也不能被第三方破解。必須保證視頻數(shù)據(jù)在傳輸中不能被篡改，視頻單元也不被未授權(quán)用戶訪問;同時(shí)還需要解決密碼破解，網(wǎng)絡(luò)攻擊等問題。

（四）視頻存儲(chǔ)

海量視頻數(shù)據(jù)的接入，多路視頻和大并發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀寫，對(duì)存儲(chǔ)的性能有很大挑戰(zhàn)，如果視頻數(shù)據(jù)都集中存儲(chǔ)，存儲(chǔ)設(shè)備規(guī)模非常龐大，集中存儲(chǔ)也會(huì)造成存儲(chǔ)端局部的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。因此，均衡考慮網(wǎng)絡(luò)條件，合理利用各種后端存儲(chǔ)設(shè)備，兼容歷史系統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)非常重要。視頻存儲(chǔ)后的檢索和定位也是非常重要的環(huán)節(jié)，在架構(gòu)中必須考慮盡量減少數(shù)據(jù)的移動(dòng)，對(duì)視頻數(shù)據(jù)源的處理必須在最近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。

二、現(xiàn)有智慧城市中普遍的視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)解決方案分兩種

（一）小規(guī)模應(yīng)用。比如超市、商場(chǎng)和小區(qū)，一般是攝像頭集中接入，通過(guò)媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，視頻數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)的模式，如下圖：

這種模式能接入的攝像頭比較少，聯(lián)網(wǎng)能力很差，移動(dòng)終端也很難聯(lián)網(wǎng)。

（二）中大規(guī)模的應(yīng)用，普通采用分級(jí)的方式，將視頻網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的接入和存儲(chǔ)，子網(wǎng)絡(luò)之間有專線連接，如下圖：

這種模式解決了部分聯(lián)網(wǎng)能力，但是子網(wǎng)之間很容易形成瓶頸。比如在公安系統(tǒng)內(nèi)，視頻子網(wǎng)負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的分發(fā)和存儲(chǔ)。發(fā)生重大公共事件時(shí)，公安業(yè)務(wù)部門有大量的視頻訪問需求，導(dǎo)致子網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)絡(luò)之間產(chǎn)生了視頻瓶頸。同時(shí)，這種架構(gòu)也沒有考慮目前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)相對(duì)復(fù)雜，存在視頻孤島的問題，移動(dòng)終端和家庭終端的視頻聯(lián)網(wǎng)也是很困難的。

三、為解決目前音視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)架構(gòu)存在的問題，必須采用新的架構(gòu)方式

（一）通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸解決一部分網(wǎng)絡(luò)瓶頸的問題

比如個(gè)人用戶移動(dòng)終端訪問家庭的視頻攝像頭，系統(tǒng)提供移動(dòng)終端到視頻攝像頭的直接連接和視頻交互的能力，避免視頻源將視頻傳送到視頻服務(wù)器，減少了視頻帶寬的占用。在子網(wǎng)和子網(wǎng)直接的音視頻訪問中，如果同一個(gè)子網(wǎng)有多個(gè)用戶訪問同一個(gè)音視頻源，同子網(wǎng)的某個(gè)用戶可作為音視頻的分發(fā)者，其余用戶通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式訪問該用戶的音視頻源，減少了子網(wǎng)和子網(wǎng)之間的視頻帶寬占用；

（二）通過(guò)安全加密的傳輸方式來(lái)解決視頻傳輸?shù)陌踩珕栴}

（三）通過(guò)分布式的存儲(chǔ)來(lái)解決視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的問題

新的音視頻網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)架構(gòu)方案，如下圖：

四、方案實(shí)現(xiàn)有下面幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)組成

（一）聯(lián)網(wǎng)協(xié)議：使用SIP(SessionInitiationProtocol)協(xié)議來(lái)進(jìn)行監(jiān)控?cái)z像頭、手機(jī)攝像頭、家庭攝像頭、智能電視等音視頻單元和訪問終端的聯(lián)網(wǎng)定位。通過(guò)SIP協(xié)議注冊(cè)到定位服務(wù)器，對(duì)音視頻單元的訪問，通過(guò)定位服務(wù)器可以方便快捷的找到音視頻單元，從而解決音視頻單元直接互聯(lián)互通的問題。

（二）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的握手協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)攝像頭、電腦PC、移動(dòng)終端、家庭電視等音視頻單元所處的網(wǎng)絡(luò)各不相同，網(wǎng)絡(luò)情況非常復(fù)雜。要保障音視頻單元之間能夠互聯(lián)互通必須實(shí)現(xiàn)握手協(xié)議，音視頻單元將自己能夠被訪問的多個(gè)聯(lián)網(wǎng)地址發(fā)送給對(duì)方，兩個(gè)視頻聯(lián)網(wǎng)單元之間通過(guò)發(fā)送探測(cè)包，最終形成雙方都能接收數(shù)據(jù)的通道，從而視頻單元的互通。

（三）加密安全傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)的安全傳輸，目前采用的加密方式有兩種，非對(duì)稱加密和對(duì)稱加密。非對(duì)稱加密一般采用公鑰加密的方式，安全性好，但運(yùn)算量大，CPU消耗大，一般每秒只能加密幾M的數(shù)據(jù)，對(duì)于音視頻數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)開銷大大；使用對(duì)稱式加密算法，運(yùn)算量小，但是安全性比較低，容易產(chǎn)生安全漏洞。根據(jù)音視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，結(jié)合兩種加密算法的優(yōu)缺點(diǎn)，在連接建立的時(shí)候，用非對(duì)稱加密算法的公鑰進(jìn)行加密和認(rèn)證，協(xié)商出對(duì)稱加密算法的密鑰;在數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾A段，通過(guò)對(duì)稱加密算法和協(xié)商密碼進(jìn)行加密，既保障了安全，又兼顧了效率。

（四）局部集中存儲(chǔ)，全局索引，分布式訪問的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方式：如果所有音視頻都集中存儲(chǔ)，對(duì)帶寬和存儲(chǔ)的建設(shè)都帶來(lái)困難，容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)的堵塞和抖動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮在音視頻接入的附近建立存儲(chǔ)區(qū)，減少音視