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网络摄像机之传输协议简析

2020-09-19 10:11:02深圳市凯茉锐

网络摄像机之传输协议简析



    网络摄像机又叫IP CAMERA(简称IPC)由网络编码模块和模拟摄像机组合而成。网络编码模块将模拟摄像机采集到的模拟视频信号编码压缩成数字信号,从而可以直接接入网络交换及路由设备。网络摄像机内置一个嵌入式芯片,采用嵌入式实时操作系统。网络摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品。摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩,通过网络总线传送到Web服务器。网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像,授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作。网络摄像机能更简单的实现监控特别是远程监控、更简单的施工和维护、更好的支持音频、更好的支持报警联动、更灵活的录像存储、更丰富的产品选择、更高清的视频效果和更完美的监控管理。另外,IPC支持WIFI无线接入、3G接入、POE供电(网络供电)和光纤接入。



1.传输协议概述

      网络摄像机提供很多的基于IP网络的传输协议,以尽可能地保证音视频数据,PTZ控制数据网络传输质量。实时视频流经过IP网络传输,通过多种协议组合,适应各种复杂的网络传输环境。


  RTP(Realtime Transport Protocol),实时传输协议,其专门针对实时流媒体而设计, RTP的基本功能是将几个实时数据流复用到一个UDP分组流中,这个UDP流可以被发送给一台主机(单播模式),也可以被传送给多台目标主机(多播模式)。因为RTP仅仅封装成常规的UDP,理论上路由器不会对分组有任何特殊对待,但现在高级的路由设备都有针对RTP协议优化选项。RTP协议的时间戳机制,不仅减少了抖动的影响,而且也允许多个数据流相互之间的同步,这样可以很方便地基于I/O事件对视频图像进行字幕添加,网络摄像机往往将音视频编码数据封装成RTP分组。


  RTCP(Realtime Transport Control Protocol)实时传输控制协议,其是RTP的姊妹协议,它处理反馈、同步和用户界面等,但是不传输任何数据。它的主要功能是用来向源端提供有关延迟、抖动、带宽、拥塞和其它网络特性的反馈信息,编码进程可以充分利用这些信息。因此当网络状况较好时,可以提高数据速率(从而达到更好的质量),而当网络状况不好时,它可以减少数据速率。通过连续的反馈信息,编码算法可以持续地作相应的调整,从而在当前条件下尽可能地提供最佳的质量。


  RTSP(Real Time Streaming Protocol)实时流协议,RTSP协议利用推式服务器(push server)方法,让音视频浏览端,发出一个请求,网络摄像机只是不停地向浏览端推送封装成RTP分组的音视频编码数据,网络摄像机可以用很小的系统开销实现流媒体传输。


  HTTP(HyperText Transfer Protocol)超文本传输协议,网络摄像机通过HTTP协议提供Web访问功能,很方便地将音视频数据经过复杂网络传输,但实时音视频支持很不理想。


  UDP(User Datagram Protocol)数据报协议,是最基本的网络数据传输协议,利用IP协议提供网络无连接服务,常用来封装实时性强的网络音视频数据,即使网络传输过程中发生分组丢失现象,在客户端也不会影响音视频浏览。


  TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议,利用IP协议提供面向连接网络服务,为在不可靠的互联网络上提供一个可靠的端到端字节流而设计。TCP协议往往要在服务端和客户端经过多次“握手”才能建立连接,因此利用TCP传输实时性较强的音视频流开销较大,如果网络不稳定,音视频抖动的现象明显。利用其可靠性常用来传输网络摄像机管理命令,如PTZ,I/O设备控制命令。


2.传输协议组合


  网络摄像机往往应用RTSP、RTP、RTCP、HTTP、UDP、TCP协议的不同组合来传输实时性较强的音视频流。常见的协议组合如下。


  RTP+RTSP协议组合,这种协议组合(RTP可以用TCP、UDP协议封装,RTSP用TCP协议封装),在正常网络环境里,可以保证客户端浏览实时音视频,厂商往往推荐网络摄像机采用这种协议组合。一些网络设备也常常支持RTP+RTSP多播模式。


  RTP/RTSP协议组合,RTP分组封装成RTSP分组,有些网络防火墙只让RTSP协议分组通过。但网络摄像机又要以RTP协议提供实时音视频。这种组合方式在没有办法的情况下增加了网络负载和客户端管理系统的复杂度。


  RTP/RTSP/HTTP协议组合,在RTP/RTSP的数据基础上增加了HTTP封装,这种协议组合主要是为了适应网络防火墙只允许使用HTTP协议的网络环境。虽然网络负载加大,但网络摄像机可以适应更复杂的互联网环境。


  UDP(TCP)协议,一些网络摄像机为了适应国内网络带宽状况不佳的状况,没有利用RTP+RTSP应用层协议封装音视频数据,对音视频流只采用UDP或TCP传输层协议封装。这样音视频流就可以利用很小的网络带宽传输流媒体。这种协议组合也可以提供类似RTP+RTSP高级功能,但对网络路由设备基于RTP+RTSP组合优化特性不能利用。


  UDP(TCP)/HTTP协议组合,将音视频流数据封装成HTTP数据分组,然后用UDP(TCP)协议传输到客户端。这种协议方式可适应复杂的互联网环境,可以穿透大多数网络防火墙。


  各种传输层协议组合保证了音视频和PTZ数据实时传输的可靠性,但网络摄像机内置的处理器计算能力限制,导致并发访问的用户数量有限。这样往往不能满足并发访问要求较高的应用环境,网络摄像机往往利用具备多播功能的网络传输设备,响应更多的并发访问要求。有些网络摄像机客户端软件功能强大,利用数据转发机制,充当可以响应更多并发访问用户的“虚拟网络摄像机”,这种方式适应于也适应PTZ网络摄像机。对大规模数字化视频监控网络建设有重要意义。


  还有的网络摄像机提供一些FTP(文件传输协议)、SMTP(邮件传输协议)、DDNS(动态域名解析)协议,以增强网络摄像机在互联网环境应用。笔者观点,这些网络协议对安防监控系统没有太多的帮助,反而要引入好多外部FTP、SMTP、DNS服务器去配合网络摄像机,这样对整个数字安防监控系统的管理引入了新的复杂性,增加了不稳定性,可能要花更多的精力去管理非主要业务。有的网络摄像机也提供一些高级网络管理协议,如ICMP、SNMP、IGMP、ARP协议,帮助用户去管理网络。






3.应用现状


  随着有线和无线网络带宽成倍的增加,网络视频传输的带宽成本将越来越小,大规模网络视频监控系统建设已成为可能。网络摄像机通过以太网接口将采集的音视频数据;I/O、PTZ控制数据经过IP网络传输到远程管理系统。网络摄像机的网络数据传输模块,所具备的功能决定了网络摄像机适用的网络类型、网络音视频延迟和抖动的处理能力、是否具备穿透防火墙以适应复杂的互联网环境。


4.以太网供电技术


  新的室内网络摄像机采用以太网供电技术,减少了网络摄像机外部连接线缆。以太网供电(Power over Ethernet,PoE)是一种将供电集成到标准局域网设备中的技术。PoE技术遵循于IEEE 802.3af标准,并且在不降低网络数据通讯性能、缩小网络范围的基础上对网络设备进行供电。这一标准可在交换机端提供15.4W的电源,摄像机端为最大12.9W的电源。类似PTZ摄像机和快球的室外摄像机,它们的功率通常会超过上述的值,因而PoE功能显得不太适合。一些厂商也提供了非标准的产品来满足此类应用的需求,但需要注意的是,因为这些产品是非标准的,在不同品牌的产品间也就没有了互操作性。


5.无线网络技术


  如今,尽管大多数建筑中都已经部署了有线网络,但有时候对客户来讲,无线网络解决方案在功能性和节约成本方面仍然具有很强的吸引力。例如,当网络布线工作必须要对内部建筑产生破坏才能完成时、或者在一些需要定期地改变摄像机位置,又不想每次重新布线的场所(例如零售商店),无线网络技术将变得非常有用。在另外一种常见应用场景中,无线网络技术能够方便地将两座建筑物或场所连接起来,而不需要昂贵和复杂的地面施工。


  无线通信技术主要分为两大类:无线局域网(Wireless LAN,WLAN)是指跨越距离较短,通常位于室内的网络。无线局域网络标准已经非常完善,不同厂家生产的无线局域网设备也能够很好的协同工作;无线网桥(Wireless bridges)当需要通过高速链路连接不同的建筑物或场所时,则必须建立一条能够进行远距离高速传输的点对点链路。微波和激光是实现这种功能的两种常用技术。


  无线局域网802.11x系列标准,802.11g标准是网络摄像机支持最普遍的无线网络标准,在室外环境下,它能够提供最大约24 Mbps实际吞吐量,最大有效距离为100米,该标准使用2.4 GHz波段,理论带宽可以达到54 Mbps。


  网络摄像机提供的无线接入功能,由于无线网络通信本质方面的原因,在无线网络所覆盖的范围内,任何拥有一台无线设备的人都可以连接到网络中并使用共享设备,因此无线网络必须提供良好的安全机制。无线网桥用来连接地域空间跨度比较大和多个无线局域网络,采用微波技术的设备较多,我们应该着重考虑一下,如果在这样的环境里,网络摄像机是否支持移动IP。




6.安全性


  网络摄像机的安全性很值得关注,在访问网络摄像机时,一般都提供多级用户管理机制和IP过滤机制,不同级别的用户(IP地址)有不同的访问权限,这种机制很好地满足了分布式网络监控系统的安全高效管理要求。


  音视频流通过加密处理,可以有效地防止在公共网路传输过程中被窃听。一些网络摄像机在视频编码时采取了有限的加密措施,但增加了网络传输负载、客户端解码的复杂性和网络摄像机成本。而且政府部门对这种网络摄像机的加密标准未必采纳。安防监控行业是否可以考虑将视频流的加密功能转移到其它辅助系统来完成,减少系统核心设备网络摄像机的工作负担,增强系统稳定性。



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