超高清視頻監(jiān)控發(fā)展面臨的技術(shù)問(wèn)題

發(fā)布時(shí)間：2020-01-04 17:54:52   作者：上海監(jiān)控安裝公司

超高清視頻監(jiān)控發(fā)展面臨的技術(shù)問(wèn)題

在安防領(lǐng)域，工廠安裝監(jiān)控的超高清視頻監(jiān)控有著非常值得期待的應(yīng)用前景，但只有解決了阻礙應(yīng)用的傳輸、算力、算法、存儲(chǔ)、安全等幾個(gè)問(wèn)題之后，應(yīng)用的前景才會(huì)變得清晰起來(lái)。另一方面，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)生天翻地覆的改變，計(jì)算和存儲(chǔ)能力空前提高，算法進(jìn)一步硬件化智能化，安全問(wèn)題也從未像今天一樣成為國(guó)家意志，凡此種種為超高清視頻監(jiān)控的技術(shù)突破帶來(lái)了光明的前景和奮進(jìn)的動(dòng)力。

1.傳輸問(wèn)題

別墅安裝超高清視頻監(jiān)控面臨的第一個(gè)問(wèn)題是傳輸問(wèn)題。由于4K視頻超大的分辨率，對(duì)于25fps的幀率來(lái)說(shuō)，在相同編碼規(guī)格下，其碼率約為高清視頻（1080P）的4倍以上，對(duì)于傳輸?shù)囊笠蚕鄳?yīng)提升了數(shù)倍。即使采用H.265等較為先進(jìn)的編碼方式，由于超高清視頻在色深、幀率、分辨率等方面的改進(jìn)，其傳輸量也是不可小覷的。到了8K超高清視頻的時(shí)代，其傳輸量又會(huì)有成倍的增加。因此，增加帶寬，即增加端側(cè)的吞吐能力和增加中間鏈路的傳輸能力是超高清視頻監(jiān)控面臨的首要問(wèn)題。

（1）增加端側(cè)的吞吐能力

端即超高清視頻的接收端和發(fā)送端，增加兩端的網(wǎng)卡上下行能力極為關(guān)鍵。上下行能力受以下因素制約：網(wǎng)卡性能、緩沖區(qū)大小與調(diào)度機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧工作效率、超高清視頻監(jiān)控應(yīng)用進(jìn)程本身的吞吐能力、視頻接收與發(fā)送的策略等。

①網(wǎng)卡性能優(yōu)化

學(xué)校安裝監(jiān)控為了保證監(jiān)控視頻傳輸質(zhì)量，我們以單千兆卡60%的有效上下行傳輸率計(jì)算。在單千兆卡的情況下，對(duì)于H.264MainProfile編碼的4K超高清視頻，即使其碼率只有1080P的4倍也會(huì)接近30Mbps，因此單千兆網(wǎng)卡只能承載20路左右的4K超高清視頻。這對(duì)于瀏覽客戶端可能問(wèn)題不大，但對(duì)于流媒體服務(wù)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，從千兆卡升級(jí)到萬(wàn)兆卡，或者多張千兆卡綁定以擴(kuò)展上下行能力就顯得尤為重要。

另一方面，倉(cāng)庫(kù)安裝監(jiān)控對(duì)于諸多由軟件完成的傳輸功能，例如網(wǎng)絡(luò)包軟校驗(yàn)、加解密、DPI等功能完全可以“卸載”到硬件中執(zhí)行，這就是我們耳熟能詳?shù)挠布遁d加速技術(shù)。通過(guò)SOC的方式將這些功能以硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)和描述，在SOC內(nèi)實(shí)現(xiàn)ASIC電路是一種明智之舉。

②緩沖區(qū)優(yōu)化

上海工廠安裝監(jiān)控對(duì)于視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用中流媒體服務(wù)器占了流量的大頭。因此流媒體服務(wù)有針對(duì)性地改進(jìn)機(jī)制和提升性能就顯得越發(fā)必要。緩沖區(qū)作為網(wǎng)卡與操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件交互的中間媒介理應(yīng)做出相應(yīng)的改進(jìn)。

a.HugePage機(jī)制：操作系統(tǒng)中內(nèi)存頁(yè)面的分配粒度是4KB，對(duì)于超高清視頻這顯然是不夠的，因此有選擇性地啟用大內(nèi)存頁(yè)機(jī)制甚至巨頁(yè)機(jī)制，使其分配的粒度達(dá)到若干MB甚至1GB，以減少內(nèi)存頁(yè)倒換帶來(lái)的系統(tǒng)開(kāi)銷，這無(wú)論對(duì)于發(fā)送端還是接收端都具有很重要的意義。

b.DMA機(jī)制：DMA即直接內(nèi)存存取機(jī)制。通過(guò)DMA可以摒棄傳統(tǒng)的“網(wǎng)卡緩存->主存->CPU緩存”的傳輸路徑，轉(zhuǎn)而通過(guò)DMA控制器建立網(wǎng)卡緩存到CPU三級(jí)緩存之間的映射實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換。由于繞過(guò)了主存讀寫(xiě)這個(gè)速度較慢的步驟并省略了2次PCI-E總線的IO，因此讀寫(xiě)速度會(huì)大大加快。

超高清視頻監(jiān)控發(fā)展面臨的技術(shù)問(wèn)題

圖2DMA機(jī)制示意圖

③網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧優(yōu)化

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是以內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng)的方式存在于操作系統(tǒng)中的，其關(guān)鍵工作機(jī)制是中斷響應(yīng)、延遲過(guò)程處理、通用包處理。

中斷響應(yīng)：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)以網(wǎng)卡的中斷機(jī)制為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)包的到達(dá)和發(fā)送完成均以中斷機(jī)制通知上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，以便協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)繼續(xù)處理接收和發(fā)送。

延遲過(guò)程處理：協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)響應(yīng)中斷后，并不是將包的收取或發(fā)送處理包含在中斷處理例程中占用中斷時(shí)間，因?yàn)橹袛嗟膬?yōu)先級(jí)較高，如果中斷占用的時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)影響其他優(yōu)先級(jí)線程的執(zhí)行，因此中斷處理例程將具體的收取/發(fā)送等事務(wù)性工作放在DPC（延遲過(guò)程調(diào)用）隊(duì)列中，待中斷優(yōu)先級(jí)下降時(shí)才處理，這樣就減少了中斷打擾占用的時(shí)間。

通用包機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是瞄準(zhǔn)通用型網(wǎng)絡(luò)包處理的，因此對(duì)于OSI模型的每層協(xié)議都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理和校驗(yàn)，這比較適合流量不大包類型各異的情況。而在高清視頻流媒體服務(wù)器上流量較大，且傳輸?shù)囊话銥樾帕顖?bào)文和視頻包，其協(xié)議格式和封裝方式固定。

上述機(jī)制在一定程度上降低了協(xié)議棧的處理效率。針對(duì)超高清視頻流媒體服務(wù)器，可以采用改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧對(duì)傳統(tǒng)協(xié)議棧進(jìn)行旁路化改進(jìn)，比如定制專門針對(duì)流媒體傳輸?shù)膶Ｓ脜f(xié)議棧驅(qū)動(dòng)，或者嫁接高速傳輸設(shè)備的協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)。DPDK（數(shù)據(jù)平面開(kāi)發(fā)套件）框架就是一個(gè)較好的選擇。DPDK是一種基于IntelX86/X64平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理框架，也是一套數(shù)據(jù)包旁路化處理的方案，具有很高的IO處理速度，多用于SDN高速交換機(jī)和路由器的轉(zhuǎn)發(fā)驅(qū)動(dòng)框架，具有以下特點(diǎn)和機(jī)制：

a.UIO機(jī)制：UIO（UserspaceI/O）機(jī)制將小部分驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)空間（硬中斷只能在內(nèi)核態(tài)空間處理），大部分運(yùn)行在用戶態(tài)空間以實(shí)現(xiàn)旁路化機(jī)制。

b.SIMD機(jī)制：DPDK框架采用批量方式同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，基于向量式編程，一個(gè)周期內(nèi)對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，加大了處理吞吐量。

c.緩存優(yōu)化機(jī)制：采用Cacheline對(duì)齊、Cache數(shù)據(jù)預(yù)取等策略加快緩存中數(shù)據(jù)的讀取和處理速度。

d.PDM機(jī)制：PDM（PoolModeDriver）機(jī)制拋棄中斷模式，改為基于中斷+輪詢的方式收包，避免了中斷開(kāi)銷。

e.無(wú)鎖循環(huán)隊(duì)列機(jī)制：支持單生產(chǎn)者入列、單消費(fèi)者出列和多生產(chǎn)者入列、多消費(fèi)者出列的操作，因此可以提高傳輸效率并保證數(shù)據(jù)同步。

f.處理器親和性機(jī)制：利用處理器親和性（CPUAffinity）機(jī)制將IO線程綁定到若干個(gè)CPU核上，以此減少線程調(diào)度和切換從而降低切換開(kāi)銷，同時(shí)由于線程被綁定在固定的CPU核上，CPU緩存的命中率大大提高。

g.多隊(duì)列機(jī)制：通過(guò)多隊(duì)列網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的支持，將各個(gè)隊(duì)列綁定到不同的CPU核上，以滿足網(wǎng)卡高吞吐的需求。

h.DDIO機(jī)制：DDIO（DataDirectIO）是Intel提出的技術(shù)，允許網(wǎng)卡與CPU通過(guò)LLC（lastlevelcache）直接交換網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從而繞過(guò)主存，既縮短了交互流程，也提升了交互的速度。該技術(shù)類似DMA機(jī)制，但比DMA具有更高的效率。

i.硬件加速機(jī)制：將基礎(chǔ)性重復(fù)性的軟事務(wù)（例如計(jì)算分析類任務(wù)、TCP組包類任務(wù)和TCP分段任務(wù)等）“卸載”給硬件完成以加快處理速度。

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