李新樂，李書琴，蔚繼承，李偉男，魏 露

（西北農(nóng)林科技大學 信息工程學院，陜西 楊凌712100）

0 引 言

由于農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)系統(tǒng)長期缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標準，不同地區(qū)的視頻系統(tǒng)都以小范圍區(qū)域部署為主，并且呈現(xiàn)出顯著差異性，即使結(jié)構(gòu)形式相同，構(gòu)成系統(tǒng)的具體模塊和控制協(xié)議存在深層次的異構(gòu)性［1，2］。

針對目前各個地區(qū)視頻服務(wù)系統(tǒng)遵循不同協(xié)議，彼此異構(gòu)而不能互通服務(wù)的現(xiàn)狀，研究設(shè)計異構(gòu)農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通方案，使不同地區(qū)的異構(gòu)視頻系統(tǒng)可以彼此為對方地區(qū)用戶服務(wù)，是當前農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)領(lǐng)域亟需解決的問題。針對異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)問題，目前國內(nèi)外有以下幾種解決方法：針對基于H.323協(xié)議的視頻服務(wù)系統(tǒng)，多通過協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件完成系統(tǒng)間的信令轉(zhuǎn)換［4，5，9］；針對流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)，目前多采用基于Web Service技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)集成［2，7］，但是上述方法實現(xiàn)比較復(fù)雜、通信效率低，且較少有人研究遵循標準協(xié)議視頻系統(tǒng)與流媒體視頻系統(tǒng)互聯(lián)問題。

本文針對當前主流的流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)只需交換彼此系統(tǒng)的控制消息即可實現(xiàn)系統(tǒng)間互聯(lián)互通的特點，提出了在不改變原有視頻服務(wù)系統(tǒng)功能前提下，通過增加控制信息代理方式完成異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通的技術(shù)方案。通過設(shè)計和實現(xiàn)互聯(lián)互通協(xié)議和視頻服務(wù)系統(tǒng)，完成了對該方案的驗證，構(gòu)建了基于該協(xié)議的分布式視頻服務(wù)系統(tǒng)。

1 異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)整合方案設(shè)計

對于當前大多數(shù)流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)，只需要知道其它視頻服務(wù)系統(tǒng)的培訓室列表信息，每個培訓室內(nèi)的成員信息以及成員的流媒體播放地址，以及其它視頻服務(wù)系統(tǒng)的主要控制命令等，連接到本服務(wù)器的用戶即可接入到其它服務(wù)器的培訓室中完成視頻培訓過程，實現(xiàn)互聯(lián)互通過程。

對于遵循H.323協(xié)議的軟件視頻服務(wù)系統(tǒng)或硬件視頻會議終端需要接入流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)時，不僅需要完成上述的培訓室和培訓室成員等通信實體信息和控制信息的交換，還需要完成H.323音視頻流到流媒體音視頻流的轉(zhuǎn)換。

基于以上分析，為了不影響已構(gòu)建好的視頻服務(wù)系統(tǒng)當前的工作模式，本文采用引入中間視頻控制代理的互聯(lián)互通方案。已有視頻服務(wù)系統(tǒng)只需要增加與視頻控制代理通信模塊，即可實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的互聯(lián)互通。這樣可以保證已有視頻服務(wù)系統(tǒng)按照原有模式工作運轉(zhuǎn)，即節(jié)點自治性。以楊凌三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)與寧夏三農(nóng)呼叫中心為例，其互聯(lián)方案如圖1所示。

圖1 視頻互聯(lián)互通

其中，代理服務(wù)器遵循相同的協(xié)議，主要完成異構(gòu)服務(wù)器之間的控制信息的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。當楊凌站點上的用戶1需要參與寧夏站點提供的遠程服務(wù)培訓時，楊凌站點通過代理服務(wù)器1向?qū)幭恼军c的代理服務(wù)器2發(fā)送請求培訓室列表及進入培訓室等指令，代理服務(wù)器2需要將指令轉(zhuǎn)換成寧夏站點服務(wù)器可以識別與處理的指令，處理完成后將結(jié)果通過代理服務(wù)器2發(fā)給代理服務(wù)器1，處理完成后給楊凌站點。在該方案下，各自站點完成本服務(wù)器用戶身份認證和視頻服務(wù)控制等功能，互聯(lián)雙方交換彼此信任的培訓室列表、用戶列表和用戶視頻播放地址等信息。楊凌用戶1加入到寧夏站點的培訓室后即可加入到寧夏培訓室的用戶列表中，與寧夏用戶一樣接受寧夏站點的控制和調(diào)度，控制信息經(jīng)過視頻控制代理轉(zhuǎn)發(fā)到楊凌站點，最終轉(zhuǎn)發(fā)給用戶1?？刂品?wù)器及代理對消息控制的流程如圖2所示。

圖2 消息控制流程

2 異構(gòu)視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)

基于以上互聯(lián)互通模型以及分布式農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)業(yè)務(wù)流程分析，自定義互聯(lián)互通協(xié)議需要規(guī)定站點、培訓室、培訓室成員等通信實體信息以及登陸驗證、請求站點列表、培訓室列表和成員列表等控制命令。

2.1 協(xié)議工作方式的確定

本文自定義的視頻互聯(lián)互通協(xié)議 （video interconnection protocol，VICP）工作于TCP／IP之上的應(yīng)用層，消息傳遞是服務(wù)器端與客戶端通信的主要方式。VICP協(xié)議中定義了請求消息和響應(yīng)消息，前者用于客戶端向服務(wù)器請求資源，后者用于服務(wù)器向客戶端發(fā)送處理請求后的響應(yīng)。

為了保證VICP協(xié)議的高效性，采用持久連接工作方式，每個會話周期從客戶端發(fā)送請求至服務(wù)器端連接建立開始，到客戶端正?；虍惓Ｍ顺鲞B接中斷結(jié)束。在一個會話過程中，客戶端與服務(wù)器端可以進行多次交互。

2.2 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

協(xié)議結(jié)構(gòu)設(shè)計主要規(guī)定了通信過程規(guī)則，即消息的格式。發(fā)送雙方根據(jù)協(xié)議規(guī)則發(fā)送、接收和處理數(shù)據(jù)［3］。根據(jù)以上設(shè)計方案VICP協(xié)議消息分為兩類，即客戶端請求消息 （SNCMessage）和服務(wù)器響應(yīng)消息 （SNSMessage）。VICP協(xié)議將登錄驗證、請求站點列表等通信過程定義為命令，用于指示消息接收方如何處理數(shù)據(jù)，同時定義了培訓成員、站點和培訓室等通信實體的信息結(jié)構(gòu)。SNCMessage和SNSMessage都由消息頭部和消息體構(gòu)成，其中SNCMessage消息頭部定義了命令類型和接收命令的服務(wù)器地址，SNSMessage頭部只需要包含命令類型即可。SNCMessage消息體包含可選的成員信息、培訓室信息以及發(fā)言請求信息等，SNSMessage消息體包含可選的服務(wù)器列表、培訓室列表以及成員列表等信息。由于消息長度不確定性，所以VICP協(xié)議數(shù)據(jù)單元第一個字段為4字節(jié)的標識客戶端消息或服務(wù)器端消息的長度，第二字段為消息本身，第三字段為4字節(jié)CRC32校驗位，以校驗通信數(shù)據(jù)的完整性。VICP協(xié)議幀格式如圖3所示，其中消息長度即客戶端消息和服務(wù)器端消息長度。

圖3 VICP協(xié)議幀格式

2.3 互聯(lián)互通協(xié)議時序

異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)正確工作依賴于雙方按照協(xié)議規(guī)定進行工作。發(fā)送方幀結(jié)構(gòu)中的命令字部分代表了一個請求或者對于一個請求的響應(yīng)。接收方根據(jù)接收到的命令字對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，同時將不同的響應(yīng)消息給發(fā)送方，直到通信雙方有一個退出系統(tǒng)或者通信線路中斷時通信過程結(jié)束。

2.4 協(xié)議實現(xiàn)

考慮到待互聯(lián)互通流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)大部分由C＋＋或Java等主流開發(fā)語言編寫，為了保證互聯(lián)方案的可行性和可擴展性，協(xié)議設(shè)計采用Google公司的Protocol Buf－fers（簡稱protobuf）技術(shù)完成。與通用數(shù)據(jù)交換格式XML相比，protobuf具有數(shù)據(jù)量小，效率高，使用簡單并且歧義性小的優(yōu)勢。使用protobuf完成協(xié)議設(shè)計過程如下：首先根據(jù)上述協(xié)議結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果參照protobuf語法格式制定協(xié)議文件，然后利用protobuf工具將協(xié)議文件轉(zhuǎn)換為Java或C＋＋等語言下的類，這些類提供了簡單的方法訪問每個字段，從而使協(xié)議實現(xiàn)變得更為簡捷。protobuf技術(shù)的應(yīng)用保證了VICP協(xié)議的易用性和高效性。

3 視頻控制及代理服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

為了測試VICP協(xié)議在異構(gòu)流媒體視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通方面的可行性，設(shè)計和實現(xiàn)了基于該協(xié)議的視頻控制服務(wù)器和代理服務(wù)器，同時利用開源的Red5作為流媒體服務(wù)器做集群部署，完成了流媒體視頻系統(tǒng)的建設(shè)工作。

3.1 視頻控制服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

視頻控制服務(wù)器主要完成系統(tǒng)站點信息、培訓室和成員信息等的管理，同時也負責通過代理服務(wù)器完成與其它系統(tǒng)進行信息交互。為了保證控制服務(wù)器的高效性和穩(wěn)定性，服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)框架［8］，結(jié)合protobuf完成協(xié)議包解析，采用跨平臺的Java語言完成控制服務(wù)器的實現(xiàn)。

（1）視頻控制服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計

視頻控制服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)開發(fā)框架，其架構(gòu)分為網(wǎng)絡(luò)接口層、過濾器鏈層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)接口層和數(shù)據(jù)庫層。其中網(wǎng)絡(luò)接口層負責打開監(jiān)聽端口，發(fā)起建立連接以及連接斷開，過濾器鏈層主要有日志過濾器和編解碼過濾器等構(gòu)成，主要負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，業(yè)務(wù)處理層主要完成數(shù)據(jù)接收處理和發(fā)送，數(shù)據(jù)接口層為業(yè)務(wù)層的數(shù)據(jù)庫訪問提供支持。數(shù)據(jù)庫層主要完成數(shù)據(jù)存儲功能，其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 視頻控制服務(wù)器架構(gòu)

（2）視頻控制服務(wù)器實現(xiàn)

采用上述協(xié)議及架構(gòu)實現(xiàn)視頻服務(wù)控制系統(tǒng)時，A－pache Mina可以根據(jù)解碼器自動判斷接收緩沖是否已有完整消息，如果消息完整則交給業(yè)務(wù)處理器處理該消息。因此需要根據(jù)上述的協(xié)議數(shù)據(jù)單元實現(xiàn)自定義的編解碼器。在編碼器中，需要將消息對象序列化為二進制流，并且在頭部附加消息長度，尾部添加消息校驗和。在解碼器中需要判斷當緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度大于消息長度與校驗位長度之和時，則認為已接收到完整的消息。由于Apache Mina數(shù)據(jù)包一般較小，VICP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀有可能分到多個Apache Mina數(shù)據(jù)包中傳送，因此需要考慮分包問題，即在接收時將多個mina數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)合成一個完整的VICP數(shù)據(jù)包。其處理邏輯如圖5所示。

3.2 視頻控制代理服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

視頻控制代理服務(wù)器主要作為已構(gòu)建視頻系統(tǒng)代理完成與其它異構(gòu)系統(tǒng)的信息交互功能，引入代理服務(wù)器主要目的是減少對原有系統(tǒng)改動，這符合軟件設(shè)計開閉原則。與視頻控制服務(wù)器相同，控制代理服務(wù)器遵循上述VICP協(xié)議，并且采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)開發(fā)框架與其它的視頻服務(wù)系統(tǒng)交互，同時根據(jù)不同的異構(gòu)系統(tǒng)完成與自身視頻控制系統(tǒng)信息交互。

圖5 數(shù)據(jù)包接收處理流程

3.3 H.323視頻系統(tǒng)與流媒體視頻系統(tǒng)集成

為了解決流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域現(xiàn)有的基于H.323協(xié)議的標準視頻會議系統(tǒng)互聯(lián)互通問題，采用改造傳統(tǒng)H.323體系中MCU的技術(shù)方案實現(xiàn)兩者互聯(lián)?；舅悸啡缦拢涸趥鹘y(tǒng)MCU基礎(chǔ)上，通過LIBRTMP組件完成H.323音視頻流和RTMP流媒體視頻流之間的轉(zhuǎn)換，同時添加VICP協(xié)議支持，使MCU作為H.323視頻系統(tǒng)中其它終端代理，完成視頻系統(tǒng)控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)，即將本系統(tǒng)的成員及培訓室信息等轉(zhuǎn)發(fā)給異構(gòu)的流媒體視頻系統(tǒng)，同時將流媒體視頻系統(tǒng)的相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)給本系統(tǒng)成員，這樣即可完成H.323視頻系統(tǒng)與流媒體系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

4 系統(tǒng)測試與評價

為了驗證上述異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通方案的可行性、有效性和正確性，本研究設(shè)計并實現(xiàn)三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)控制服務(wù)器以及視頻終端軟件，并且作為不同地區(qū)站點部署在不同的服務(wù)器上，完成了同構(gòu)視頻系統(tǒng)測試。同時利用該系統(tǒng)與成都金虎科技開發(fā)的寧夏三農(nóng)呼叫中心進行互聯(lián)互通測試。上述兩個系統(tǒng)無論控制協(xié)議還是數(shù)據(jù)庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有顯著差異，因此是一個典型的異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)問題。在互聯(lián)過程中，三農(nóng)呼叫中心作為已有視頻系統(tǒng)，增加了代理服務(wù)器與三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)聯(lián)合開展培訓服務(wù)。兩者之間控制信息通過Apache Mina套接字進行通信，音視頻通信仍然采用本身的RTMP協(xié)議進行?；ヂ?lián)互通后兩個系統(tǒng)的用戶可以彼此可以進入對方培訓室并且進行視頻咨詢。用戶登錄一個服務(wù)器站點即可看到其它站點的培訓室列表。用戶登錄一個服務(wù)站點即可看到其它站點的培訓室列表，其效果如圖6所示。用戶可進入到其它地區(qū)站點的培訓室并與主講專家音視頻交互，效果如圖7所示。

圖6 不同服務(wù)器培訓室列表

圖7 不同系統(tǒng)用戶音視頻交互

實驗結(jié)果表明，采用基于自定義協(xié)議和Apache Mina的視頻服務(wù)系統(tǒng)集成方案與基于Web Service的視頻系統(tǒng)集成方案相比，具有實現(xiàn)簡單，傳輸數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點，以下是采用自定義協(xié)議的視頻互聯(lián)互通控制通信以及采用Web Service方式通信在傳輸相同指令信息時的數(shù)據(jù)量對比，結(jié)果見表1。

表1 不同互聯(lián)方式傳輸數(shù)據(jù)流量對比

由表1可以看出自定義協(xié)議下采用二進制傳輸信息不僅可以節(jié)省流量，而且結(jié)合protobuf具有較高的解析速度。

5 結(jié)束語

本文在分析當前主流農(nóng)業(yè)視頻系統(tǒng)特點現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了采用自定義協(xié)議及控制代理完成異構(gòu)視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通的技術(shù)方案，設(shè)計并實現(xiàn)了三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)，并且對上述的互聯(lián)互通模型進行了驗證。實驗結(jié)果表明，該方案實現(xiàn)簡單，可靠性較強，并且保證了原有系統(tǒng)的自治性。但是可以看出每個子系統(tǒng)需要維護對與其互聯(lián)的其它視頻系統(tǒng)列表，造成了一定的操作不便，以后可以考慮在模型中增加信息控制節(jié)點完成子系統(tǒng)信息的管理功能和權(quán)限控制功能。

［1］QIAN Qiuping，ZHENG Kefeng，XU Zhifu，et al.Design and implementation of remote intelligent video monitoring system for agricultural product ［J］.Agriculture Network Information，2009 （5）：25－29 （in Chinese）. ［錢秋平，鄭可鋒，徐志福，等.智能農(nóng)業(yè)遠程視頻服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009 （5）：25－29.］

［2］LI Yang，CHEN Feiling，F(xiàn)EI Zhangjun，et al.Integration method and model based on node autonomy for heterogeneous video surveillance systems ［J］.Mechanical ＆ Electrical Engineering Magazine，2011，28 （2）：212－216 （in Chinese）.［李陽，陳飛凌，費章君，等.基于節(jié)點自治的異構(gòu)視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成技術(shù)和模型研究［J］.機電工程，2011，28 （2）：212－216.］

［3］CHEN Li，ZHANG Jing.Transmission document design based on serial port definition agreement ［J］.Computer Technology and Development，2012，22 （2）：45－48 （in Chinese）. ［陳荔，張菁.基于串口自定義協(xié)議傳輸文件的設(shè)計 ［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22 （2）：45－48.］

［4］QIN Yong，PENG Huaijun，ZHU Lingxi，et al.The engineering practice of Qinghai－Tibet railway region video node interconnection platform ［J］.Chinese Railways，2012 （2）：66－69（in Chinese）.［秦勇，彭懷軍，祝凌曦，等.青藏鐵路視頻區(qū)域節(jié)點互聯(lián)互通平臺的工程實踐 ［J］.中國鐵路，2012（2）：66－69.］

［5］YI Zhongwei.Research and implementation on key technologies for integration between isomerous video monitoring systems［D］.Dalian：Dalian Maritime University，2011 （in Chinese）.［易忠偉.異構(gòu)視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn) ［D］.大連：大連海事大學，2011.］

［6］ZHOU Lizhu，LIN Ling.The framework’s research on an integrated communication system for monitoring command and video conference ［D］.Xi’an：Xidian University，2010 （in Chinese）.［周立柱，林玲.監(jiān)控、指揮和視頻會議為一體的綜合通信系統(tǒng)的架構(gòu)研究 ［D］.西安：西安電子科技大學，2010.］

［7］ZHAO Hong，SHEN Chao.Integration and uniform schedule on heterogeneous video service systems ［C］／／System Simulation Technology ＆ Application （Volume 13），2011：188－190（in Chinese）.［趙宏，申超.異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)集成與調(diào)度策略研究 ［C］／／第13屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學術(shù)年會論文集，2011：188－190.］

［8］HAN Dongdong.Design and implementation of RTSP mobile streaming proxy based on MINA framework ［J］.Computer Knowledge and Technology，2011，7 （10）：2380－2389 （in Chinese）.［韓東東.基于MINA框架的RTSP移動流媒體代理服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.電腦知識與技術(shù)，2011，7 （10）：2380－2389.］

［9］XIAO Xingquan，LI Fuxiang.Discussion on the interconnection of Sichuan power video monitoring system platforms ［J］.Telecommunications for Electric Power System，2010，34（7）：30－35 （in Chinese）. ［肖行詮，李富祥.頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺互聯(lián)互通的建設(shè)思路 ［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，34（7）：30－35.］

［10］DU Ruofei，XU Yajing，XU Huimin.Architecture design of interconnective video surveillance system ［J］.Journal of Computer Applications，2011，31 （Suppl.2）：197－199 （in Chinese）. ［杜若飛，徐雅靜，徐惠民.互聯(lián)互通視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計［J］.計算機應(yīng)用，2011，31 （Suppl.2）：197－199.］