超高清視頻監控發展面臨的技術問題
在安(an)(an)防(fang)領域(yu),工廠安(an)(an)裝監(jian)控(kong)的超(chao)高清(qing)(qing)視(shi)頻(pin)監(jian)控(kong)有著非(fei)常值(zhi)得(de)期待的應(ying)用(yong)前景(jing),但只有解決了阻(zu)礙應(ying)用(yong)的傳輸、算力、算法、存儲(chu)、安(an)(an)全等幾個(ge)問題之后(hou),應(ying)用(yong)的前景(jing)才會變得(de)清(qing)(qing)晰起來(lai)。另一方面,傳統網(wang)絡正在發生天(tian)翻地(di)覆的改變,計(ji)算和存儲(chu)能力空前提高,算法進一步硬件化智能化,安(an)(an)全問題也從未(wei)像今天(tian)一樣成為國家意志,凡此種種為超(chao)高清(qing)(qing)視(shi)頻(pin)監(jian)控(kong)的技(ji)術突破帶來(lai)了光明(ming)的前景(jing)和奮(fen)進的動力。
1.傳輸問題
別墅安裝超高清視頻監控面臨的第一個問題是傳輸問題。由于4K視頻超大的分辨率,對于25fps的幀率來說,在相同編碼規格下,其碼率約為高清視頻(1080P)的4倍以上,對于傳輸的要求也相應提升了數倍。即使采用H.265等較為先進的編碼方式,由于超高清視頻在色深、幀率、分辨率等方面的改進,其傳輸量也是不可小覷的。到了8K超高清視頻的時代,其傳輸量又會有成倍的增加。因此,增加帶寬,即增加端側的吞吐能力和增加中間鏈路的傳輸能力是超高清視頻監控面臨的首要問題。
(1)增加端側的吞(tun)吐(tu)能力
端即超高清視(shi)(shi)頻的(de)接收端和發送端,增加(jia)兩端的(de)網(wang)卡(ka)上下行(xing)能力極為關(guan)鍵。上下行(xing)能力受(shou)以(yi)下因(yin)素制約:網(wang)卡(ka)性能、緩(huan)沖區大小與調度機制、網(wang)絡協議棧(zhan)工作效率、超高清視(shi)(shi)頻監控應用(yong)進程本身的(de)吞吐能力、視(shi)(shi)頻接收與發送的(de)策略等(deng)。
①網卡性能優化
學校安裝監控為(wei)了(le)保證(zheng)監控視頻傳輸質量,我們以(yi)(yi)單千(qian)(qian)兆(zhao)(zhao)卡(ka)(ka)60%的(de)有效(xiao)上下(xia)行(xing)傳輸率計算(suan)。在單千(qian)(qian)兆(zhao)(zhao)卡(ka)(ka)的(de)情況下(xia),對(dui)于H.264MainProfile編碼(ma)(ma)的(de)4K超高清視頻,即使其碼(ma)(ma)率只有1080P的(de)4倍也會接近30Mbps,因此單千(qian)(qian)兆(zhao)(zhao)網(wang)卡(ka)(ka)只能(neng)承載(zai)20路左右的(de)4K超高清視頻。這對(dui)于瀏覽客戶端(duan)可能(neng)問題不大,但對(dui)于流媒(mei)體服務器是遠遠不夠的(de)。因此,從千(qian)(qian)兆(zhao)(zhao)卡(ka)(ka)升(sheng)級到萬兆(zhao)(zhao)卡(ka)(ka),或者多張(zhang)千(qian)(qian)兆(zhao)(zhao)卡(ka)(ka)綁(bang)定以(yi)(yi)擴展上下(xia)行(xing)能(neng)力就顯得(de)尤為(wei)重(zhong)要。
另一方面,倉庫(ku)安裝監控對于諸多(duo)由軟(ruan)件完(wan)成的(de)傳輸功(gong)能,例如網絡(luo)包(bao)軟(ruan)校驗、加(jia)解密、DPI等功(gong)能完(wan)全可以“卸載”到硬(ying)(ying)件中執(zhi)行,這就是(shi)我們耳熟能詳的(de)硬(ying)(ying)件卸載加(jia)速(su)技術。通過SOC的(de)方式將這些功(gong)能以硬(ying)(ying)件語言(yan)設計和描述(shu),在SOC內實(shi)現ASIC電(dian)路是(shi)一種明(ming)智之舉。
②緩沖區優化
重慶工廠安裝監控(kong)對(dui)于(yu)視頻(pin)監控(kong)的網絡傳輸應(ying)用中流(liu)媒(mei)體服(fu)務(wu)器占了流(liu)量的大頭(tou)。因此流(liu)媒(mei)體服(fu)務(wu)有針對(dui)性(xing)地改進機(ji)制和提(ti)升(sheng)性(xing)能就顯得越(yue)發必要。緩沖區作為網卡與操作系統、應(ying)用軟件交互的中間媒(mei)介理應(ying)做出相應(ying)的改進。
a.HugePage機(ji)制:操作系統中內存(cun)(cun)頁(ye)(ye)面的(de)分(fen)配粒(li)(li)度(du)是(shi)4KB,對(dui)于(yu)超高清視頻這顯(xian)然(ran)是(shi)不夠的(de),因此有選擇性(xing)地啟用大內存(cun)(cun)頁(ye)(ye)機(ji)制甚(shen)至(zhi)巨頁(ye)(ye)機(ji)制,使其分(fen)配的(de)粒(li)(li)度(du)達到(dao)若(ruo)干MB甚(shen)至(zhi)1GB,以減少內存(cun)(cun)頁(ye)(ye)倒(dao)換帶(dai)來的(de)系統開銷,這無(wu)論對(dui)于(yu)發送端還(huan)是(shi)接收端都具有很重要的(de)意義。
b.DMA機制:DMA即直接(jie)內(nei)存(cun)(cun)存(cun)(cun)取機制。通(tong)過(guo)DMA可以摒棄傳(chuan)(chuan)統(tong)的(de)“網(wang)卡緩存(cun)(cun)->主存(cun)(cun)->CPU緩存(cun)(cun)”的(de)傳(chuan)(chuan)輸路(lu)徑,轉而通(tong)過(guo)DMA控制器建(jian)立網(wang)卡緩存(cun)(cun)到CPU三級緩存(cun)(cun)之間(jian)的(de)映射實現數據的(de)快速(su)交(jiao)換。由于繞過(guo)了主存(cun)(cun)讀寫這個速(su)度較慢的(de)步驟(zou)并省略了2次PCI-E總線的(de)IO,因此讀寫速(su)度會(hui)大大加快。
③網絡協議棧優化
傳(chuan)統(tong)網絡協(xie)議棧是以內核態驅動的(de)方式(shi)存(cun)在于(yu)操作系統(tong)中(zhong)(zhong)的(de),其(qi)關(guan)鍵工作機制是中(zhong)(zhong)斷(duan)響應(ying)、延遲過程處理、通用包處理。
中斷響應(ying):傳(chuan)統網(wang)(wang)絡協議(yi)棧驅(qu)動以(yi)網(wang)(wang)卡的中斷機(ji)制(zhi)為基礎(chu),網(wang)(wang)絡包的到達和發送完成(cheng)均以(yi)中斷機(ji)制(zhi)通知上層網(wang)(wang)絡協議(yi)棧,以(yi)便協議(yi)棧驅(qu)動繼(ji)續處理接收和發送。
延(yan)遲過程(cheng)處(chu)理(li):協議棧驅動響應中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)后,并不是(shi)將包的收取或(huo)發送處(chu)理(li)包含(han)在中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)處(chu)理(li)例程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)占用中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)時間,因為中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)的優(you)先(xian)級(ji)(ji)較高,如果中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)占用的時間太長(chang)會影(ying)響其他優(you)先(xian)級(ji)(ji)線程(cheng)的執行,因此中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)處(chu)理(li)例程(cheng)將具體的收取/發送等事(shi)務性工作放在DPC(延(yan)遲過程(cheng)調用)隊(dui)列中(zhong)(zhong)(zhong),待中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)優(you)先(xian)級(ji)(ji)下(xia)降時才處(chu)理(li),這樣就減少了中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)打擾占用的時間。
通用(yong)包(bao)機制:網絡協(xie)議棧是瞄準(zhun)通用(yong)型(xing)網絡包(bao)處理的,因此對于OSI模型(xing)的每層協(xie)議都(dou)會進行相應的處理和校驗(yan),這比較(jiao)適合(he)流(liu)量不大包(bao)類(lei)型(xing)各異的情況。而在高清視(shi)頻(pin)(pin)流(liu)媒體服(fu)務器上(shang)流(liu)量較(jiao)大,且傳輸的一般為信(xin)令報文和視(shi)頻(pin)(pin)包(bao),其協(xie)議格式和封(feng)裝方式固(gu)定。
上述機制在一(yi)(yi)定程度上降低了協(xie)議(yi)棧(zhan)(zhan)的(de)處(chu)(chu)(chu)理效率(lv)。針(zhen)(zhen)對(dui)超高(gao)清視(shi)頻流(liu)媒(mei)體(ti)服(fu)務器,可以采用(yong)改進的(de)網絡協(xie)議(yi)棧(zhan)(zhan)對(dui)傳(chuan)統協(xie)議(yi)棧(zhan)(zhan)進行旁路(lu)化改進,比如定制專門針(zhen)(zhen)對(dui)流(liu)媒(mei)體(ti)傳(chuan)輸(shu)的(de)專用(yong)協(xie)議(yi)棧(zhan)(zhan)驅(qu)(qu)動(dong),或者(zhe)嫁(jia)接高(gao)速傳(chuan)輸(shu)設備的(de)協(xie)議(yi)棧(zhan)(zhan)驅(qu)(qu)動(dong)。DPDK(數據平(ping)面(mian)開發(fa)套(tao)件)框架(jia)就是一(yi)(yi)個(ge)較(jiao)好的(de)選擇。DPDK是一(yi)(yi)種基于(yu)IntelX86/X64平(ping)臺的(de)網絡數據包處(chu)(chu)(chu)理框架(jia),也是一(yi)(yi)套(tao)數據包旁路(lu)化處(chu)(chu)(chu)理的(de)方案,具(ju)有很(hen)高(gao)的(de)IO處(chu)(chu)(chu)理速度,多用(yong)于(yu)SDN高(gao)速交換機和(he)路(lu)由器的(de)轉發(fa)驅(qu)(qu)動(dong)框架(jia),具(ju)有以下特點和(he)機制:
a.UIO機制(zhi):UIO(UserspaceI/O)機制(zhi)將小部(bu)分(fen)驅動(dong)運行在內核態(tai)空(kong)間(jian)(硬中斷(duan)只(zhi)能(neng)在內核態(tai)空(kong)間(jian)處(chu)理(li)),大部(bu)分(fen)運行在用(yong)戶態(tai)空(kong)間(jian)以實現旁路(lu)化機制(zhi)。
b.SIMD機(ji)制:DPDK框架采(cai)用(yong)批量方式(shi)同(tong)時處(chu)理多個網(wang)絡數據(ju)包(bao),基于向量式(shi)編程,一個周期內對(dui)所有網(wang)絡數據(ju)包(bao)進行處(chu)理,加大了(le)處(chu)理吞吐(tu)量。
c.緩(huan)存優(you)化機制(zhi):采(cai)用Cacheline對齊、Cache數(shu)據預取(qu)(qu)等策略加(jia)快(kuai)緩(huan)存中數(shu)據的讀(du)取(qu)(qu)和處(chu)理速度。
d.PDM機制(zhi):PDM(PoolModeDriver)機制(zhi)拋棄中(zhong)斷(duan)模(mo)式(shi),改為基于中(zhong)斷(duan)+輪(lun)詢的方式(shi)收包(bao),避免了(le)中(zhong)斷(duan)開(kai)銷。
e.無鎖循環隊列機制:支持單生(sheng)產者入列、單消費(fei)者出列和多生(sheng)產者入列、多消費(fei)者出列的操作(zuo),因此可(ke)以提(ti)高傳輸效率并保證數據(ju)同步。
f.處理器(qi)親和性機(ji)制:利用處理器(qi)親和性(CPUAffinity)機(ji)制將IO線(xian)程(cheng)綁(bang)定(ding)(ding)到若干個CPU核上,以此減少線(xian)程(cheng)調(diao)度和切換從而(er)降低(di)切換開銷(xiao),同時由于線(xian)程(cheng)被綁(bang)定(ding)(ding)在固定(ding)(ding)的CPU核上,CPU緩存(cun)的命中(zhong)率大大提高。
g.多隊列機制:通過多隊列網(wang)卡(ka)驅動(dong)的支持,將(jiang)各(ge)個隊列綁定到不(bu)同(tong)的CPU核上(shang),以滿足網(wang)卡(ka)高吞(tun)吐(tu)的需求。
h.DDIO機(ji)制(zhi):DDIO(DataDirectIO)是Intel提出的(de)技術,允(yun)許網(wang)卡與CPU通過(guo)LLC(lastlevelcache)直接交換(huan)網(wang)絡數據,從而繞過(guo)主存,既縮短了(le)交互流程,也提升了(le)交互的(de)速度。該(gai)技術類似DMA機(ji)制(zhi),但比DMA具有更高的(de)效率。
i.硬(ying)件加速(su)機制:將(jiang)基礎性(xing)重復性(xing)的軟事務(wu)(例如計算分(fen)析類(lei)任(ren)務(wu)、TCP組包類(lei)任(ren)務(wu)和TCP分(fen)段任(ren)務(wu)等(deng))“卸載”給硬(ying)件完(wan)成以加快處(chu)理速(su)度(du)。
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