超高清视频监控发展面临的技术问题

超高清视频监控面临的技术问题

在安全领域，用于工厂监控安装的超高清视频监控具有非常广阔的应用前景，但只有在传输、计算能力、算法、存储、安全等几个问题解决之后，应用前景才会明朗。这阻碍了应用的解决。另一方面，传统的网络正在发生巨大的变化，计算和存储能力正在前所未有地提高，算法变得更加基于硬件和智能化，安全问题从来没有像今天这样成为国家的意志。这些都为超高清视频监控带来了光明的前景和技术突破的推动力。

1.传输问题

别墅安装超高清视频监控面临的第一个问题是传输。由于4K视频的超大分辨率，对于25fps的帧速率，在相同的编码规范下，其码率比高清视频(1080P)高4倍左右，传输要求也相应提高了几倍。即使采用先进的编码方法，如H.265，超高清视频的传输容量也不能因为色深、帧率、分辨率等的提高而被低估。在8K超高清视频时代，其传输量将呈指数级增长。因此，增加带宽，即增加端侧的吞吐量和增加中间链路的传输能力，是超高清视频监控面临的主要问题。

(1)增加端侧的吞吐量

终端是超高清视频的接收终端和发送终端。提高两端网卡的上行和下行能力非常重要。上行和下行能力受到以下因素的限制：网卡性能、缓冲区大小和调度机制、网络协议栈工作效率、超高清视频监控应用进程本身的吞吐能力、视频收发策略等。

网卡性能优化

为了保证视频传输的质量，我们计算出单个千兆卡的有效上行和下行传输速率为60%。在单个吉比特卡的情况下，对于由H.264MainProfile编码的4K超高清视频，即使其码率仅为1080P的4倍，也将接近30Mbps，因此单个吉比特网卡只能承载约20个频道的4K超高清视频。这对浏览客户端来说可能不是大问题，但对流媒体服务器来说还远远不够。因此，从千兆卡升级到万兆卡或绑定多个千兆卡以扩展上行和下行功能尤为重要。

另一方面，仓库监控安装可以完全“卸载”许多由软件完成的传输功能，如网络数据包软检查、加密解密、DPI等功能转化为硬件，这是人们熟悉的硬件卸载加速技术。通过片上系统用硬件语言设计和描述这些功能，并在片上系统中实现专用集成电路是明智的。

(2)缓冲优化

在 北京工厂监控安装的视频监控网络传输应用中，流媒体服务器占据了大部分流量。因此，提高流媒体服务的机制和性能越来越有必要。缓冲区作为网卡与操作系统和应用软件交互的中间媒介，应该得到相应的改进。

A.隔离机制：操作系统中内存页面的分配粒度是4KB，这对于超高清视频来说显然是不够的。因此，有选择地启用大内存页机制甚至巨页机制，使分配粒度达到几兆甚至1GB，从而减少内存页切换带来的系统开销，这对发送端和接收端都有重要意义。

B.直接内存存取机制：直接内存存取机制。通过DMA，可以摒弃传统的“网卡缓存-主存-CPU缓存”的传输路径，通过DMA控制器建立网卡缓存和CPU三级缓存之间的映射，实现快速数据交换。由于绕过了读写主存储器的较慢步骤，并省略了两次PCI-E总线的输入输出，读写速度将大大加快。

专业技术人员

中断响应：传统的网络协议栈驱动程序是基于网卡的中断机制。网络数据包的到达和传输由中断机制通知给上层网络协议栈，以便协议栈驱动程序可以继续处理接收和传输。

延迟的进程处理：在协议栈驱动程序响应中断后，它不包括在中断处理例程中接收或发送数据包以占用中断时间，因为中断具有更高的优先级。如果中断占用太长时间，它将影响其他优先级线程的执行。因此，中断处理例程将特定的事务性工作(如接收/发送)放入DPC(延迟进程调用)队列中，并仅在中断优先级下降时处理它，从而减少中断所占用的时间。

通用分组机制：网络协议栈是针对通用网络分组处理的，因此OSI模型中的每一层协议都会进行相应的处理和验证，更适合流量不大、分组类型不同的情况。另一方面，高清视频流媒体服务器流量大，通常以固定的协议格式和封装来传输信令消息和视频包。

上述机制在一定程度上降低了协议栈的处理效率。对于超高清视频流媒体服务器，可以通过使用改进的网络协议栈来绕过和改进传统的协议栈，例如为流媒体传输定制特殊的协议栈驱动或者为高速传输设备移植协议栈驱动。数据平面开发工具包框架是一个更好的选择。DPDK是基于英特尔X86/X64平台的网络数据包处理框架，也是一套数据包旁路处理方案。它具有高的输入输出处理速度，主要用作SDN高速交换机和路由器的转发驱动框架。它具有以下特征和机制：

A.UIO机制：UIO(UserspaceI/O)机制在内核状态空间运行一小部分驱动程序(硬中断只能在内核状态空间处理)，大部分在用户状态空间运行以实现旁路机制。

B.SIMD机制：DPDK框架以批处理模式同时处理多个网络数据包。基于矢量编程，所有网络数据包都在一个周期内处理，从而提高了处理吞吐量。

缓存优化机制：采用缓存线对齐、缓存数据预取等策略加快缓存中数据的读取和处理。

D.PDM机制：PDM(PoolModeDriver)机制放弃中断模式，根据中断轮询更改接收数据包，以避免中断开销。

e .无锁循环队列机制：支持单生产者入队、单消费者出队、多生产者入队和多消费者出队操作，提高传输效率，保证数据同步。

处理器相似性机制：通过使用处理器相似性机制来减少线程调度和切换，从而减少切换开销，从而将IO线程绑定到多个CPU核心。同时，由于线程绑定到一个固定的CPU内核，CPU缓存的命中率大大提高。

多队列机制：通过多队列网卡驱动的支持，每个队列绑定到不同的CPU内核，以满足网卡高吞吐量的需求。

H.DDIO机制：DDIO(数据方向)是英特尔提出的一项技术，它允许网卡和中央处理器通过LLC(lastllevecache)直接交换网络数据，从而绕过主内存，缩短交互过程，提高交互速度。该技术类似于直接内存存取机制，但效率高于直接内存存取。

硬件加速机制：卸载基本的重复软事务(例如，计算分析任务、分组任务、分组任务等)。)到硬件以加速处理。