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一種實用的基于VPN的遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
摘要：結(jié)合一套專門為企業(yè)制作的遠程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)過程，從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需求開始，逐步闡述了一種實用的基于ＶＰＮ的遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)。關(guān)鍵詞：虛擬專用網(wǎng)（VPN） 遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)字硬盤錄像?DVR 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸
近年來，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其控制靈活、信息容量大、存儲和檢索便利等優(yōu)點逐步取代了傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于安防、監(jiān)控、質(zhì)檢等方面。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、普及和網(wǎng)絡(luò)帶寬的迅速擴大，視頻監(jiān)控又逐漸產(chǎn)生了新的需求，即將數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在現(xiàn)場監(jiān)控主機無人職守情況下，實現(xiàn)局域網(wǎng)或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ遠程監(jiān)控的功能。這樣，將監(jiān)控信息從監(jiān)控中心釋放出來?提高了管理水平和效率。但在通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ遠程訪問視頻監(jiān)控服務(wù)?傳統(tǒng)的遠程訪問技術(shù)體現(xiàn)功能不足，無法保證監(jiān)控所需的保密性和速度性的要求。ＶＰＮ?Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｉｖａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）技術(shù)的出現(xiàn)，改變了這一局面。通過使用ＶＰＮ的隧道和加密技術(shù)，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在虛擬企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中安全和便利的傳播。本文將結(jié)合一套為企業(yè)制作的遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，介紹一種實用的基于ＶＰＮ的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個部門，對視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸開發(fā)有很高的參考價值。
圖1 用于VPN的IP-in-IP土封裝傳輸原理
１ 遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求
本系統(tǒng)是一套專門為企業(yè)制作的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在工程實施過程中，需要提供遠程監(jiān)控（實時圖像傳輸和遠程操作）功能。具體地講，就是利用不同的方式（如拔號上網(wǎng)、局域網(wǎng)等方式）進行單路及多路遠程監(jiān)控，用戶在遠程的監(jiān)控中心可以很方便地通過網(wǎng)絡(luò)了解各網(wǎng)點的基本情況、各路狀態(tài)控制、云臺控制、傳輸文件、遠程解密。工程中將要完成對４００余路視頻的處理，整個工程將配置２０～３０臺數(shù)字硬盤錄像機。具體要求：（１）本地主機通過局域網(wǎng)訪問本地的任意一臺視頻服務(wù)器；（２）遠程傳輸必須實時、可靠，必須保證視頻數(shù)據(jù)的高速和可靠傳輸。根據(jù)實際需要可以申請ＤＤＮ，并在價格合適的條件下同時兼顧ＡＤＳＬ、ＰＳＴＮ和 ＤＤＮ等三種連接方式；（３）遠程接入終端通過遠程撥號?Ｒｅｍｏｔｅ Ｄｉａｌ?方式透過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ訪問本地局域網(wǎng)的任意一臺視頻服務(wù)器? 最多可同時連接１６臺本地視頻服務(wù)器；（４）在工程中傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)可以定性為非高保密數(shù)據(jù)，在上層的系統(tǒng)軟件中完成加密和必要的合法驗證，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中可以不特意選擇高性能的防火墻；（５）遠程接入終端透過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 對本地局域網(wǎng)的訪問對上層系統(tǒng)是絕對透明的，從某種意義來說，上層系統(tǒng)可以根據(jù)指定的局域網(wǎng)ＩＰ 地址來訪問任何一臺本地視頻服務(wù)器。
采用方案分析：(１)對于速度要求，可以采用ＤＤＮ專線、ＡＤＳＬ或?qū)淼膶拵鬏敿夹g(shù)；(２)價格要求，最廉價的方式是使用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ進行數(shù)據(jù)傳輸?但這必然涉及到數(shù)據(jù)保密性的要求；（３）網(wǎng)絡(luò)安全性問題，遠程主機的接入身份驗證和驗證身份的數(shù)據(jù)必須加密，視頻數(shù)據(jù)可以根據(jù)需求加密；（４）遠程訪問，需要視頻服務(wù)器提供允許遠程接入的能力, 需要進行ＲＡＳ配置；（５）訪問透明性要求，上層系統(tǒng)只需要設(shè)計成簡單的兩步架構(gòu)，用戶指定視頻服務(wù)器ＩＰ－－－－＞監(jiān)控指定ＩＰ的視頻，無需涉及網(wǎng)絡(luò)連接的具體實現(xiàn)過程,無需用代碼實現(xiàn)遠程連接的過程?。
鑒于以上需求，可以采用ＶＰＮ＋ＡＤＳＬ方案，這是一個切實可行且成本低廉的方案。能夠提供速度及企業(yè)移動用戶（ｍｏｂｉｌｅ ｕｓｅｒ）的安全便利接入、數(shù)據(jù)保密性、客戶遠程訪問透明性的需求.以下將介紹構(gòu)架ＶＰＮ的基本原理, 以及本系統(tǒng)的具體實現(xiàn)構(gòu)架。
圖2 Internet網(wǎng)上VPN應(yīng)用與局域網(wǎng)內(nèi)部VPN應(yīng)用
２ ＶＰＮ介紹
２．１ ＶＰＮ的概念
隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與使用的擴大和廣泛化，通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ傳輸保密數(shù)據(jù)的安全性需求日益提上議程。分布式企業(yè)想在處于不同地域的部門之間安全傳遞數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的方法是使用租用線路將各部門的私有網(wǎng)絡(luò)相連，并使用租用線路進行內(nèi)部通訊。該方案的主要缺點在于租用線路價格昂貴。一種新的降低成本的途徑是允許單位配置ＶＰＮ技術(shù)，不用任何租用線路? 通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ傳輸加密數(shù)據(jù)，這樣可以把線路費用降到最低。該技術(shù)通過隧道和加密技術(shù)達到類似私有網(wǎng)絡(luò)的安全數(shù)據(jù)傳輸功能?有著非常廣闊的應(yīng)用前景。它具有以下優(yōu)點：
(１)費用低--ＶＰＮ使用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ進行數(shù)據(jù)傳輸?免去了昂貴的專線費用? 只須添加支持ＶＰＮ的上網(wǎng)設(shè)備。
（２)保密性--ＶＰＮ使用了加密技術(shù)? 保證了通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/font>
(３)私有性--連接上ＶＰＮ服務(wù)器的客戶就像在使用局域網(wǎng)一樣。使用局域網(wǎng)內(nèi)部ＩＰ地址就可以訪問整個ＶＰＮ中的所有主機。
２．２ ＶＰＮ的基本工作原理
針對ＶＰＮ實現(xiàn)的幾個優(yōu)點，ＶＰＮ主要使用了隧道傳輸,ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ,技術(shù)和加密,ｅｎｃｒｙｐｔｉｎｇ,技術(shù)。為了
實現(xiàn)保密性, ＶＰＮ把外發(fā)的數(shù)據(jù)報加密傳輸。對于私有性，ＶＰＮ使用隧道技術(shù), 定義了兩個網(wǎng)點的路由器之間通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的一個隧道, 并使用ＩＰ－ｉｎ－ＩＰ封裝通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報。其基本原理如圖１所示，為了確保保密性?內(nèi)層數(shù)據(jù)經(jīng)過加密。
圖１中，ＶＰＮ授權(quán)主機Ａ發(fā)給主機Ｂ的整個內(nèi)層數(shù)據(jù)報,包括首部,在被封裝前進行了加密。當(dāng)數(shù)據(jù)報通過隧道到達ＶＰＮ服務(wù)器時, ＶＰＮ服務(wù)器將數(shù)據(jù)區(qū)解密, 還原出內(nèi)層數(shù)據(jù)報, 然后轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報給主機Ｂ。對Ａ和Ｂ而言, 它們之間的數(shù)據(jù)傳輸過程是透明的。Ａ要發(fā)送的原始信息包的目的地址就是Ｂ, 用戶并無覺察數(shù)據(jù)經(jīng)過打包交由ＶＰＮ服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給Ｂ, 反之亦然。感覺上Ａ和Ｂ之間存在一條虛擬的加密直達鏈路�？傊�,ＶＰＮ通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ傳輸數(shù)據(jù), 但對網(wǎng)點間傳輸進行加密,以保證保密性。
市面上的ＶＰＮ方案繁多?但都包含了三個基本元素：（１）授權(quán)：ＶＰＮ服務(wù)器對遠程接入終端進行授權(quán)接入ＶＰＮ,（２）加密：遠程接入終端發(fā)送的數(shù)據(jù)加密后才通過非私有網(wǎng)傳輸；（３）隧道：遠程接入終端發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝?由ＶＰＮ服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。
２．３ ＶＰＮ的主要應(yīng)用
設(shè)計ＶＰＮ的初衷在于使用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ安全傳遞數(shù)據(jù)? 此外ＶＰＮ也提供了對移動用戶和漫游用戶的支持?這是ＶＰＮ能迅速推廣和被運用的主要原因。在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)上的ＶＰＮ應(yīng)用及使用步驟，如圖２上部所示?圖中的ＰＰＴＰ是ＶＰＮ的一種實現(xiàn)方案?。遠程主機可以有三種方法通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ向ＶＰＮ服務(wù)器請求ＶＰＮ服務(wù)。同理，如圖２下部，在局域網(wǎng)內(nèi)部，主機Ａ的加密數(shù)據(jù)報也可以由ＶＰＮ服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給主機Ｂ，實現(xiàn)Ａ到Ｂ的保密傳輸。
圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
３ 遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
３．１網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案
出于系統(tǒng)的設(shè)計要求和ＶＰＮ的優(yōu)點，本系統(tǒng)采用ＶＰＮ方案來構(gòu)架遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在工程設(shè)施中，采用預(yù)裝了ＶＰＮ協(xié)議組的路由器作為ＶＰＮ服務(wù)器。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖３所示。
若不采用傳統(tǒng)的遠程訪問方案，要使遠程用戶訪問視頻服務(wù)器?必須給每臺視頻服務(wù)器配置ＲＡＳ協(xié)議?接受傳入的訪問?? 并在遠程訪問終端上添加所有要訪問的視頻服務(wù)器的撥號連接? 每訪問一臺視頻服務(wù)器都須撥號一次? 非常麻煩；但采用了ＶＰＮ方案? 遠程用戶只需撥號訪問ＶＰＮ服務(wù)器一次?就與本地所有的視頻服務(wù)器構(gòu)成一個虛擬的局域網(wǎng)?可以使用局域網(wǎng)ＩＰ地址直接訪問任意的視頻服務(wù)器?大大減小了遠程訪問連接的開銷? 方便了用戶和上層軟件系統(tǒng)的設(shè)計?只需要設(shè)計成局域網(wǎng)訪問方案就可以了?，并做到安全通訊。
３．１．１ ＶＰＮ路由器／局域網(wǎng)內(nèi)部主機／遠程訪問主機的配置
當(dāng)前ＶＰＮ行業(yè)使用四個標(biāo)準(zhǔn)：點到點隧道協(xié)議ＰＰＴＰ?Ｐｏｉｎｔ－ｔｏ－Ｐｏｉｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ?，第２層發(fā)送協(xié)議?Ｌ２Ｆ?，第２層隧道協(xié)議?Ｌ２ＴＰ?，ＩＰ安全性?ＩＰｓｅｃ?。由于本系統(tǒng)中使用的所有主機都是基于ＷｉｎｄｏｗＮＴ系統(tǒng)? 出于協(xié)議兼容性考慮?本系統(tǒng)ＶＰＮ方案主體采用微軟的ＰＰＴＰ協(xié)議構(gòu)架。
（１）本系統(tǒng)采用ＶＰＮ路由器，它內(nèi)置了Ｗｅｂ服務(wù)器? 用戶可以直接訪問其Ｗｅｂ服務(wù)器進行路由器配置。例如?預(yù)先向ＩＳＰ申請了靜態(tài)的ＩＰ地址２０２．１６８．２５．１? 可以直接在瀏覽器地址欄中輸入ｈｔｔｐ?／／２０２．１６８．２５．１?８０訪問網(wǎng)頁，輸入用戶帳戶和密碼后進入設(shè)置界面，對路由器進行如下配置：在ＶＰＮ協(xié)議配置頁面中?選擇“自動選用ＶＰＮ協(xié)議”，并采用加密傳輸選項；在訪問頁面? 設(shè)置加入ＶＰＮ的用戶名和密碼? 用于為遠程客戶授權(quán)加入ＶＰＮ；過濾數(shù)據(jù)包?令ＶＰＮ路由器只處理ＶＰＮ數(shù)據(jù)包，其他數(shù)據(jù)包丟棄，以減少網(wǎng)絡(luò)流量。
（２）本地訪問主機Ｂ和視頻服務(wù)器處于同一局域網(wǎng)內(nèi)部? 無需其他附加的協(xié)議。
（３）遠程訪問主機Ａ想通過ＶＰＮ方案訪問局域網(wǎng)內(nèi)的所有視頻服務(wù)器。需要有連接上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的設(shè)備?如ＡＤＳＬ、ＩＳＤＮ、ＰＳＴＮ?；需要安裝ＲＡＳ協(xié)議以連接上ＶＰＮ服務(wù)器；需要安裝ＰＰＴＰ協(xié)議以與ＶＰＮ服務(wù)器通訊并構(gòu)架ＶＰＮ。
３．１．２ 系統(tǒng)工作流程
（１）２５臺視頻服務(wù)器通過１００Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)交換機連接組成局域網(wǎng)? 每部監(jiān)控視頻服務(wù)器?數(shù)字硬盤錄像機?通過４張ＰＣＩ 板卡可以直接連接１６個攝像機并完成視頻的實時采集、壓縮和寫盤工作。系統(tǒng)中共有２５×１６＝４００路實時視頻信號資源。
（２）在特定時段內(nèi)（可在系統(tǒng)中由用戶設(shè)置，可以設(shè)置為非監(jiān)控時段），監(jiān)控服務(wù)器將記錄在本機的視頻數(shù)據(jù)資料發(fā)送給回放視頻服務(wù)器存檔，供日后檢索使用。授權(quán)用戶可以訪問監(jiān)控視頻服務(wù)器獲取實時監(jiān)控視頻，也可以訪問回放視頻服務(wù)器獲取回放視頻資料。
（３）在局域網(wǎng)內(nèi)部?例如主機Ｂ可以直接訪問局域網(wǎng)內(nèi)部的任何一臺視頻服務(wù)器。
（
４）局域網(wǎng)通過ＶＰＮ路由器與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相連?為授權(quán)移動用戶?ｍｏｂｉｌ ｕｓｅｒ?提供遠程訪問的能力。遠程移動用戶Ａ可以在任何地方先使用ＡＤＳＬ、ＩＳＤＮ或ＰＳＴＮ向ＩＳＰ請求連接上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ?再使用ＰＰＴＰ協(xié)議請求連接上私有局域網(wǎng)的ＶＰＮ路由器?預(yù)裝了ＶＰＮ相關(guān)協(xié)議?；ＶＰＮ路由器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的授權(quán)名單? 校驗授權(quán)用戶，若校驗通過? 則與遠程主機Ａ建立一條ＶＰＮ隧道供傳輸數(shù)據(jù)? 并將主機加入到虛擬專用網(wǎng)ＶＰＮ中；此后主機Ａ可以使用私有局域網(wǎng)內(nèi)部的ＩＰ地址訪問私有局域網(wǎng)中的任意一臺監(jiān)控或回放視頻服務(wù)器。
３．２ 軟件架構(gòu)方案
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應(yīng)用層軟件開發(fā)主要使用兩種方案進行數(shù)據(jù)傳輸：傳輸控制協(xié)議ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｌａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議ＵＤＰ?Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ?。ＴＣＰ采用丟幀重發(fā)的方法來提供有可靠保障的數(shù)據(jù)流服務(wù)，ＵＤＰ提供“盡最大可能地交付”高效小時延但不可靠的數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)。根據(jù)它們各自的特點，可以使用ＴＣＰ傳輸有質(zhì)量要求的控制命令，且用ＵＤＰ迅速傳輸大量的音視頻數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)作如下設(shè)計：在可靠性要求比較嚴格的地方使用ＴＣＰ傳輸數(shù)據(jù)，包括服務(wù)器信息收集、各路狀態(tài)控制、云臺控制、傳輸文件、遠程解密等；同時在速度要求比較嚴格的地方--實時視頻傳輸中使用ＵＤＰ。遠程監(jiān)控最大的一個問題是實時性，而實時性最大的障礙就是網(wǎng)絡(luò)傳輸時延問題。在這種情況下應(yīng)該選用ＵＤＰ傳輸視頻圖像，對用戶來說，一定程度的數(shù)據(jù)丟失和次序錯誤并不是大問題，上一幀的丟失不會影響到下一幀。用戶寧愿接受有一定丟幀的實時視頻圖像，也不愿意接受沒有丟幀的具有累加時延的滯后視頻圖像。若采用ＴＣＰ，ＴＣＰ固有的傳錯傳丟重發(fā)機制本身就加重了視頻傳輸?shù)臅r延。在具體編程中可以通過ＷｉｎＳｏｃｋ來使用ＴＣＰ和ＵＤＰ協(xié)議提供的功能。
整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)各部分功能及數(shù)據(jù)流向如圖４所示。
圖4 系統(tǒng)總體功能模型
３．３ 系統(tǒng)評價及應(yīng)用前景
作者使用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６實現(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過測試能實際達到的效果：
（１）速度：局域網(wǎng)（１００Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)）內(nèi)部可以達到實時傳輸１６路×２３幀／每秒ＣＩＦ圖像的要求。廣域網(wǎng)實用ＡＤＳＬ可以達到２路×２３幀／每秒ＣＩＦ圖像的要求，并可以使用通道輪轉(zhuǎn)技術(shù)實時監(jiān)控１６路視頻的能力。
（２）遠程訪問的安全性：由于在ＶＰＮ服務(wù)器上設(shè)置了遠程訪問企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的用戶權(quán)限，并使用ＶＰＮ的安全用戶訪問方式（如RADIUS遠程驗證撥號用戶服務(wù)），保證了用戶保密資料的傳輸。
（3）訪問方便：遠程連接時，在連接上企業(yè)的VPN服務(wù)器后，用戶感覺上就處于一個虛擬的企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)中，其后操作都與局域網(wǎng)操作致。用戶可任意訪問任意臺視頻服務(wù)器的任意個視頻通道。
該系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)在多個銀行和企業(yè)部門中使用，其實用性和易操作性受到客戶的好評。該系統(tǒng)對于視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸開發(fā)有很高的參考價值。
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