在安防領(lǐng)域，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
超高清視頻監(jiān)控面臨的個(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*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
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，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*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
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，因此讀寫速度會(huì)大大加快。
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)膮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。
除了網(wǎng)絡(luò)傳輸外，在視頻存儲(chǔ)領(lǐng)域亦可以采用SPDK(StoragePerformanceDevelopmentKit)框架以代替?zhèn)鹘y(tǒng)存儲(chǔ)協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)框架，SPDK不失為一種效率成倍提升的有效手段，且該框架更是當(dāng)今非常流行的軟件定義存儲(chǔ)的加速器。
④應(yīng)用進(jìn)程軟件調(diào)優(yōu)
除了上述幾種機(jī)制外，還可針對(duì)超高清視頻的特點(diǎn)對(duì)傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。例如基于視頻包封裝協(xié)議較為固定的特點(diǎn)，會(huì)話協(xié)商報(bào)文可通過(guò)傳統(tǒng)協(xié)議棧流轉(zhuǎn)，而流媒體包則通過(guò)DPDK驅(qū)動(dòng)進(jìn)行傳輸，并對(duì)DPDK進(jìn)行相應(yīng)的裁剪，只需適應(yīng)TCP、UDP、SCTP這些四層協(xié)議不同的封裝要求即可。
同時(shí)也可以其他采用軟件調(diào)優(yōu)的思路，例如：
軟件架構(gòu)采用去中心化的設(shè)計(jì)思想，盡量避免全局共享，以減少全局競(jìng)爭(zhēng)和失去橫向擴(kuò)展的能力；
在NUMA架構(gòu)下不跨Node使用內(nèi)存，以避免內(nèi)存遠(yuǎn)程訪問(wèn)；
不使用慢速API；
視頻應(yīng)用進(jìn)程不在IO線程中承擔(dān)過(guò)多任務(wù)，若無(wú)特殊要求更應(yīng)避免任何形式的阻塞。
(2)增加中間鏈路的傳輸能力
隨著5G的發(fā)展和成熟，以SDN/NFV、*6為特征的新一代網(wǎng)絡(luò)已悄然落地，這為接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和核心網(wǎng)傳輸能力的增加提供了契機(jī)，更為超高清視頻的傳輸提供了擴(kuò)容手段。
首先，*6的普及可以有效地減少NAT等傳統(tǒng)IP擴(kuò)容設(shè)備的部署，極大減少了在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的傳輸瓶頸和限制。
再者，SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))隔離了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)面和控制面，一方面解耦了軟件與硬件的綁定，更重要的是交換設(shè)備本身不再承擔(dān)找端口找路由等邏輯判斷功能，極大地釋放了交換設(shè)備的IO能力。SDN應(yīng)用層可以對(duì)超高清視頻的Qos業(yè)務(wù)進(jìn)行定制化處理，采用交換機(jī)流表項(xiàng)的方式代替了原先通過(guò)MPLS實(shí)現(xiàn)的Qos業(yè)務(wù)，省略了包封裝和解封裝的開(kāi)銷，提高了傳輸效率。
后，NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)支持在通用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)以虛擬化為載體的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)功能，進(jìn)一步釋放了通用計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算力。
2.算力問(wèn)題
對(duì)于超高清視頻監(jiān)控而言，算力問(wèn)題就是編解碼的效率問(wèn)題。由于巨大的分辨率，即使采用H.265的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷亦是不可忽視的。但提高壓縮標(biāo)準(zhǔn)必然帶來(lái)編碼端與解碼端“編”和“解”的算力開(kāi)銷。在此我們重點(diǎn)討論一下解碼能力。
針對(duì)普通的解碼端(包括解碼器、PC端、移動(dòng)端與機(jī)頂盒端等)，在當(dāng)前的配置下解碼4K甚至8K超高清視頻是非常吃力的，這主要由以下原因造成：
(1)超高清視頻源本身壓縮標(biāo)準(zhǔn)、碼率、分辨率、幀率都非常高，由此帶來(lái)了解碼與時(shí)間同步等問(wèn)題的壓力也很大。
(2)大部分解碼端性能都不是特別高，配置專門的高性能顯卡非常昂貴。特別是移動(dòng)端算力尚顯單薄的情況下，高負(fù)荷的解碼壓力勉為其難。
(3)操作系統(tǒng)對(duì)于超高清視頻解碼后的渲染事務(wù)尚未擔(dān)負(fù)起相應(yīng)的責(zé)任，除了硬件上的優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)軟件特別是顯卡驅(qū)動(dòng)與顯示框架的優(yōu)化也非常重要。
鑒于以上原因，在處理超高清視頻時(shí)，可以有針對(duì)性地對(duì)解碼端進(jìn)行性能加固。
•配置高性能顯卡是直接有效的手段。例如Nvidia的顯卡對(duì)于解碼與編碼均具備廣泛的加速支持，GPU性能和并行計(jì)算能力也非常強(qiáng)悍。尤其是顯卡本身的驅(qū)動(dòng)較好地處理了顯存與主存之間的IO交互，使得解碼與渲染可以處于同一個(gè)渲染管線環(huán)境，更加速了超高清視頻的處理速度。
•基于專有廠家芯片的編解碼加速支持也是一個(gè)非常好的選擇，這種方案也是片上系統(tǒng)解碼+渲染的方案。例如Intel針對(duì)其核芯顯卡的QSV(高速圖像同步轉(zhuǎn)碼技術(shù))加速技術(shù)就是基于普通的被封裝到CPU芯片中的HDGraphics系列核芯顯卡的。這種方式可以在一定程度上提高超高清視頻的解碼處理能力。
•對(duì)于操作系統(tǒng)顯示驅(qū)動(dòng)體系的軟件改進(jìn)是超高清視頻渲染加速的有效手段。例如針對(duì)Windows新的圖形驅(qū)動(dòng)模型WDDM(WindowsDisplayDriverModel)的渲染改進(jìn)與加速，特別是針對(duì)DirectDraw基礎(chǔ)庫(kù)(主要用于播放視頻)的硬件加速支持，也是一個(gè)不容忽視的方面。
現(xiàn)階段支持軟解碼的主流開(kāi)源庫(kù)是FFMPEG，而FF對(duì)于編解碼的硬件加速也有很好的支持。例如對(duì)于IntelQSV技術(shù)的支持已經(jīng)融入到FF中(集成了Intel的MediaSDK)并體現(xiàn)出了良好的性能(解碼時(shí)顯存占用會(huì)稍大)。而FFmpegCUVID(基于CUDA的視頻解碼庫(kù))/NVECN/CUDA部分也分別集成了支持硬件加速的解碼、編碼以及部分CUDA加速的諸如Scaling這樣的過(guò)濾器機(jī)制。
除此之外，還有若干種獨(dú)立于平臺(tái)的優(yōu)化方案，包括：
OpenMax：這是由KhronosGroup制定的開(kāi)放多媒體加速器，包括音頻、視頻和圖像處理的全套API。使用時(shí)無(wú)需關(guān)注底層邏輯，減少了流媒體軟件的設(shè)計(jì)流程，易于擴(kuò)展，且*免費(fèi)。
Vulkan：這是由KhronosGroup制定的下一代開(kāi)放的圖形顯示API，與OpenGL相比具有更簡(jiǎn)單的顯示驅(qū)動(dòng)層，同時(shí)支持跨平臺(tái)特性、多線程特性和預(yù)編譯的Shaders。
OpenCL：作為異構(gòu)高性能計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)框架，OpenCL提供了基于任務(wù)和基于數(shù)據(jù)兩種并行計(jì)算機(jī)制，不僅于圖形計(jì)算。不過(guò)FFMPEG僅僅優(yōu)化了AVFilter(過(guò)濾框架)部分，主要用于硬件加速轉(zhuǎn)碼的場(chǎng)景下。
除了解碼和渲染，還要考慮播放問(wèn)題。例如4K超高清視頻播放需要HDMI1.4a及以上的接口，HDMI1.4支持10.2Gbps的帶寬，只夠支持24fps、25fps、30fps的UHD4K的播放。因此未來(lái)要加快發(fā)展大帶寬達(dá)到18Gbps、可播放4K分辨率和3D視頻的HDMI2.0標(biāo)準(zhǔn)。
3.安全問(wèn)題
安全問(wèn)題并不是超高清視頻監(jiān)控領(lǐng)域*的問(wèn)題，所有信息技術(shù)領(lǐng)域均須重視各種安全問(wèn)題。安全問(wèn)題可分為以下幾個(gè)領(lǐng)域：系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用安全。對(duì)于超高清視頻監(jiān)控我們需要關(guān)注以下內(nèi)容。
(1)系統(tǒng)安全
面臨服務(wù)器硬件、操作系統(tǒng)和監(jiān)控終端的三重安全威脅。對(duì)于服務(wù)器系統(tǒng)，幽靈(Spectre)與熔斷(Meltdown)作為處理器的巨大漏洞雖然已被修復(fù)，但是包括修復(fù)補(bǔ)丁在內(nèi)還有多少處理器的0-Day漏洞尚未可知。操作系統(tǒng)的漏洞就更多了，2017年爆發(fā)的“永恒之藍(lán)”系列漏洞直接被黑客利用開(kāi)發(fā)出了Wannacry*，可怕場(chǎng)景至今歷歷在目。而對(duì)于監(jiān)控終端，其操作系統(tǒng)日益開(kāi)源化、處理器平臺(tái)日益通用化，這也為各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、工控設(shè)備的Rootkit入侵提供了便利。
針對(duì)上述情況，除了要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行安全加固外，還要針對(duì)監(jiān)控終端的操作系統(tǒng)進(jìn)行全流程控制。可以采用可信計(jì)算的思想對(duì)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)進(jìn)行安全度量。例如CPU芯片中植入可信計(jì)算基TCB，在系統(tǒng)啟動(dòng)的不同階段進(jìn)行層層嵌套式的安全度量。
1)BIOS以芯片中的TCB為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行度量；
2)BIOS可信后以上述度量結(jié)果為新的TCB度量主引導(dǎo)區(qū)MBR；
3)MBR可信后以上述度量結(jié)果為新的TCB度量活動(dòng)分區(qū)OBR。
如此層層度量，雖然啟動(dòng)會(huì)略慢，但從一定程度上加固了服務(wù)器和終端的操作系統(tǒng)安全，是值得也是必要的。
(2)數(shù)據(jù)安全
GB35114作為視頻監(jiān)控領(lǐng)域數(shù)據(jù)安全的*和探路人，已經(jīng)開(kāi)始在行業(yè)內(nèi)實(shí)踐落地，并已開(kāi)始構(gòu)筑生態(tài)體系。對(duì)于超高清視頻監(jiān)控，符合GB35114規(guī)范的B級(jí)和C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)必然意味著更大的加解密算力需求。特別是對(duì)于C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)視頻內(nèi)容本身的加解密，其開(kāi)銷十分巨大。
基于此，要研究針對(duì)超高清視頻本身的數(shù)據(jù)安全機(jī)制。對(duì)于加解密的算力需求，應(yīng)將其“卸載”到專有芯片(例如ASIC)中實(shí)現(xiàn)。針對(duì)非對(duì)稱型加密機(jī)制，亦可通過(guò)硬件+軟件的方式共同實(shí)現(xiàn)。同時(shí)也可以采用約定的方式抽取若干視頻幀進(jìn)行加解密以降低算力開(kāi)銷。
(3)網(wǎng)絡(luò)安全
在超高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，要加強(qiáng)抵御DDOS攻擊的能力和手段，增加數(shù)據(jù)擺渡和校驗(yàn)機(jī)制。特別是在超高清視頻流量巨大的情況下，這對(duì)于數(shù)據(jù)擺渡設(shè)備是一個(gè)重大考驗(yàn)。除此之外，通過(guò)回聲技術(shù)的攝像機(jī)的安全準(zhǔn)入系統(tǒng)也應(yīng)視情況部署和使用。
(4)應(yīng)用安全
在視頻監(jiān)控領(lǐng)域也應(yīng)重視應(yīng)用軟件本身的漏洞和防護(hù)。針對(duì)緩沖區(qū)溢出漏洞、數(shù)字溢出漏洞、惡意模塊注入、SQL注入漏洞、Bypass漏洞等要有檢測(cè)和防護(hù)的措施，以保證整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定，不能讓這些漏洞成為信息系統(tǒng)中病毒與APT(可持續(xù)威脅)傳播的跳板。
