视频监控优化传输的技术原理

智能建筑设备网里，视频监控子系统常用2Mbps码流、720P清晰度的IP摄像头，可以满足普通的楼宇安保要求。

我们对大华HF5200摄像头做码流波形分析。这里，设置其工作在2M码流，720P清晰度，每2.5秒有一个I帧，每秒20帧。采样频率是10ms，波形上的毛刺表示摄像头每10ms发出来的总流量。如图1。

 I帧：一个完整的关键帧，不需要引用其他帧。可以理解为这一帧画面的完整保留，解码时只需要本帧数据就可以完成（因为包含完整画面）。即图1中的高毛刺。

P帧：帧需要参考前一个I或P帧，其只包含和前一帧不同的信息。它表示这一帧跟之前的一个帧的差别，解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。（也就是差别帧，P帧没有完整画面数据，只有与前一帧的画面差别的数据），即图1中的低毛刺。

图1  视频监控流量波形

研究表明， 2Mbps码流、720P的IP摄像头，其码流在峰值可达50Mbps 。同一台接入交换机下联的多个摄像头地理上临近，图像上具有很大的关联性。因此接入交换机往往会出现下联的多个摄像头流量同时激增的情况。突发大流量如果交换机处理不了，就会导致丢包，表现为图像卡顿，甚至花屏。

1、下行方向 

锐捷网络通过在楼层交换机的下行方向，与摄像头联动，将超出接入交换机缓存能力的视频流量，通过PAUSE帧反压回摄像头，充分利用IP摄像头的缓存能力。

PAUSE帧是IEEE 802.3 定义的 PAUSE mechanism 机制，是标准协议。只要接入交换机和IP摄像头均支持PAUSE帧，就可以实现反压的功能。

PAUSE mechanism 机制定义的是当接收者没有能力处理接收到的报文时，为了防止报文被丢弃，接收者需要通知报文的发送者暂时停止发送报文。这一过程是通过端口收发普通的PAUSE帧来实现。

图2  PAUSE帧流量控制原理

如上图，端口Gi 0/1和Gi 0/2以1Gbps速率转发报文时，端口Fa 0/1将发生拥塞。为避免报文丢失，开启端口Gi 0/1和Gi 0/2普通流量控制功能：

当Fa 0/1在转发报文出现拥塞时，交换机B缓冲报文，当流量超过了交换机B的转发能力时，会产生丢包。这时，端口Gi 0/2向Gi 0/1发送普通PAUSE帧，通知Gi 0/1暂时停止发送报文。

Gi 0/1接收到PAUSE帧后暂时停止向Gi 0/2发送报文。暂停时间长短信息由PAUSE帧所携带。当拥塞仍然存在时，重复以上步骤，逐级反压，直至拥塞解除。

PAUSE报文格式

图3  PAUSE帧格式

如上图，即为一个PAUSE帧，目的MAC固定为01-80-C2-00-00-01；Ethertype固定为0x8808；Opcode（操作码）固定为0x0001；pause_time占两个字节大小，表示要求对方停止的时间，单位是当前传输速率传输512bit所需要的时间。

2、上行方向

锐捷网络通过在楼层交换机的上行方向，做QOS整形，对忽高忽低的码流削峰填谷，向核心/汇聚交换机输出平滑的码流，充分降低核心/汇聚交换机的瞬间处理压力。
 

图 4 接入交换机上行未做平滑，可能会给整网带来拥塞

如图4所示，假设两个接入交换机上行口平均流量各有500M，两路共1G的流量；但是在存在突发情况下，很容易就超出了1G的总带宽，会导致核心交换机上联存储的端口瞬间拥塞而导致丢包，最终影响视频播放出现延时、卡顿、马赛克等现象。

图5 接入交换机上行做平滑

如图5所示，在接入交换机上应用流控反压方案从源头上抑制突发产生，即在下联IPC的端口上开启流控功能（需要IPC也支持流控），在上联汇聚交换机的端口上进行限速平滑使得上行流量能够有一个较低较稳定的阀值，减轻上联设备带宽的压力。最终结果如图6所示：

图6 平滑流量传输

3、结论。通过对接入交换机做传输优化设计，可以确保视频监控图像不卡顿。我们在4月份武汉的全国智能建筑行业年化做的展示，也充分证明了这一点。