基于單播模式下航海安全圖像卡頓問題分析及解決方案

李翔 崔勇 焦重波

摘要：組播通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)中，其相比單播和廣播在特定的通信條件下更能節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。本文針對航海安全圖像業(yè)務(wù)在單播模式下終端出現(xiàn)卡頓、花屏的現(xiàn)象，提出使用組播技術(shù)傳輸圖像以減少服務(wù)器負(fù)荷的解決方案，并在航海安全系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航海安全電視；網(wǎng)絡(luò)帶寬；組播；Igmp-snooping

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）20-0040-02

航海安全電視系統(tǒng)應(yīng)用于某船室內(nèi)外監(jiān)控功能，有效地保證了船舶及人員安全。但航海安全圖像系統(tǒng)在使用過程中多次出現(xiàn)卡頓、花屏等現(xiàn)象。本文總結(jié)了基于組播技術(shù)實現(xiàn)視頻圖像傳輸，有效解決了圖像卡頓及花屏等問題。

1 航海安全電視系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

航海安全電視系統(tǒng)主要用于監(jiān)視海況環(huán)境、室內(nèi)外設(shè)施等場景圖像的攝取、傳輸和顯示。系統(tǒng)由中心管理服務(wù)器、錄像存儲回放服務(wù)器、IPSAN存儲陣列、室內(nèi)、外攝像頭、客戶端等組成，如圖1所示。航海安全電視服務(wù)器主要提供設(shè)備接入服務(wù)、媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、中心管理服務(wù)及錄像存儲等服務(wù)。設(shè)備接入服務(wù)主要完成對終端設(shè)備的接入服務(wù)和管理；中心管理服務(wù)主要完成航海安全電視系統(tǒng)的管理。

1.2 圖像傳輸工作原理

用戶向中心管理服務(wù)發(fā)送觀看視頻圖像的請求，中心管理服務(wù)判斷用戶是否有權(quán)限觀看該圖像，如果沒有權(quán)限則拒絕，否則將用戶的視頻圖像請求轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備接入服務(wù)，設(shè)備接入服務(wù)再將視頻圖像請求發(fā)送給攝像機，最后將視頻數(shù)據(jù)逐級返回給客戶端，用戶得以通過客戶端正常觀看圖像，如圖2 所示。

2 航海安全電視圖像卡頓的問題分析及解決方案

2.1 故障現(xiàn)象

某船航渡期間，部分航海安全電視監(jiān)控終端出現(xiàn)階段性畫面卡頓、花屏等現(xiàn)象，并對監(jiān)控終端進行維護，故障現(xiàn)象依舊存在。

2.2 原因分析

航海安全電視采用單播傳輸體制，系統(tǒng)為每個需求該信息的用戶單獨建立一條數(shù)據(jù)傳送通路，并為該用戶發(fā)送一份獨立的拷貝信息。如果有10個用戶通過單播方式播放同一路視頻，服務(wù)器將發(fā)送10路相同的數(shù)據(jù)流。同時，監(jiān)控終端每多申請一路畫面，均要向中心服務(wù)器發(fā)送一次請求。目前某船有8臺監(jiān)控終端，平均每臺監(jiān)控終端提供9路監(jiān)視畫面，每路畫面?zhèn)鬏斔俾始s4M。因此中心服務(wù)器向外發(fā)送的數(shù)據(jù)流量將達(dá)到8*9*4=288Mbit/s。服務(wù)器數(shù)據(jù)處理量過大可能是導(dǎo)致圖像卡頓的原因。

為驗證上述猜測，將視頻碼率由4M降至2M，并關(guān)閉1臺客戶端。此時畫面卡頓現(xiàn)象消失。

通過上述方法解決了圖像卡頓問題，但降低碼率導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降；同時限制客戶端數(shù)量，系統(tǒng)的拓展性降低。因此需尋求新的解決方法。

2.3 解決方案

為從根本上解決問題，提出了組播技術(shù)的應(yīng)用，將航海安全圖像業(yè)務(wù)由單播改成組播。組播其基本原理為同樣的數(shù)據(jù)只需在源主機方發(fā)送一份，而位于同一組播組內(nèi)的主機都可以收到同樣的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中其他主機不能收到。因此傳輸體制從單播改為組播模式，服務(wù)器只需向系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控終端提供現(xiàn)有視頻路數(shù)的圖像。

2.3.1 航海安全電視端組播配置

在航海安全電視系統(tǒng)的系統(tǒng)管理中心里，首先為航海安全電視系統(tǒng)開啟平臺組播功能，允許客戶端以組播的方式接受音視頻，其次為系統(tǒng)設(shè)置組播基地址及組播協(xié)議，系統(tǒng)會從設(shè)置的組播基地址開始自動為設(shè)備分配組播地址，我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)置的是任意源的協(xié)議及地址。如圖3所示，以上即為在服務(wù)器處的配置。

根據(jù)IP地址分配方案，為每一個航海安全電視客戶端用戶處配置一個VLAN 500下的IP地址，并設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

2.3.2 GPON系統(tǒng)ONU組播配置

通過在航海安全電視系統(tǒng)的承載網(wǎng)的GPON網(wǎng)管進行配置，首先我們需要給每一個ONU下的航海安全電視客戶端用戶選擇一個線路模板，并為系統(tǒng)單獨增加一個VLAN，將所有客戶端用戶劃分在同一VLAN里，最后將每一個用戶設(shè)置成組播用戶。

2.3.3交換機端組播配置

為啟用組播技術(shù)，需要在業(yè)務(wù)承載網(wǎng)的交換機上開啟相應(yīng)組播配置。配置方法如下：

a.在所有交換機全局使能組播；

b.在匯聚交換機圖像業(yè)務(wù)所在vlan的三層接口下開啟pim sm以及igmp，指定igmp版本為V3。

2.3.4出現(xiàn)問題及解決方法

航海安全電視改成組播業(yè)務(wù)后，圖像卡頓故障解決，但是由于配置不全，引發(fā)出以下兩個問題，隨即對出現(xiàn)問題進行解決。

1）GPON的ONU下客戶端用戶無法同時觀看8路以上不同圖像。

在使用過程中，發(fā)現(xiàn)在客戶端處用戶無法同時觀看8路以上不同的圖像。經(jīng)實驗得出，直接連接交換機的用戶可以同時觀看8路以上不同圖像，并未受路數(shù)限制，而連接ONU下的用戶存在這個問題，通過檢查分析，發(fā)現(xiàn)在配置ONU時，ONU參數(shù)設(shè)置中的同時觀看路數(shù)默認(rèn)設(shè)置為8，于是將其修改成范圍內(nèi)最大值32，經(jīng)驗證問題解決。

2）組播數(shù)據(jù)在VLAN下廣播，導(dǎo)致岸端圖像業(yè)務(wù)出現(xiàn)卡頓。

接收岸端圖像時，發(fā)現(xiàn)岸端圖像傳輸存在視頻卡頓現(xiàn)象。隨即組織問題排查，首先檢查設(shè)備參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)連通性，均正常，于是在接入交換機上進行端口檢測，查看該端口詳細(xì)信息，如圖4所示。在末行顯示Output bandwidth utilization：100%，說明該端口出方向占用率過高，端口數(shù)據(jù)流異常，導(dǎo)致端口堵塞。

通過對此端口配置鏡像口，用wireshark進行抓包分析，發(fā)現(xiàn)端口收到的80M以上的數(shù)據(jù)流為航海安全電視圖像的組播數(shù)據(jù)。由此可知航海安全電視圖像組播報文在以廣播方式給同一個VLAN里的其他端口發(fā)送組播數(shù)據(jù)，從而造成百兆端口滿負(fù)荷工作。而岸端圖像和航海安全圖像沒有隊列優(yōu)先之分，因此接收圖像時出現(xiàn)隊列丟包現(xiàn)象，從而導(dǎo)致岸端圖像出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

為了避免造成端口堵塞，于是采用IGMP Snooping技術(shù)解決此問題。IGMP Snooping是實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層組播的一種解決方案。配置IGMP Snooping后，二層設(shè)備通過對上游三層設(shè)備和下游用戶之間的IGMP報文進行分析，為端口和組播MAC地址建立映射關(guān)系，并根據(jù)映射關(guān)系，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層組播數(shù)據(jù)的按需轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)二層設(shè)備沒有運行IGMP Snooping時，組播數(shù)據(jù)在二層會被廣播；而運行IGMP Snooping后，已知組播組的組播數(shù)據(jù)不會在二層被廣播，而在二層被組播給指定的接收者。于是在接收岸端圖像的接入交換機開啟IGMP Snooping。

開啟后，組播數(shù)據(jù)在二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不再廣播，岸端圖像業(yè)務(wù)恢復(fù)正常。

2.4性能驗證

修改完畢后，對航海安全電視系統(tǒng)進行性能驗證，結(jié)果如下。

1）在分別對服務(wù)器、GPON、交換機進行參數(shù)配置后，對航海安全電視進行功能業(yè)務(wù)的測試驗證，航海安全電視系統(tǒng)的圖像各功能均正常。

2）在航海安全電視系統(tǒng)各功能正常的前提下，將之前降低的每路視頻碼率恢復(fù)為原碼率，并且在保證全船航海安全電視客戶端用戶正常觀看圖像的前提下，再增加一個航海安全電視客戶端用戶以及圖像監(jiān)控路數(shù)，此時觀看圖像，并未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，航海安全電視業(yè)務(wù)均正常。

3）在服務(wù)器端使用wireshark軟件對圖像數(shù)據(jù)進行抓包分析，發(fā)現(xiàn)此時圖像數(shù)據(jù)以組播發(fā)送，其組播組地址為我們之前設(shè)置的以XX.XX.XX.XX起始的地址。

3 結(jié)束語

本文針對航海安全電視圖像業(yè)務(wù)出現(xiàn)卡頓、花屏現(xiàn)象，對其故障現(xiàn)象進行分析，總結(jié)了應(yīng)用組播技術(shù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，通過組播配置，實現(xiàn)了航海安全電視基于組播技術(shù)傳輸圖像業(yè)務(wù)，并解決了引發(fā)的相關(guān)問題，經(jīng)過實際驗證與應(yīng)用，目前航海安全電視系統(tǒng)運行穩(wěn)定。