陶祥亚，仲兆满

（1.江苏省海洋资源开发研究院；2.淮海工学院计算机工程学院）

IPv6环境下嵌入式视频监控系统设计与实验性研究

陶祥亚1，仲兆满2

（1.江苏省海洋资源开发研究院；2.淮海工学院计算机工程学院）

在IPv6网络协议下实现嵌入式应用系统功能可解决传统视频监控系统遇到的许多问题，是当前监控系统研究的一个重要方向。论文在对IPV6网络协议、嵌入式系统核心技术进行分析基础上，研究了嵌入式监控系统在IPv6环境下的实现方法，设计了新的嵌入式监控系统模型并进行了实验，为如何使嵌入式视频监控系统与IPv6技术相结合提供了研究范式和指导意义。

视频监控；IPV6；嵌入式系统；设计；实验性研究

【项目资助】①2015年连云港市科技计划项目（产学研前瞻性项目）：IPV6环境下智慧城市工程中嵌入式视频监控技术的应用研究（批准号：CXY1531）；②2013年度江苏省海洋资源开发研究院开放基金资助项目，项目名称：基于4G移动网络的连云港涉海企业研发联盟协作平台研究与技术示范（批准号：JSIMR201321号）；③2014年连云港市科技计划项目（软科学研究计划）：信息化条件下连云港市中小企业工艺创新的科技支持政策研究（批准号：RK1409）；④2014年连云港市科技计划项目（产学研联合创新资金）：海洋新材料产学研协同创新平台建设（批准号：CXY1427）；⑤2015年度江苏省海洋资源开发研究院开放基金资助项目，项目名称：连云港海洋与陆域关联性产业统筹发展研究（批准号：JSIMR201516号）； ⑥淮海工学院2013年校级教学改革研究立项课题，课题名称：基于“UCWEB+TWITTER”的手机移动学习模式构建与技术示范（批准号：XJG2013-2-29号）。

1 引言

目前,视频监控系统技术架构的主流模式是“嵌入式＋传输网络”架构模式，但是IPv4网络传输协议下有限地址、不科学带宽分配机制、移动化应用性能弱阻碍了这一主流模式的发展，而下一代IPv6网络传输协议下更多的地址、更快的视频传输速度、更高的传输质量等优点能很好地解决IPv4协议目前所遇到的问题[1]。将嵌入式系统技术与IPv6网络协议特点相结合，构建新的系统样式在视频监控系统中使用是智慧城市、智慧管理等领域当前研究的热点方向，二者相结合所形成的系统架构将对现有的视频监控系统带来变革。

2 IPv6网络协议地址类型及自动配置方法

IPv6的地址采用十六进制表示，长度为128bits，比起IPv4协议的十进制格式、32bits地址来说，地址长度前者是后者的4倍，地址数量几何量级增长数倍[2]。IPv6有“冒分十六进制表示法、0位压缩表示法、内嵌IPv4地址表示法”3种表示方法。

2.1 IPv6协议3种地址类型

1）Unibroadcast（单播）地址：需要被发送数据包只被传送给单播地址所标识的1个接口，用来唯一标识1个接口。

2）Multibroadcast（组播）地址：需要被发送数据包被传送给组播地址所标识的所有接口，用来标识1组隶属于不同节点的接口。

3）Anybroadcast（任播）地址：根据使用的路由协议进行度量，需要被发送数据包被传送给任播地址所标识的1组接口中距离源节点最近的1个接口，用来标识1组隶属于不同节点的接口。

2.2 IPv6两种地址自动配置协议

1）无状态地址自动配置协议（SLAAC）： SLAAC无需服务器对地址进行管理，主机直接根据网络中的路由器通告信息与本机物理地址结合计算出本机IPv6地址，实现地址自动配置[3]。

2）动态主机配置协议（DHCPv6）：DHCPv6由专用地址服务器管理地址池，用户主机向专用地址服务器请求并获取IPv6地址及其他信息，达到地址自动配置的目的。

3 嵌入式系统及其视频监控IPv6实现

3.1 嵌入式系统

嵌入式系统（Embedded system）是指与具体技术应用相结合，系统本身完全嵌入受控器件内部，面向用户、面向产品、面向应用，执行的是带有特定要求的预先定义的任务，为特定应用而设计的专用计算机系统，由处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件4个部分构成，数据压缩技术和高带宽、低延迟的网络传输技术等嵌入式视频监控系统核心技术是目前国内外这一领域的研究热点[4]。系统内核小、专用性强、系统精简、软件实时性高、多任务是嵌入式系统的重要特征，“嵌入式处理器＋存储器＋系统输入/输出＋操作系统及其应用软件”为系统整体架构的主体部分。嵌入式系统开发平台设计主要是指硬件和软件平台的设计，其中硬件部分主要是指嵌入式处理器的设计，软件部分主要是嵌入式操作系统的设计。

3.2 嵌入式监控系统＋IPv6的应用实现

嵌入式监控系统在IPv6网络传输环境下的应用实现包含技术为：涉及到网络技术＋嵌入式系统技术＋视频压缩技术＋视频传输技术＋Win Sock编程技术＋Direct Show技术等。采用IPv4和IPv6协议共存的“双栈”网络模式是目前嵌入式监控系统接入的主要方式，该种方式能够扩展监控系统的应用范围，能提高嵌入式监控系统在远程数据采集与控制、自动报警、发送E-mail、上传、下载数据文件等功能的运行效率[5]。另外，IPv6环境下嵌入式监控系统可充分利用IPv6网络协议在移动应用方面的优势，实现“有线——无线”系统的数据接入，进而大大拓展系统应用空间，降低系统实施工期和成本。

“IPv6传输网络＋嵌入式系统”架构模式实现方法主要有以下两种：一种是嵌入式系统通过网关间接与IPv6相连，由网关实现各种复杂的网络协议，负责在因特网上发送、接受IP包，网关与嵌入式系统之间采用轻量级协议进行通信；另一种就是嵌入式系统本身完全具备网络功能，其实质是在嵌入式系统中实现TCP/IPv6协议和其他相关的应用层协议，使其可以直接在IPv6网络上发送、接收IPv6包。嵌入式系统本身完全具备IPv6网络协议功能的连接方法，具体又分为“在嵌入式操作系统上运行网络协议栈、单片机程序中实现网络协议以及网络芯片硬件固化网络协议栈”3种形式。

嵌入式系统在IPv6协议网络环境中的应用，首先要实现TCP/IP协议在嵌入式系统中的部署，其关键核心技术是数据压缩技术和高带宽、低延迟的网络传输技术。高质量数据压缩算法是要实现在不影响视频质量前提下单位时长视频数据量要尽可能小，高带宽的网络是要尽可能在单位时间里传输更大的视频数据量，二者可以说是相辅相成，相互靠近的技术组合[6]。目前，虽然由于各种子网技术的发展网络带宽逐渐增加，但网络带宽和传输速度仍然是嵌入式监控系统在网络层应用中的瓶颈问题。

图1 系统总体结构图

4 IPv6环境下嵌入式监控系统设计及实验性研究

4.1 系统设计架构

如图1所示：“摄像头＋视频服务器”称为视频服务终端，每个视频服务终端分配1个静态IPv6地址，前端音视频信号被送入内部Linux嵌入式操作系统的视频服务器,再通过光纤(或双绞线)和无线WIFI就近接入网络，进而依托IPv6网络协议实现对视频服务器和系统服务器控制和数据传输[7]。

前端音视频数字信号被送入编码器独立编码成MPEG-4视频流和ADPCM音频流，且从编码成的视频流和音频流一路送入本地的视频监视器，另一路通过以太网、DDN网发送到客户端。客户端把服务器端传来的视频流和音频流数据一方面进行客户端数据存储，另一方面需要将视频流和音频流信号分离，分别送入音视频解码器进行信号还原，进而通过对应的音视频终端进行实时预览。

4.2 系统设计实验性研究

1）硬件原理及设计

本实验基础模块单元：GX-ARM9-S3C2410并进行后期模块开发。本实验中嵌入式监控视频服务器的设计主要将根据系统所实现功能，选定主控制芯片和专用音视频压缩芯片，对其外围电路进行简单设计，以实现声音图像采集、压缩、输出等功能。硬件模块结构设计如图2所示。

由图2可知，实验系统主要由嵌入式处理器模块、音视频压缩/解压缩模块、音视频采集模块、网络模块4部分组成[8]。模块清单及功能特点见表1。

2）软件设计

实验系统软件设计：服务器端＋客户端软件设计。服务器端软件主要实现音视频数据“采集——压缩——编码——打包——发送到网络”功能；客户端软件主要实现“接受服务器发送的音视频压缩包——对数据拼接解码——对数据包还原展示播放”。其流程图如图3。

图2 视频服务器硬件框图

表1 实验系统模块清单及功能特点

图3 服务器端软件架构

（1）服务器端应用软件总体结构与功能

嵌入式uCLinux视频服务器中运行系统应用软件，主要任务：驱动采集卡采集音视频信号——压缩采集的数据——编码采集数据成MPEG-4格式——打包MEPG-4 数据流——发送到请求视频流的WEB客户机。与此同时：服务器端响应客户机发送控制和管理指令代码——控制请求被反馈后，由服务器软件驱动相应硬件——控制监控系统前置摄像头的推、拉、摇、移、跟等操作功能。相应功能特点见表2。

（2）客户端软件总体结构及功能

把服务器发送过来的视频流解码及展示性播放是客户端软件的主要目标。客户端普通用户只是具有实时查看功能，客户端管理用户还应增加远程配置功能。客户终端功能：接受WEB服务器音视频数据包，缓存数据并将数据包按照顺序和节点标志重组完整的视频帧和音频流，进而对得到的音视频数据流进行可播放展示的还原解码[9]。客户端软件的主要模块组成：音视频接收、解码、播放模块+WEB服务器控件配置模块，具体功能特点见表3。

(3)实验系统开发环境

实验系统硬件开发和软件开发环境见表4。

4.3 实验系统实验结果综述

1）客户端采用B/S模式，在ActiveX控件支持下，播放视频在IE浏览器中实现，由控件嵌入到WEB中实现，客户端通过浏览器观看现场视频。具体过程：控件首先开启接收模块，接收服务器发送过来的音视频流，把接收到视频流存放到缓冲区中，同时解码模块从缓冲区中读取多个数据包组成一帧，然后启动播放模块播放视频。服务器采集音视流并压缩，通过网络发送到客户端，客户端解码还原出清晰的图像是视频监控的基本功能[5]。服务器具有用户权限控制的功能，服务器参数可调整，可通过客户端向服务器发出控制请求实现。

2）本实验系统利用DirectShow RTP实现了对MPEG-4解码的改进，提高MPEG-4视频编码效率10%～20%。

3）IPv6环境下监控系统运行更为稳定，传输速度更快，验证了IPv6协议能提高系统的安全性。

表2 服务器端应用软件功能

表3 客户端应用软件功能

表4 实验系统开发环境

4）以100万传统视频监控项目为例，参照本实验系统，采用“有线——无线”部署，工期能缩减10%，成本能节约20%，大大拓展系统应用空间。

（续表4）

5 结语

嵌入式视频监控系统已成为国内外视频监控系统应用的主流，本文基于GX-ARM9-S3C2410嵌入式核心处理器的硬件平台，在嵌入式系统中移植TCP/ IPv6协议，二者相结合搭建了视频监控实验系统,对IPv6环境下嵌入式视频监控系统应用中的软硬件架构、开发环境等进行了详细研究，取得了一些成果。当前，由于IPv6技术在三、四线城市推进缓慢，研究还不够完善，随着IPv6的应用，基于IPv6技术的网络视频产品开始出现，QOS的应用、充裕的IP地址、足够的带宽、底层协议的规范化，将为智慧城市建设中公共平台的视频监控系统提供发展机遇。

[1] Huston G.IPv4 address report.http：// www.potaroo.net/tools/ipv4.2013.

[2] Hirorai R,Yoshifuji H.Problems on IPv4-IPv6 network transition. Proc.of the 2006 Int”l Symp.on Applications and the Internet Workshops (SAINT 2006 Workshops).2006.

[3] 石小兰.嵌入式系统中IPv6协议栈的研究与实现[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[4] 江俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息,2005(10)：120-122.

[5] 向洮,颜培园,刘文臣.基于嵌入式系统的诱发脑电信号采集仪器设计[J].信息技术与信息化,2005(10)：25-27,32.

[6] Nordmark E.Stateless IP/ICMP translation algorithm.IETF RFC 2765.2000.

[7] 信师国,刘庆磊,刘全宾.网络视频监控系统现状和发展趋势[J].信息技术与信息化,2010(1)：23-25.

[8] Donley C,Howard L,Kuarsingh V,Berg J,Doshi J.Assessing the impact of carriergrade NAT on network applications.IETF RFC 7021.2012.

[9] Zhu Y,Chen M,Zhang H,Li X.Stateless mapping and multiplexing of IPv4 addresses in migration to IPv6 Internet. Proc.of the GLOBECOM.2008.

System Design and Experimental Research on Video Surveillance Embedded System in the IPv6 Environment

TAO Xiang-ya1, ZHONG Zhao-man2

(1.Jiangsu Marine Resources Development Research Institute; 2.Computer Engineering College of Huaihai Institute of Technology)

Many problems can be solved in the traditional video monitoring system through the combination of IPv6 network protocol and embedded system,which is an important direction of the current monitoring system research.Based on the analysis of the IPV6 network protocol, embedded system core technology,the article studies the realization method in IPv6 environment embedded monitoring system, designs a new model of the embedded monitoring system and experiment, and provides a research paradigm and guiding significance for how to make the embedded video monitoring system combined with IPv6 technology.

video monitoring; IPV6; embedded system; design; experimental research