超高清視頻監(jiān)控發(fā)展面臨的技術(shù)問題（一）

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)問題之后，應(yīng)用的前景才會(huì)變得清晰起來。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)能力空前提高，算法進(jìn)一步硬件化智能化，安全問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)突破帶來了光明的前景和奮進(jìn)的動(dòng)力。
　　1.傳輸問題
　　超高清視頻監(jiān)控面臨的第一個(gè)問題是傳輸問題。由于4K視頻超大的分辨率，對(duì)于25fps的幀率來說，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等較為先進(jìn)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。
　?、倬W(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等功能完全可以“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SOC的方式將這些功能以硬件語言設(shè)計(jì)和描述，在SOC內(nèi)實(shí)現(xiàn)ASIC電路是一種明智之舉。
　?、诰彌_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)存頁機(jī)制甚至巨頁機(jī)制，使其分配的粒度達(dá)到若干MB甚至1GB，以減少內(nèi)存頁倒換帶來的系統(tǒng)開銷，這無論對(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。
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