在安防領域，工廠安裝監(jiān)控的超高清視頻監(jiān)控有著非常值得期待的應用前景，但只有解決了阻礙應用的傳輸、算力、算法、存儲、安全等幾個問題之后，應用的前景才會變得清晰起來。另一方面，傳統(tǒng)網(wǎng)絡正在發(fā)生天翻地覆的改變，計算和存儲能力空前提高，算法進一步硬件化智能化，安全問題也從未像今天一樣成為國家意志，凡此種種為超高清視頻監(jiān)控的技術突破帶來了光明的前景和奮進的動力。

1.傳輸問題

別墅安裝超高清視頻監(jiān)控面臨的第一個問題是傳輸問題。由于4K視頻超大的分辨率，對于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，對于傳輸?shù)囊笠蚕鄳嵘藬?shù)倍。即使采用H.265等較為先進的編碼方式，由于超高清視頻在色深、幀率、分辨率等方面的改進，其傳輸量也是不可小覷的。到了8K超高清視頻的時代，其傳輸量又會有成倍的增加。因此，增加帶寬，即增加端側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)度機制、網(wǎng)絡協(xié)議棧工作效率、超高清視頻監(jiān)控應用進程本身的吞吐能力、視頻接收與發(fā)送的策略等。

①網(wǎng)卡性能優(yōu)化

學校安裝監(jiān)控為了保證監(jiān)控視頻傳輸質量，我們以單千兆卡60%的有效上下行傳輸率計算。在單千兆卡的情況下，對于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。這對于瀏覽客戶端可能問題不大，但對于流媒體服務器是遠遠不夠的。因此，從千兆卡升級到萬兆卡，或者多張千兆卡綁定以擴展上下行能力就顯得尤為重要。

另一方面，倉庫安裝監(jiān)控對于諸多由軟件完成的傳輸功能，例如網(wǎng)絡包軟校驗、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。通過SOC的方式將這些功能以硬件語言設計和描述，在SOC內(nèi)實現(xiàn)ASIC電路是一種明智之舉。

②緩沖區(qū)優(yōu)化

重慶工廠安裝監(jiān)控對于視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡傳輸應用中流媒體服務器占了流量的大頭。因此流媒體服務有針對性地改進機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)、應用軟件交互的中間媒介理應做出相應的改進。

a.HugePage機制：操作系統(tǒng)中內(nèi)存頁面的分配粒度是4KB，對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)存頁機制甚至巨頁機制，使其分配的粒度達到若干MB甚至1GB，以減少內(nèi)存頁倒換帶來的系統(tǒng)開銷，這無論對于發(fā)送端還是接收端都具有很重要的意義。

b.DMA機制：DMA即直接內(nèi)存存取機制。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，轉而通過DMA控制器建立網(wǎng)卡緩存到CPU三級緩存之間的映射實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換。由于繞過了主存讀寫這個速度較慢的步驟并省略了2次PCI-E總線的IO，因此讀寫速度會大大加快。

③網(wǎng)絡協(xié)議棧優(yōu)化

傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議棧是以內(nèi)核態(tài)驅動的方式存在于操作系統(tǒng)中的，其關鍵工作機制是中斷響應、延遲過程處理、通用包處理。

中斷響應：傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議棧驅動以網(wǎng)卡的中斷機制為基礎，網(wǎng)絡包的到達和發(fā)送完成均以中斷機制通知上層網(wǎng)絡協(xié)議棧，以便協(xié)議棧驅動繼續(xù)處理接收和發(fā)送。

延遲過程處理：協(xié)議棧驅動響應中斷后，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間，因為中斷的優(yōu)先級較高，如果中斷占用的時間太長會影響其他優(yōu)先級線程的執(zhí)行，因此中斷處理例程將具體的收取/發(fā)送等事務性工作放在DPC（延遲過程調(diào)用）隊列中，待中斷優(yōu)先級下降時才處理，這樣就減少了中斷打擾占用的時間。

通用包機制：網(wǎng)絡協(xié)議棧是瞄準通用型網(wǎng)絡包處理的，因此對于OSI模型的每層協(xié)議都會進行相應的處理和校驗，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器上流量較大，且傳輸?shù)囊话銥樾帕顖笪暮鸵曨l包，其協(xié)議格式和封裝方式固定。

上述機制在一定程度上降低了協(xié)議棧的處理效率。針對超高清視頻流媒體服務器，可以采用改進的網(wǎng)絡協(xié)議棧對傳統(tǒng)協(xié)議棧進行旁路化改進，比如定制專門針對流媒體傳輸?shù)膶Ｓ脜f(xié)議棧驅動，或者嫁接高速傳輸設備的協(xié)議棧驅動。DPDK（數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件）框架就是一個較好的選擇。DPDK是一種基于IntelX86/X64平臺的網(wǎng)絡數(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高速交換機和路由器的轉發(fā)驅動框架，具有以下特點和機制：

a.UIO機制：UIO（UserspaceI/O）機制將小部分驅動運行在內(nèi)核態(tài)空間（硬中斷只能在內(nèi)核態(tài)空間處理），大部分運行在用戶態(tài)空間以實現(xiàn)旁路化機制。

b.SIMD機制：DPDK框架采用批量方式同時處理多個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，基于向量式編程，一個周期內(nèi)對所有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行處理，加大了處理吞吐量。

c.緩存優(yōu)化機制：采用Cacheline對齊、Cache數(shù)據(jù)預取等策略加快緩存中數(shù)據(jù)的讀取和處理速度。

d.PDM機制：PDM（PoolModeDriver）機制拋棄中斷模式，改為基于中斷+輪詢的方式收包，避免了中斷開銷。

e.無鎖循環(huán)隊列機制：支持單生產(chǎn)者入列、單消費者出列和多生產(chǎn)者入列、多消費者出列的操作，因此可以提高傳輸效率并保證數(shù)據(jù)同步。

f.處理器親和性機制：利用處理器親和性（CPUAffinity）機制將IO線程綁定到若干個CPU核上，以此減少線程調(diào)度和切換從而降低切換開銷，同時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.多隊列機制：通過多隊列網(wǎng)卡驅動的支持，將各個隊列綁定到不同的CPU核上，以滿足網(wǎng)卡高吞吐的需求。

h.DDIO機制：DDIO（DataDirectIO）是Intel提出的技術，允許網(wǎng)卡與CPU通過LLC（lastlevelcache）直接交換網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，從而繞過主存，既縮短了交互流程，也提升了交互的速度。該技術類似DMA機制，但比DMA具有更高的效率。

i.硬件加速機制：將基礎性重復性的軟事務（例如計算分析類任務、TCP組包類任務和TCP分段任務等）“卸載”給硬件完成以加快處理速度。