超高清视频监控发展面临的技术问题（一）

超高清视频监控有着非常值得期待的应用前景,但只有解决了阻碍应用的传输、算力、算法、存储、安全等几个问题之后，应用的前景才会变得清晰起来。另一方面，传统网络正在发生天翻地覆的改变，计算和存储能力空前提高，算法进一步硬件化智能化，安全问题也从未像今天一样成为国家意志，凡此种种为超高清视频监控的技术突破带来了光明的前景和奋进的动力。
　　1.传输问题
　　超高清视频监控面临的第一个问题是传输问题。由于4K视频超大的分辨率，对于25fps的帧率来说，在相同编码规格下，其码率约为高清视频(1080P)的4倍以上，对于传输的要求也相应提升了数倍。即使采用H.265等较为先进的编码方式，由于超高清视频在色深、帧率、分辨率等方面的改进，其传输量也是不可小觑的。到了8K超高清视频的时代，其传输量又会有成倍的增加。因此，增加带宽，即增加端侧的吞吐能力和增加中间链路的传输能力是超高清视频监控面临的首要问题。 
　　(1)增加端侧的吞吐能力
　　端即超高清视频的接收端和发送端，增加两端的网卡上下行能力极为关键。上下行能力受以下因素制约：网卡性能、缓冲区大小与调度机制、网络协议栈工作效率、超高清视频监控应用进程本身的吞吐能力、视频接收与发送的策略等。
　　①网卡性能优化 
　　为了保证监控视频传输质量，我们以单千兆卡60%的有效上下行传输率计算。在单千兆卡的情况下，对于H.264MainProfile编码的4K超高清视频，即使其码率只有1080P的4倍也会接近30Mbps，因此单千兆网卡只能承载20路左右的4K超高清视频。这对于浏览客户端可能问题不大，但对于流媒体服务器是远远不够的。因此，从千兆卡升级到万兆卡，或者多张千兆卡绑定以扩展上下行能力就显得尤为重要。
　　另一方面，对于诸多由软件完成的传输功能，例如网络包软校验、加解密、DPI等功能完全可以“卸载”到硬件中执行，这就是我们耳熟能详的硬件卸载加速技术。通过SOC的方式将这些功能以硬件语言设计和描述，在SOC内实现ASIC电路是一种明智之举。
　　②缓冲区优化
　　视频监控的网络传输应用中流媒体服务器占了流量的大头。因此流媒体服务有针对性地改进机制和提升性能就显得越发必要。缓冲区作为网卡与操作系统、应用软件交互的中间媒介理应做出相应的改进。
　　a.HugePage机制：操作系统中内存页面的分配粒度是4KB，对于超高清视频这显然是不够的，因此有选择性地启用大内存页机制甚至巨页机制，使其分配的粒度达到若干MB甚至1GB，以减少内存页倒换带来的系统开销，这无论对于发送端还是接收端都具有很重要的意义。
　　b.DMA机制：DMA即直接内存存取机制。通过DMA可以摒弃传统的“网卡缓存->主存->CPU缓存”的传输路径，转而通过DMA控制器建立网卡缓存到CPU三级缓存之间的映射实现数据的快速交换。由于绕过了主存读写这个速度较慢的步骤并省略了2次PCI-E总线的IO，因此读写速度会大大加快。
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