CN103686079B - 一种终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种终端设备，包括CPU、交换芯片以及网口连接器；交换芯片包括第一及第二PHY口，第一PHY口当前工作的引脚组合以及第二PHY口当前工作的引脚组合分别连接到网口连接器的第一及第二线序组合上；网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合上通过双绞线分别连接到交换机上两个不同的PHY口；CPU按照预定的流量分担算法将所述N个多媒体流进行分担，形成一对分担组合（G1，G2），其中所述CPU将所述G1内视频流的报文打上第一VLAN ID，将所述G2内视频流的报文打上第二VLAN ID后发送给第一交换芯片。本发明提升了终端设备的接入速率以及POE受电功率，并且可以根据终端设备在视频监控系统中的实际状况实现更为均匀的负载分担。

Description

一种终端设备

技术领域

本发明涉及视频监控技术领域，尤其涉及一种视频监控系统前端的终端设备。

背景技术

以太网技术是当今最为主流的接入技术，经过几十年的发展，以太网技术有着多次演进。在传输介质上，以太网从最早的同轴线缆演进到如今的双绞线以及光纤。在传输速度上，从最早的10Mbps（以下将Mbps简称为“M”）共享发展到现在的点对点10M/100M/1000M。

对于高速率的接入应用而言，比如100M/1000M这样的速率等级，如果对传输距离没有特别要求，那么使用双绞线或者光纤均可以满足用户需求。但是如果传输距离特别远，比如达到500米以上，那么一般建议采用光纤。在一般短距离传输的应用场景下，比如说100米左右，使用双绞线传输不仅在实施成本上有优势，而且还有着光纤无法替代的以太网远程供电POE这一技术优势。POE技术是利用双绞线同时实现电力和数据传输，而这一点是光纤无法实现的。远程供电对于工业级的应用而言无疑是至关重要的，在一些些野外环境下，可能缺乏市电供电的基础设施，若要部署市电供电，则成本相当高昂。

对于一般的终端设备而言，比如说一台部署在室外的无线接入点AP，使用双绞线将该AP连接到网络中的以太网交换机上，不仅仅可以满足AP接入带宽要求，还可以通过双绞线对AP进行远程供电。目前POE的最大供电功率已经由15.4W发展到30W，这对于普通的小型终端设备而言无疑是足够的。但是在特定的应用场景中，POE仍然有着相当的局限性。举例来说，若终端设备是一台支持加热以及红外功能的网络摄像机，网络摄像机的加热功能和红外功能同时开启时，其所需要的电源功率是POE技术无法满足的，对于这种情形，目前只能采用市电供电。另一方面，在采用双绞线传输时，一般来说传输速度越高，则传输距离越短。在一些距离较远的应用场景中，若要满足传输距离的需求，则无法满足带宽的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种终端设备，应用于视频监控系统的前端，通过交换机接入到网络中，并在视频监控系统中的管理服务器控制下为后端的客户端发送N个多媒体流，N为大于或等于1的正整数；其中该终端设备包括CPU、交换芯片以及网口连接器；所述交换芯片包括第一PHY口以及第二PHY口，其中：

所述第一PHY口当前工作的引脚组合以及第二PHY口当前工作的引脚组合分别连接到网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合上；网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合上通过双绞线分别连接到交换机上两个不同的PHY口；

所述CPU用于按照预定的流量分担算法将所述N个多媒体流进行分担，形成一对分担组合（G1，G2），其中G1为第一视频流集合，包括M条视频流；G2为第二视频流组合，包括N-M条视频流；M为大于或等于0的正整数；其中G1与G2之间的速率差值在所有可能的分担组合中是最小的；

其中所述CPU进一步用于将所述G1内视频流的报文打上与第一PHY口对应的第一VLAN ID后发送给第一交换芯片，将所述G2内视频流的报文打上与第二PHY口对应的第二VLAN ID后发送给第一交换芯片。

相较于现有技术，本发明能够有效地提升终端设备的接入速率以及POE受电功率，并且可以根据终端设备在视频监控系统中的实际状况实现更为均匀的负载分担。

附图说明

图1是一种典型的双绞线内部结构示意图。

图2是一种典型的交换芯片PHY口与网口连接器之间的连接关系图。

图3是本发明一种终端设备与交换机之间连接关系示意图。

图4是本发明一种终端设备内部交换芯片与网口连接器的连接关系图。

图5是本发明中终端设备以及交换机两侧的内部交换芯片与网口连接器的连接关系图。

图6是本发明终端设备在视频监控系统中的典型组网图。

图7是一种典型的信令报文格式图。

图8是本发明一种终端设备接入交换机时的典型配置示意图。

具体实施方式

本发明对终端设备的以太网传输结构进行重新设计，并在终端的业务调度层面进行配合改进，从而解决终端设备在带宽以及供电上所遭遇的双重瓶颈。

对于普通的双绞线而言，其内部通常有四对差分线，目前以太网在10M/100M速率工作时，根据IEEE制定的标准，终端只需要使用四对差分线中的两对。请参考图1所示，一般来说终端设备的以太网出口只用到了1、2、3、6线序组合（以下称为“第一线序组合”）或者4、5、7、8线序组合（以下称为“第二线序组合”）中的任意一种线序组合，这也就是说网口连接器上的8个管脚，通常只有四个管脚用来传输数据。另一方面，在一些视频监控等工业系统中，终端设备往往是带有简单交换功能的。这些终端设备内部往往带有简单的交换芯片，一个交换芯片上通常会有多个与网口连接器（通常是RJ45连接器）相连的PHY口（以太网物理口）。请参考图2所示，一般的设计中一个PHY口连接一个网口连接器，一个交换芯片上的两个PHY口分别连接到两个对应的RJ45连接器上。

在本发明中，交换芯片上的PHY口与RJ45连接器之间的连接关系将改变。两个PHY口共同连接到同一个RJ45连接器上。请参考图3，本发明提供一种终端设备，该终端设备包括CPU、第一交换芯片以及第一RJ45连接器。相应地，本发明还相应提供一种交换机其中该交换机包括第二交换芯片以及第二RJ45连接器。请参考图3以及图4，所述第一交换芯片包括第一PHY口、第二PHY口以及连接CPU的第三PHY口。在优选的方式中，第一PHY口以及第二PHY口被配置为接入模式（Access），第三PHY口被配置为混杂模式（Hybrid）。所述第二交换芯片包括第四PHY口以及第五PHY口。每个PHY口均包括8个引脚，为了描述方便，现定义1、2、3、6四个引脚为第一引脚组合，而4、5、7、8四个引脚为第二引脚组合，使用相反的定义也可以。在第一交换芯片上，其两个PHY口上的第一引脚组合分别连接到第一RJ45连接器的第一和第二线序组合上；在第二交换芯片上，两个PHY口上的第一引脚组合同样分别连接到第二RJ45连接器的第一和第二线序组合上。

请参考图3，所述第一及第二RJ45连接器通过双绞线相互连接。此时，该双绞线内的4对差分线，或者说两个线序组合都被利用起来。假设第一PHY口与第四PHY口对接，双方协商出的速率为100M；而第二PHY口与第五PHY口对接，双方协商出的速率也是100M。此时对于数据传输而言，双绞线上的总速率，或者说终端设备的总的接入速率为200M。由此可见通过本发明的硬件连接关系改良之后，终端设备的接入速率提升了一倍。现有技术中，若要提升接入速率只能按照10倍这样的等级进行提升，比如从100M提升到1000M，粒度太粗；而且若使用双绞线，则意味着传输距离进一步下降。

请参考图5，目前IEEE制定的POE标准规定供电介质可以和传输数据的介质归一化。也就是说，双绞线中的两个线序组合均可以同时传输数据和电力。在图5中，终端设备在POE中作为受电设备PD，如果其本身是一个小功率设备，则只需作为供电设备PSE的交换机的交换芯片上的一个PHY接口输出POE供电即可满足。相反，如果该终端设备是大功率设备，比如带红外和加热模块的球形网络摄像机，该摄像机的工作功率超过802.3AT标准限定的最大30W的功率，则此时本发明PSE一侧的两个PHY口同时通过自身的第一引脚组合分别进行POE供电输出，如按照802.3AT标准来实现供电，最大的受电功率可以达到60W，这样一来就可以满足终端设备更大功率的需求。

通过以上的描述可以看出，本发明可以通过一根双绞线将终端设备的接入速率和受电功率同时提升一倍，对于视频监控这种场景极为有益。在视频监控应用中，系统前端的终端设备通常为摄像机。摄像机通常会输出多路视频流，对于高清的视频流，如果路数较多，则很可能会超过主流的100M速率，而且若摄像机本身有红外或加热等功能的话，则其对POE供电功率的要求可能超过30W。使用本发明之后，可以有效改善系统前端的摄像机在接入速率和POE供电功率上的瓶颈问题。

请参考图3以及图6，通过以上的描述可以看出，本发明中双绞线内部事实上有两条以太网物理链路，即物理链路1以及物理链路2。为了方便服务于上层应用，通常需要把两个物理链路捆绑为一个逻辑链路；或者说将两个PHY口捆绑为一个逻辑意义上的PHY口。由于数据流最终是要从物理链路上发送出去，因此此时需要在两个物理链路上进行负载分担，这样才能将两个物理链路上的带宽充分利用起来。对于负载分担的实现，在目前常见做法是采取逐流的哈希算法。然而通过实际测试发现，若终端设备是网络摄像机这种监控系统中的终端设备，负载分担效果糟糕；传统的哈希算法无法实现理想的效果。也就是说虽然物理带宽扩大了一倍，但利用率太低，实际增加的带宽远远没有到一倍这么多。

通过深入研究发现，网络摄像机这样的位于视频监控系统前端的终端设备，其通常只是向外发送有限的几条多媒体流，而且每条多媒体流的流量通常都很大，用现有通用的哈希算法负载分担方案是很难把流量均匀的分担开。现有的哈希算法通常应用在交换机或者路由器的某个逻辑链路上，其所处理的流通常几百条，甚至成千上万条，这些流大部分流量都比较小，因此哈希算法能够很好地实现负载分担，也就是说现有哈希算法只能适用于数据流数量较大的应用场景。但是对于一般不超过10条流的终端设备而言，其会导致一个PHY口所连接的物理链路上的流量过大拥塞而另外一个PHY口所连接的物理链路却很空闲。针对这种不合理的现象，本发明提出如下改进方案。

以下假设多媒体流是视频流（音频流的处理是相同的）。请继续参考图3以及图6，在视频监控系统中，终端设备发送的视频流一般分为两种：存储流或实况流。无论是哪种类型的视频流，终端设备对外发送的视频流都是根据管理服务器所下发的信令而执行的。例如，某个客户端需要查看某一路网络摄像机的实时视频时，其会向管理服务器申请，管理服务器则会下发信令给该网络摄像机，信令报文里会明确该网络摄像机视频流的速率参数。请参考图7，在标准的SIP协议报文里都会携带发送数据流大小以及编码格式等信息，比如其中的Bandwidth Value（带宽值）为2048kb/s。

对于来自管理服务器的信令，终端设备的CPU都需要按照对应的协议要求进行相应的处理。在本发明中，当终端设备收到这些信令时，CPU读取里面的数据流带宽值大小，给相应所要发送的数据流打上不同的VLAN ID（虚拟局域网标识），然后记录下相关信息以便后续转发时进行流量分担。流量分担通常需要建立对应的流量负载分担表，在优选的方式中，CPU使用的流量负载分担表的表项格式可以如表1所示。

索引号	流特征(协议/端口号/目的IP)	出端口号	VLAN ID	发送速率
					1	UDP/2002/10.0.0.3	P1	10	2M
2	UDP/2004/10.0.0.3	P2	20	1M

表1

在表1中，出端口号也就是第一及第二PHY口编号，假设第一PHY口是出端口P1，第二PHY口是出端口P2。出端口P1配置到VLAN10中，而出端口P2配置VLAN20中。表1中的流特征仅仅是示例性的，开发人员可以根据需要选用不同的报文字段来表征一条流，这属于常见的现有技术，不再赘述。

如果此时其他客户端通过管理服务器要求终端设备发送一条新的视频流，这条视频流流的速率大于或等于当前流量负载分担表中所有速率之和，此时可以把已经存在流量负载分担表上的数据流都迁移到一个端口上，新增的视频流则通过另外一个端口发送。比如说将原来索引号为2的视频流迁移到端口P1上发送，迁移后的流量负载分担表可以参考表2的示例，迁移后三条视频流流的速率相对均匀地分布在物理链路1和物理链路2上。

索引号	流特征(协议/端口号/目的IP)	出端口号	VLAN ID	发送速率
					1	UDP/2002/10.0.0.3	P1	10	2M
2	UDP/2004/10.0.0.3	P1	10	1M
					3	TCP/60002/10.1.2.3	P2	20	4M

表2

如果此时终端设备又要发送新的视频流，则同样通过CPU进行迁移调度来使得这些视频流流的速率更为均匀的分布。

从更为广泛的角度来说，本发明中，终端设备CPU用于按照预定的流量分担算法将所述N个多媒体流进行分担，形成一对分担组合（G1，G2），其中G1为第一视频流集合，包括M条视频流；G2为第二视频流集合，包括N-M条视频流；M为大于或等于0的正整数；其中G1与G2之间的速率差值在所有可能的分担组合中是最小的，也就是说分担组合（G1，G2）是最佳的分担组合，一旦这个组合确定下来之后，CPU会为G1和G2打上不同的VLAN ID。比如说，对于G1，CPU将其内的视频流的报文打上与P1对应的VLAN10后发送给第一交换芯片；对于G2，CPU将其内的视频流的报文打上与P2对应的VLAN20后发送给第一交换芯片。在本发明优选的方式中，CPU迁移调度过程中所使用的流量分担算法如下：

步骤A，从第一视频流集合G1（初始为V1,V2…Vi…VN）中选出速率最大的视频流Vj加入第二视频流集合G2；

步骤B，判断第二视频流集合速率总和GS2与第一视视频流集合的速率总和GS1的大小关系；若GS2大于或等于GS1，则确定G2与G1为当前一对分担组合；否则转步骤C；

步骤C，从G1中选择下一个速率最小的视频流Vk；

步骤D，若G2与Vk的速率总和GS2’大于或等于当前G1的速率总和GS1’；则将Vk加入G2，确定G2与G1为当前一对分担组合；

步骤E，若GS2’小于GS1’，且GS1’与GS2’的差值小于所有视频流中速率最小的视频流Vh，则将Vk加入G2，确定G2与G1为当前一对分担组合；

步骤F，若GS2’小于GS1’，且GS1’与GS2’的差值不小于所有视频流中速率最小的视频流Vh；转步骤G;

步骤G，判断G1中是否还有未选择的视频流，如果是返回步骤C；否则返回步骤A。

以下通过一个示例来说明上述分担算法。

步骤101，假设当前有6条视频流，从6条视频流的速率参数（a,b,c,d,e,f）中，取出发送速率最大值MAX（a,b,c,d,e,f），假设为a；

步骤102，对其余5条视频流（b,c,d,e,f）进行求和；

步骤103，如果SUM(b,c,d,e,f)≦a,那么5条视频流（b,c,d,e,f）都从一个端口（比如出端口P1）发送出去，这些视频流中的报文发送时打上同一个VLAN ID（比如VLAN10），视频流a放在另外一个端口发送出去，报文发送时打上另外一个VLAN ID（比如VLAN20）；

步骤104，如果SUM(b,c,d,e,f)>a，找到(b,c,d,e,f)中的最小值MIN(b,c,d,e,f)，假设为f；

步骤105，比较SUM(a,f)与SUM(b,c,d,e)的大小;

步骤106，如果SUM(a,f)≧SUM(b,c,d,e)；视频流（a,f）都从一个端口发送出去，这两个视频流（a,f）的报文发送时打上同一个VLAN ID（比如VLAN10），其他4条视频流(b,c,d,e)放在另外一个端口发送出去，报文发送时打上另外一个VLAN ID（比如VLAN20）；

步骤107，如果SUM(a,f)<SUM(b,c,d,e)，且SUM(b,c,d,e)-SUM(a,f)≦MIN(a,b,c,d,e,f)，那么视频流（a,f）都从一个端口发送出去，报文发送时打上同一个VLAN ID，视频流(b,c,d,e)放在另外一个端口发送出去，报文发送时打上另外一个VLAN ID；

步骤108，如果SUM(a,f)<SUM(b,c,d,e)，且SUM(b,c,d,e)-SUM(a，f)不小于MIN(a,b,c,d,e,f)，则从(b,c,d,e)找出速率最小的视频流；假设找出的为e，然后返回步骤105，将f与e位置对调，然后进行相同的处理，比较SUM(a,e)与SUM(b,c,d,f)的大小；如此循环下去。

上述处理过程解决了视频流如何均匀的划分。从网络的层面来看，视频流中的报文是数据报文，承载着视频数据这种应用数据。但是终端设备还会发送一些没有应用数据的控制报文。比如说ARP报文、监控信令报文（比如SIP信令报文）或者ICMP报文等等。对于这些控制报文，可以不用参与流量负载分担表的工作，发出时也不打上任何VLAN ID，后续由终端设备的第一交换芯片的第三PHY口根据自身接口属性来添加相应的VLAN ID。

请继续参考图6，考虑到终端设备的第一PHY口、第二PHY口、第四PHY口以及第五PHY口会形成环路，进而会引发广播风暴。此时需要利用交换机上的第二交换芯片支持的特性进行相应的配置来避免广播风暴。以下给出一种配置实现，在实际使用过程中，本领域普通技术人员可以根据交换机以及终端设备的特点进行其他方式的配置，只要保证报文能够正常转发，避免广播风暴即可。

请参考图8，管理员在交换机侧的配置操作可以包括如下处理过程。连接终端设备的第四和第五PHY口分别设置到两个Sub VLAN中，然后再配置一个Super VLAN。Super VLAN中没有任何交换机的物理端口，而终端设备的网关建议配置为这台交换机的Super VLAN的VLAN虚接口。对于隶属于两个Sub VLAN的PHY口，选出一个主端口，该主端口对数据报文的收发只允许进入交换机而不允许转发出去，即对报文只收不发即可处于单向阻塞状态，这样可以有效避免广播风暴。此时终端设备发出报文之后的转发流程如下：

上行报文的处理：

终端设备对外通信之前通常会发出ARP请求报文，由于ARP请求报文是由终端设备的CPU发出的协议报文，因此CPU发出时不带任何VLAN ID。该ARP请求报文到达第一交换芯片的P3口后，由于报文没有携带VLAN ID，此时第一交换芯片根据P3的PVID（Port-baseVLAN ID，端口的VLAN ID）来决定如何添加VLAN ID，假设P3的PVID为10，那么第一交换芯片会对这个ARP请求报文添加10的VLAN ID。此时ARP请求报文在第一交换芯片中转发时只能从P1口出去，由于P1口是Access属性，因此报文出去时剥掉VLAN10。该报文达到交换机的P4口后，由于P4是Sub VLAN，且属于VLAN100，交换机会给此报文打上VLAN100，然后转发到Super VLAN对应的接口处理即可。

对于需要发送的数据报文，CPU根据流量负载分担表中的信息，确定从哪个出端口发送，然后给该报文添加相应的VLAN ID，即数据报文进入到终端设备的第一交换芯片的P3口时，CPU已经给该报文添加了VLAN ID了，后续就由第一交换芯片根据正常的转发流程进行转发即可。

下行报文的处理：

下行的数据报文到了交换机后，需要查询ARP表，由于终端设备的ARP表项会学习在Sub VLAN100和Sub VLAN200内，故下行的数据报文会打上VLAN100和VLAN200，然后在VLAN100和VLAN200内都进行转发。假设此时主Sub VLAN是Sub VLAN100,到达交换机P4口和P5口后，由于P4口是属于单向阻塞状态，数据报文会丢弃。另一方面，数据报文也到达P5口，P5口是Access属性，第二交换芯片会剥掉报文内部的VLAN200，从P5口转发出去，P5口是Access口，因此打上对应的VLAN50发送。报文继续到达终端设备的P2口，由于P2接口是Access属性，且属于VLAN20，故而第一交换芯片会给报文打上VLAN20。接下来在终端设备内的第一交换芯片上转发，由于连接CPU的P3口是Hybrid属性，且对VLAN20的配置是Untag（可理解为VLAN ID剥离）处理，故第一交换芯片会剥掉VLAN20，然后将报文从P3口转发给CPU。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种终端设备，应用于视频监控系统的前端，通过交换机接入到网络中，并在视频监控系统中的管理服务器控制下为后端的客户端发送N个多媒体流，N为大于或等于1的正整数；其中该终端设备包括CPU、交换芯片以及网口连接器；所述交换芯片包括第一PHY口以及第二PHY口，其特征在于：

所述第一PHY口当前工作的引脚组合以及第二PHY口当前工作的引脚组合分别连接到网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合上；网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合通过双绞线分别连接到交换机上的网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合，交换机上的交换芯片包括的两个不同的PHY口当前工作的引脚组合分别连接到交换机上的网口连接器的第一线序组合以及第二线序组合；

所述CPU用于按照预定的流量分担算法将所述N个多媒体流进行分担，形成一对分担组合(G1，G2)，其中G1为第一视频流集合，包括M条视频流；G2为第二视频流组合，包括N-M条视频流；M为大于或等于0的正整数；其中G1与G2之间的速率差值在所有可能的分担组合中是最小的；

其中所述CPU进一步用于将所述G1内视频流的报文打上与第一PHY口对应的第一VLANID后发送给第一交换芯片，将所述G2内视频流的报文打上与第二PHY口对应的第二VLAN ID后发送给第一交换芯片。

2.如权利要求1所述的终端设备，其中所述预定的流量分担算法具体包括：

步骤A，从第一视频流集合G1(初始为V1,V2…Vi…VN)中选出速率最大的视频流Vj加入第二视频流集合G2；

步骤B，判断第二视频流集合速率总和GS2与第一视视频流集合的速率总和GS1的大小关系；若GS2大于或等于GS1，则确定G2与G1为当前一对分担组合；否则转步骤C；

步骤C，从G1中选择下一个速率最小的视频流Vk；

步骤D，若G2与Vk的速率总和GS2’大于或等于当前G1的速率总和GS1’；则将Vk加入G2，确定G2与G1为当前一对分担组合；

步骤E，若GS2’小于GS1’，且GS1’与GS2’的差值小于所有视频流中速率最小的视频流Vh，则将Vk加入G2，确定G2与G1为当前一对分担组合；

步骤F，若GS2’小于GS1’，且GS1’与GS2’的差值不小于所有视频流中速率最小的视频流Vh；转步骤G

步骤G，判断G1中是否还有未选择的视频流，如果是返回步骤C；否则返回步骤A。

3.如权利要求1所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备包括电源整合模块，用于将来自第一PHY口和第二PHY口的POE供电输入整合为一路供电输出。

4.如权利要求1所述的终端设备，其特征在于，所述交换芯片通过第三PHY口连接到CPU，其中该第三PHY口被配置为混杂模式Hybrid；所述第一PHY口以及第二PHY口被配置为接入模式Access。

5.如权利要求1所述的终端设备，其特征在于，所述CPU进一步通过交换芯片发送控制报文，其中控制报文为无VLAN ID的报文。