基于加密算法的智慧园区视频监控上云系统设计
来源:用户上传
作者:苏鹏飞
摘 要：阐述了一种基于加密算法的智慧园区视频监控上云系统设计，将传统仅能在局域网访问的园区视频监控搬上云端，同时通过加密算法，对上传云端的数据进行加密，然后对播放逻辑进行改造，经过解密后才能执行视频解码播放，支持多种方式访问的同时确保了数隐私的安全。
关键词：视频监控；加密；远程监控
随着数字中国的建设，特别是视频监控设备的国产化和设备研发制造成本快速下降，视频监控设备快速普及，并被广泛应用于各类园区，如景区、产业园区、社区等。出于安全和成本等原因，这些监控设备分布在各自独立的智能化专网，处于封闭运行的状态。调阅实时监控的方式主要在监控指挥中心，通过现场视频监控平台及大屏完成。近年手机移动应用快速普及，催生了远程实时查看视频监控的需求，比如景区大门口实时人员状态、应急处突管理的现场视频、产线生产的实时状态、重点实验室的运行情况等多种多样的需求。目前已经有很多家庭用级别的网络监控摄像设备及系统，可以满足简单场景下远程监控的基础需求。但是，受限于成本及摄像机的性能，无法在园区内大量普及。
在园区部署视频监控设备上云的系统，即可以实现远程监控的需求，通过园区本地部署的NVR设备获取前端的实时码流，经转码、加密、上云发布等流程，完成视频流上云的过程，在经过应用端的下载、解码、播放等，完成园区视频监控的远程实时查看。
1 视频监控上云技术
视频监控上云，如要确保视频内容安全，需要本地视频流经过转码，然后通过加密算法对视频内容进行加密，然后再上云传输，前端应用下载解密后，即可进行播放，完成远程监控的目的。
1.1 视频转码技术
FF MPEG是个开源跨平台多媒体数据解决方案[1-2]，具备强大的编码、解码、转码能力，支持HTTP、RTSP、RTMP等多种协议，并且支持不同协议视频格式的转码，比如RTSP转成RTMP或HLS等格式。
开源RTMP架构SRS结合开源编解码库FF MPEG可以实现视频直播播放[3]，本系统的远程视频监控功能类似直播平台，可以实现一次转码分发，多终端同时观看的效果。
1.2 视频加解密算法
本系统为了确保视频监控的安全，在编解码节点增加了加解密算法。算法在数据块的第28～40字节增加干扰数据串，其余数据通过简单4个字节1组，同一4个字节的密钥进行异或操作，实现视频数据的加解密。下面就分别就加解密算法进行描述。
1）加密算法
直接跳过第28到第40个字节，其余的数据按照四个字节一组同密钥进行异或操作复原数据。
2 监控上云整体方案
整体方案分为视频上传及视频下载两个部分，详见系统图1。视频上传部分包括前端NVR实时码流获取，视频格式转码，视频流数据加密及加扰，传输上云几个模块；视频下载及播放部分包括视频下载、视频解码、视频播放几个功能模块，后续将详细介绍。视频的加解密模块给视频的网络传输安全增加了一道安全屏障，确保了信息的安全。
3 系统关键模块
系统各关键模块密切配合，围绕视频流数据的安全可靠处理加工及传输等，完成园区视频监控上云及远程监控的目标。下面将分布介绍各个模块内容。
3.1 监控视频流获取
园区的视频监控设备都汇集到监控指挥中心，可以通过NVR获取其实时的视频监控流。监控摄像机都支持输出多个码流，主码流以及子码流，码流的编码格式式包括H.264、H.265等，可通过RTSP协议获取其视频流。系统首先获取所有视频监控设备的列表明细，然后在配置页面，选取众多摄像机中需要上云的设备，配置其码流地址、编码格式、账号及密码等信息。
鉴于视频流同时抓取需要消耗大量的计算资源及网络带宽，该系统视频流抓取部分，平时在“待机”状态，有前端系统请求的时候，才会启动视频流抓取的模块，根据预先设定的码流配置信息，将前端实时码流通过NVR传输到视频转码平台。系统平台支撑多路视频流数据同时抓取。
3.2 视频转码
本系统要支持多种播放终端上进行远程查看，包括PC网页、微信小程序以及移动APP等，需选取一个更加通用的协议作为传输标准，所以选择了更为通用的Webrtc格式流。原始的视频流各位RTSP标准，要转换成Webrtc格式，需要经过两次转换来完成。在视频转码的设计部分，由两个节点完成，首先通过FFMEPG组件在自研任务调度组件的支配下，以规则将视频流获取模块传输来各路的RTSP格式的视频流，转换成对应RTMP格式的流，然后将RTMP格式的流通过SRS组件，根据调度任务规则，转换成对应的Webrtc格式的流。转换流程如图2所示。
3.3 视频加密
为了保护隐私安全，系统采用本文1.2节描述的加密算法，对准备上云传输的视频流数据包进行加密。采用密钥为0x424E4C49，以视频转码节段生成的各路webrtc数据包为单位进行加密，各数据报内以4个字节1组同加密密钥按加密算法进行加密。各单位待传输数据包加密完成后，在每个数据包的第28至第40字节插入干扰串{{ 0x45， 0X4C， 0x45， 0X4B， 0X54， 0X52， 0X4F， 0X4E， 0X49，0X4B， 0X45， 0X52 }，从而完成各个数据包的加密工作，准备进入视频上云分发阶段。
3.4 视频上云
视频上云模块主要根据播放端的请求，将经过加密的数据包对应传输给指定的链接，同时用多个线程来维护链接的数据，确保经过加密的数据包准确有序地上传。
3.5 视频监控云服务平台
服务平台负责响应前端播放器的码流播放请求，根据请求码流来分配播放地址，这里就分两种情况：一种是已经有别的播放终端请求过统一码流的播放，则直接将现有播放连接分发给新的请求终端；另外一种是全新的播放请求，则需要向前端请求对应的码流，建立视频流获取、转码、加密的数据通路，并将对应的数据获取地址下方给播放器端。
视频云平台服务器还负责维护当前所有的播放链接，针对每条播放链接进行权重赋值，增加1个播放请求加1，减少1个播放请求则减1。如果在2 min内无持续的播放请求，则释放该条转码上传连接，待下次有需求后重新建立链接。
由于视频建立链接有时间及资源的消耗，为了前端用户更好的体验，系统会根据前端用户使用的情况做出是否提前启动转码链路的预测，提前建立视频流的转码上传链路，待用户真的产生请求时，即可以完成秒速响应。
视频云端服务平台的主要作用就是完成播放段与转码端的匹配，并建立数据交换链路，响应终端用户的需求，同时达到资源的优化配置，及时释放无用的资源。
3.6 视频下载
视频下载服务模块，根据前端播放器的求，从视频监控云服务器获取下载链接地址，并建立下载进程，将对应的数据下载到指定缓冲区。
3.7 视频解码播放
视频数据已经经过加密，如果直接丢给播放器，则无法进行播放，需要对称执行解密操作。播放器从对应的缓冲区获取经过加密的视频流数据，交给解密模块，解密模块根据本文1.2章节描述的解密算法，首先严重干扰字段释放正确一致，然后对其余的数据按4个字节一组，采用解密密钥0x424E4C49进行解密。解密完成的数据直接送给播放器进行播放。从而完成整个解密播放的流程。
4 系统运行效果
系统上线部署后，转码、加解密、播放各模块无缝配合，运行流畅。每路视频仅需要128 kbit/s的网络带宽，20 M的带宽即可支持200路园区本地监控视频同时远程调取的需求。图3为小程序端远程调阅的运行效果，视频从请求到播放时间1.5 s，运行流畅，画面清晰。
5 结束语
基于加密算法的园区视频监控上云系统，给智慧园区本地视频监控远程实时调阅提供了技术手段，在保障远程视频监控及时高效的同时，还给数据安全增加了一套屏障。具备良好的商业价值和广泛的推广意义，有了这套系统，再配合其他可量化的指标预警系统，即可让管理方有效掌握生成经营的状况，第一时间处理各种应急事件，有效促进园区数值转型升级。
参考文献：
[1] 吴张顺，张.基于FFMPEG的视频编码存储研究与实现[J].杭州电子科技大学学报，2006（3） ：30-34.
[2] 胡成任，平安，李文莉.基于Android系统的FF MPEG多媒体同步传输算法研究[J].计算机技术与发展， 2011，21（10）：85-91.
[3] 胡国强，周兆永，信朝霞.基于SRS的开源直播系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（16）：36-43.
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