（信号与信息处理专业论文）基于无线局域网的视频监控系统的研究实现.pdf

摘要 摘要 在监控领域中，数字化和网络化是一种发展趋势，可广泛应用在电信、电力、 交通、银行、水利、智能大厦等领域。视频监控系统能实时、形象、真实地反映 被监控对像，长时间获取被监控对象的信息，极大地提高管理效率和自动化水平。 数字视频监控系统是电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术快速发展并 相互结合的高新技术产品。本文提出基于p d a 移动平台的视频监控方法，改善 了传统固定、集中式的监控方式，实现了在无线局域网内随时随地的监控，有利 于提高实际的监控力度和灵活性。 本文针对数字视频监控中的关键技术进行分析和研究，并实际开发了一个基 于无线局域网的移动视频监控验证系统。本文首先设计了视频监控系统的整体结 构，对系统的软件实现进行了分析，并划分出功能模块。研究了视频监控中所应 用的多媒体相关技术，包括视频编解码、7 w 、d i r e , c t s h o w 技术等针对视频 数据网络传输中的重点、难点技术，提出了解决方案，利用w m s o c k 和i o 完成 端口模型方法，实现了视频监控服务器端对多个监控客户端同时访问的管理。解 决了p d a 软硬件环境的限制及w m d o w sm o b i l e 程序开发和移植中的困难，在 p d a 移动客户端上实现了h 2 6 3 视频实时解码、再现。同时，本文对云台控制 系统的控制原理及功能进行了研究，实现了p d a 对云台的无线控制功能。 本文提出的基于无线局域网的移动视频监控系统，利用w l a n 的优势，弥 补了传统视频监控的不足，利用p d a 监控平台实现了移动视频监控，具有非常 高的实用价值，也是本课题的一个独创点。 关键词视频监控；网络传输；t c p 口；p d a ) w l a n 北京工业大学工学硕士学位论文 i l l a bs t r a c t i nm o n i t o r i n gr e a l m ，t h ed i g i t a la n dn e t w o r ki sad e v e l o p i n gt r e n dt h a tc a nb e e x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so f t e l e c o m m u n i c a t i o n ，p o w e r ，w a n s p o r t a t i o n ，b a n k ， i r r i g a t i o nw o r k s ，i n t e l l i g e n c em a n s i o ne t c 1 1 1 ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mc a n r e a l - t i m e l y , v i s u a l i y ，t r u l yr e f l e c tt h et h i n g st h a ti ss u p e r v i s e da n dc o n t r o l l e d , a n da l s o c a no b t a i nt h ei n f o r m a t i o no fi t , w h i c hi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fm a n a g e m e n ta n d t h el e v e lo f a u t o m a t i z a t i o n n ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi san e wt e c h n i q u e p r o d u c t t h a t e l e c t r o n i c s , c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n sj o i n i n gt o g e t h e r w i t h a u t o m a t i z a t i o nt e c h n i q u ea n dd e v e l o p i n gq u i c k l y i nt h i sp a p e rav i d e os u r v e i l l a n c e m e t h o db a s e do np d am o b i l ep l a t f o r mi sp r o p o s e d ，w h i c hi m p r o v e dt h et r a d i t i o n a l f i x e d , c e n t e r e dm o n i t o r i n gm o d ea n dr e a l i z e ds u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gw h e r e v e r a n dw h e n e v e ri nt h er a n g eo fw l a n n 陀m e t h o de n h a n c e st h ea c t u a ls t r e n g t ha n d f l e x i b i l i t yo f m o n i t o r t h r o u g ha n a l y s e sa n dr e s e a r c h e so ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nd i g i t a l v i d e os u r v e i l l a n c e ，t h i sp a p e rc o m p l e t eam o b i l ev i d e os u r v e i l l a n c ev a l i d a t es y s t e m b a s e do nw l a n f i r s to fa l l ，d e s i g nt h es t r u c t u r ea n da n a l y z e dt h er e a l i z a t i o no f s y s t e ms o f t w a r et om a r ko f ft h ef u n c t i o nm o d u l e s t h e n ，r e s e a r c h e st h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g i e sa p p l i e di nv i d e os u r v e i l l a n c e , s u c ha sv i d e oc o d e c v f w , d i r e c t s h o we t c a c c o r d i n g t ot h ee m p h a s e sa n dd i f f i c u l t i e si nv i d e od a t at r a n s m i s s i o n , f m das o l u t i o n w h i c hu s i n gg r m s o c ka n di 0c o m p l e t i o np o r tm o d e lt oc o m p l e t em a n a g e m e n to f s e v e r a lc l i e n t sc o n n e c tt ot h es 锄es e r v e r r e s o l v e dt h el i m i t a t i o nt op d as o f t - w a r e a n dh a r d w a r e ，o v e r c o m e dt h ed i f f i c u l t i e si nw m d o w sm o b i l ep r o g r a m m ea n d p l a t f o r m ，h 2 6 3d e c o d i n ga n dr e p l a y i n gr e a lt i m e l yi sa c c o m p l i s h e d a tt h es a m e t i m e , d os o m er e s e a r c h e s0 nt h et h e o r i e so fc r a d l eh e a dc o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z e w i r e l e s se o n t r o lf u n c t i o n so fp 】d _ a t h em o b i l ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nw l a nm a k e s 眦o ft h e a d v a n t a g e so fw l a n ， e o v c i st h e s h o r t a g e o ft r a d i t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c e ， a c c o m p l i s h e sm o b i l ev i d e os u r v e i l l a n c eu s i n gp d ap l a t f o r m , w h i c hh a sv e r yp r a c t i c a l v a l u ea n di t sa l s oa no r i g i n a lc r e a t i o no f t h ep a p e r k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ；n e t w o r kt r a n s m i s s i o n ；t c p i p ：p d a ；w l a n - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名。 勐脚 1 日期：如哆f 巧 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 魏磷一名：锄隰砷巧谐 第1 章绪论 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着人们安全意识的提高，对安防的要求也越来越高，单纯的人员看守已不 能适应现代保安的要求，利用科学的监控系统对特定场所进行监控已是当代安防 系统中一个必不可少的重要组成部分。监控系统主要用于对重要区域或远程地点 的监视和控制，在银行、金融，水利、航运、大型企业、治安、消防、小区安保 等领域具有举足轻重的地位 数字监控系统是通过数字化的视频服务器，利用先进的信息工程技术，把传 统的视频信号通过网络传输，实现远程实时监视本地所发生的状况它具有传输 速度快，信号稳定不受干扰等优点，而且对数据的存储也在不断的扩大，大大超 越了以前的传统模拟监控系统的存储空间具有使用方便，操作简单，系统稳定， 图像清楚等优点。 传统的视频监控系统，包括模拟视频监控和数字视频监控，大多是以有线的 方式传输视频信号，监控人员必须在固定位置对现场进行监控。本课题提出的基 于无线局域网的移动视频监控系统，利用无线局域网技术无需布线、在一定区域 漫游、运行费用低廉等优点，并在移动监控客户端p d a 上实现了视频的移动监 控功能。应用此移动监控系统的监控人员，可在无线局域网覆盖范围内实现随时 随地的监控，提高了监控的灵活性和监控的力度。 本课题将无线局域网的技术标准和功能优势应用于数字监控领域，并实现了 视频监控服务器端和p d a 客户端的软件，具有一定的实用价值。 1 2 视频监控技术的发展 视频监控是一个具有广泛应用的领域，它的发展主要经历了三个不同阶段 0 , 2 1 ：模拟视频监控、多媒体微机平台( 嵌入式系统) 的数字视频监控和基于嵌 入式网络视频服务器技术的数字化网络视频监控 第一代：模拟视频监控 模拟视频监控系统的发展较早，目前常被称为第一代监控系统。系统拥有的 特点包括：视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式，质量最高；经过 几十年的发展，技术成熟，系统功能强大、完善。目前，模拟视频系统存在的问 题主要有：只适用于较小的地理范围；与信息系统无法交换数据；监控仅限于监 控中心，应用的灵活性较差；不易扩展。 第二代：基于微机平台的数字视频监控( d v r ) 北京工业大学工学硕士学位论文 d v r ( 数字硬盘录像机) 是近几年迅速发展的第二代监控系统。采用微机和 w i n d o w s 平台，在计算机中安装视频压缩卡和相应的d v r 软件，不同型号视频 卡可连接1 2 4 路视频，支持实时视频和音频，是第一代模拟监控系统升级实现 数字化的可选方案。d v r 系统从监控点到监控中心为模拟方式传输，与第一代 系统相似存在着许多缺陷，要实现远距离视频传输需铺设( 租用) 光缆、在光缆 两端安装视频光端机设备，系统建设成本高，不易维护且维护费用较大。 第三代：数字化网络视频监控 数字化网络视频监控系统使用现有的网络系统，采用嵌入式的“网络视频服 务器”，实现从监控点前端、监控中心、监控工作站的数字化处理，是监控系统 发展的必然趋势。 网络数字视频系统具有明显的优势： ( 1 ) 利用现有的网络资源，不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备， 轻而易举地实现远程视频监控。 ( 2 ) 系统扩展能力强，只要有网络的地方增加监控点设备，就可扩展新的 监控点。 ( 3 ) 维护费用低，网络维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免 维护系统。 ( 4 ) 系统功能强大、利用灵活、全数字化录像方便于保存和检索。 ( 5 ) 在网络中的每一台计算机，只要安装了客户端的软件，给予相应的权 限就可成为监控工作站。 除了数字化网络视频监控的优势，本课题所提出的基于无线局域网的视频监 控系统更融合了无线局域网相比传统有线网络的特点和优势，使视频监控具有了 移动的功能。 1 3 课题的研究内容 本文提出了一种基于无线局域网的移动视频监控系统的设计方案，监控人员 可以通过手持终端p o c k e t p c 、p d a 等移动设备在一定范围内的任何区域监视区 域点，并可以控制摄像设备转动，选择、定位重点监测目标和监控范围。这样监 控人员发现情况就能够及时赶往现场，既提高了监控的力度，又提高了工作效率。 本课题实现的移动视频监控系统，将前端摄像设备采集到的原始图像传送到 监控服务器上，采用客户端服务器模式，客户端为手持终端p o c k e tp c 、p d a 等 移动设备，通过无线路由器接入无线局域网，完成网络数据接收、云台远程控制 及视频解码与再现。这个系统主要包括前端摄像设备、主控服务器、无线局域网 络设备、移动终端设备等 第1 苹绪论 本系统从设计到实现，主要涉及的关键技术包括视频图像的压缩编解码技 术，视频图像的网络传输技术，v f w 、d i r e c t s h o w 技术，云台串口通讯，w m d o w s m o b i l e 程序开发等等 1 3 1 网络技术 本课题的核心是视频数据的实时高效传输。首先基于i e e e8 0 2 1 l b g 无线局 域网传输协议，设计了整个视频监控系统的网络拓扑结构。提出了适合基于无线 局域网的移动视频监控系统的网络传输技术，并具体实现为了实现多个客户端 同时访问同一个视频服务器，采用了i o 完成端口模型，使视频服务器支持大规 模的客户端连接。建立了监控现场计算机与终端计算机之间的无线视频数据传输 链路，以及与终端p d a 之间的无线视频数据传输链路。 1 3 2 多媒体技术 对视频编解码技术进行了研究，在分析和比较当前各种视频编解码技术标准 的基础上，提出了适合本课题的编解码标准。 同时，对视频采集、显示及回放技术进行了研究，对v f w 和d i r e c t s h o w 技 术进行了比较，并提出了各自的应用场合，分别进行了实验，在系统开发过程中 得到了很好的验证 1 3 3 云台控制技术 利用云台可以扩大监控的范围和力度，手持p d a 移动终端的监控人员通过 对云台的控制就能随意调整视角，定位监控重点 本课题实现了对云台的本地控制和远程无线控制，其中研究了串口通信技 术，r s 2 3 2 和r s 4 8 5 标准及其转化方法 1 3 4p d a 平台应用程序开发 本课题研究了p d a 系统及p d a 软件开发的相关内容和方法，最终在p d a 移动终端上实现了视频监控软件课题研究过程中分别在基于w m d o w sm o b i l e 2 0 0 5 平台和w m d o w sm o b i l e2 0 0 3 平台的p d a 上开发了视频监控客户端程序 w m d o w sm o b i l e2 0 0 5 和w m d o w sm o b i l e2 0 0 3 都是在w i n d o w sc e 操作系统上高 度定制的系统。开发w m d o w sm o b i l e2 0 0 5 应用程序采用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 开发 环境，开发w m d o w sm o b i l e2 0 0 3 应用程序采用e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 开发环 境。利用c h 语言实现h 2 6 3 的解码程序，能够满足视频解码的实时性要求；利 北京工业大学工学硕士学位论文 用w m s o e k 编程实现p d a 与监控现场计算机的通信，传输云台控制信令。 通过对这些关键技术的研究，确定了本课题提出的移动视频监控系统的设计 方案，并通过实验进一步验证方案的可行性。 1 4 论文内容安排 本文共分六章： 第一章：绪论，对本论文研究背景和研究内容的概述； 第二章：相关开发技术和开发环境描述，介绍了本课题涉及到的相关知识， 包括计算机网络、无线局域网、p d a 开发环境等； 第三章：移动视频监控系统的总体设计，提出了移动视频监控系统总体设计 包括系统的设计目标，系统的硬件构成设计和监控系统软件的总体设计； 第四章：视频监控服务器的设计实现，对视频监控服务器的设计实现过程做 了详细描述： 第五章：p d a 移动监控客户端的设计实现，对p d a 监控客户端视频接收、 解码、回放及云台远程控制功能的实现做了详细描述： 第六章：移动视频监控系统测试，对本课题实现的基于无线局域网的移动视 频监控实验系统软件包括视频监控服务器和p d a 监控客户端软件的测试方法和 结果。 最后是结论部分，在总结本论文完成情况的基础上，指出下一步工作的进展 与设想。 第2 章相关开发技术和开发环境描述 第2 章相关开发技术和开发环境描述 本课题提出的基于无线局域网的视频监控系统的设计开发，涉及的内容非常 广泛。计算机网络、无线局域网、p d a 开发环境等相关知识都会在本课题开发 过程中应用到，要完成本课题的设计目标，必须理解、融合这些相关内容 2 1 无线局域网 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la 佗an e t w o r k ) 【3 l 是对有线局域网的无线扩 展，实现了不论何时、何地、与任何人进行包括数据、语音、图像等任何内容的 通信。w l a n 是通过无线通信方式实现有线局域网的功能，并以比有线网络更 加低廉的价格和更加方便、灵活的方式进行网络安装和维护。w l a n 可以适用 于有线局域网适用的场合，如高速i n t o n e t 、企业网( 1 n u j a e t ) 、校园网和家庭等。 在应用需求的推动和w l a n 自身技术的不断发展下，w l a n 应用日趋成熟，出 现了与电信网络融合提供公共w l a n 服务的趋势，即所谓的o w l a n 。现在许 多的网络运营商和无线i n t c r n c t 服务提供商( w l s p ) 越来越意识到，建设运营商级 公共w l a n 网络，在各种热点地区( 如办公室、机场、火车站和宾馆等) 为用户 提供速率更高、质量更好的移动宽带接入服务，将会成为无线通信市场新的业务 增长点。本课题正是基于无线局域网的优势以及广阔的发展前景，提出了建设在 无线局域网之上的移动视频监控系统 2 1 1w l a n 传输方式的选择 w l a n 的传输方式涉及w l a n 采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。 目前w l a n 采用的传输媒体主要有两种，即微波与红外线。在采用微波做为传 输媒体的w l a n 依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式【4 】。 ( 1 ) 扩展频谱方式 在扩展频谱方式中。数据基带信号的频谱被扩展至几倍几十倍再被搬移至 射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力 和安全性。由于单位频带内的功率降低，对其它电子设备的干扰也减小了。采用 扩展频谱方式的w l a n 一般选择所谓的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 频 段。如果发射功率及带外辐射满足美国联邦通信委员会口c c ) 的要求，则无需向 f c c 提出专门的申请即可使用这些i s m 频段 ( 2 ) 窄带调制方式 在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不傲任何扩展即被直接搬移到射频 北京工业大学工学硕士学位论文 发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。采 用窄带调制方式的w l a n 一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的 许可方可使用。 ( 3 ) 红外线方式 最近几年基于红外线的传输技术有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器 几乎都是采用的红外线传输技术。做为w l a n 的传输方式，红外线方式的最大 优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线管理委员会 的限制。然而，红外线对非透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限制。 从目前的应用来看，市场上大部分的w l a n 产品均为扩展频谱方式，且大 多数为直接序列扩频产品，考虑到其使用的频段无需申请、传输距离适中、抗干 扰能力强，以及该类型产品应用的广泛性，在本课题中采用了2 a g 直序扩频的 w l a n 路由器来组建无线局域网。 2 1 2w l a n 技术标准的选择 目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈， 主要有i e e e8 0 2 11 家族、h o m e r f 、h y p e r l a n 2 等，它们各有特点，其应用领 域也不尽相同。本课题依据技术成熟度、设备兼容性等原则选择适合于本课题的 协议标准，并在此基础上选择符合此协议标准的设备来构建网络p “。 ( 1 ) l e e e 8 0 2 1 1 这是i e e e 于1 9 9 7 年6 月提出的第一个w l a n 标准，主要规范了开放式系 统互联参考模型的物理层和媒体接入控制( m a c ) 层。物理层确定了数据传输的信 号特征和调制方法，定义了红外线、直接序列扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f t s s ) 三 种不同的物理媒体。其中定义的d s s s 和f h s s 为射频传输标准，d s s s 采用 d b p s k 或d q p s k 基带调制方式，f h s s 采用g f s k 调制方式。m a c 层采用载 波检测多址接入胂突避免( c s m a c a ) 方式来让用户共享无线媒体，8 0 2 1 l 工作 在2 a g h z 开放频段上( 即i s m 频段) ，支持的数据传输速率为1 - 2 m b i t s ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 1 b 也称为晰f i ，是1 9 9 9 年9 月通过的，目前在w l a n 市场上占主导的标准。 其工作在2 4 0 - 2 4 8 3 5 g h z 频段上，物理层采用d s s s 和补码键控( c c k ) 调制方式。 为了保证w l a n 的传输效果，8 0 2 1 l b 可以根据实际传输环境的变化，在 l l m b i t s ，2 m b i t s 以及1 m b i t s 的不同速率之间自动切换，这样可以在一定程度 上保证数据传输的稳定性；并且在2 m b i t s 以及1 m b i t s 速率时可与i e e e $ 0 2 1 1 兼容。在网络安全机制上，8 0 2 1 l b 提供了m a c 层的接入控制和加密机制，达 到与有线局域网相同的安全级别。 第2 章相关开发技术和开发环境描述 ( 3 ) i e e e s 0 2 1 l a 它规定物理层使用i s m 的c 频段( 即5 7 2 5 5 8 5 g h z 频段) ，可采用正交频分 复用( o f d m ) 和b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 4 种基带调制方式，数据传输 速率为6 - 5 4 m b i t s 动态可调。目前符合该标准的产品还没有进入市场。该标准与 i e e e 8 0 2 1 i b 不兼容 ( 4 ) i e e e 8 0 2 1l g 为便于i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 之间的过度，2 0 0 1 年1 1 月1 5 日，i e e e 又推出了候选8 0 2 1 l g 。它是一个能够前后兼容的混合标准，同时采用 1 e e e 8 0 2 1 i b 中补码健控( c c k ) 调制和i e e e s 0 2 1 l a 中的正交频分复用( o f d m ) 调 制方式该技术使无线网络每秒传输最大速度可达5 4 m b p s ，比现在通用的8 0 2 1 i b 要快出五倍，并且和8 0 2 1 i b 兼容 ( 5 ) i e e e s 0 2 1x 称为基于端口的访问控制协议，是为了提高i e e e 8 0 2 1 l b 的安全性能而制定 的。它对论证方式和论证体系结构进行了优化，解决了传统p p p o e 和w e b p o r t a l 认证方式存在的问题，更适合在宽带以太网中采用闭 ( 6 ) i e e e 8 0 2 1 li 又称a e s ( 先进加密标准) ，是一个正在开发的，提高w l a n 安全性的标准。 它是有线等效保密的替换，建立在剐n d a e ls y m m e t r i ce n c r y p t i o n 算法之上，综合。 了全新保密算法和验证机制，支持1 2 8 b i t ，1 9 2 b i t 和2 5 6 b i t 密钥长度| 6 1 。目前 i e e e s 0 2 1 l i 实际上就是i e e e 8 0 2 1 l a 的安全解决方案。 本课题中考虑到要传输视频数据，为确保有足够的带宽可以使用，选用了_ 款8 0 2 1 l g 兼容8 0 2 1 l b 的产品 2 2w i i l s o c k 实现 s o c k e t 是一种基于t c p i p 的网络编程接口【l 羽，它采用客户端，服务器通信 模式，客户端和服务器端通过s o c k e t 接口在网络上实现连接和数据交换。它提 供了一系列系统调用，因此可以方便的使用t c p 和u d p 等网络协议实现通信。 s o c k e t 最先是集成在u n i x 系统中的，随着g r m d o w s 操作系统的广泛使用， 就制定了一套w m d o w s 下的t c p f i p 网络编程接口标准，这就是w m s o c k 。它提 供了一套简单的a p i 函数，通过调用这些a p i 函数，就能充分的利用g r m d o w s 消息驱动机制进行网络编程。目前，w m s o c k 已被集成到w m d o w s 9 5 ，w i d o w s 9 8 ， w i n d o w s 2 0 0 0 ，w m d o w s n t ，w t m d o w s x p 中，它已成为w i n d o w s 操作系统下网 络编程的标准。w m d o w s 下的i n t e m e t 软件大都是基于w m s o c k 开发的。 g r m s o c k 定义并记录了如何使用a p i 函数与t c p i p 连接。应用程序通过调 北京工业大学工学硕士学位论文 用w i n s o c k 的a p i 函数实现相互之间的通信，w i n s o c k 又利用下层的网络通信 协议和操作系统调用实现实际的通信工作。 w i n s o c k 支持两种编程模式，一种是基于t c p 协议的数据流模式，另一种 是基于u d p 协议的数据报模式。 2 2 1 基于t c p 协议的w i n s o c k 编程 使用t c p 协议实现的通信是面向连接的通信 t 3 j 4 1 。这种通信方式要求通信 双方在通信前必须先建立连接。类似于电话服务系统，每一次完整的通信过程都 要经过建立连接、使用连接、终止连接三个过程。它具有确认、流量控制和拥塞 控制。 服务器 玉圆 上囱 囱 囱 客户螭 圆 圈2 - 1t c p 客户端，服务器模型时序圈 等机制，可以为用户在不可靠的通信线路上提供可靠的、端到端的、全双工的数 据流通信服务。当数据在传输过程中出错或丢失时，发送方就重发出错数据，以 保证接收方能够按序接收到正确数据 w m s o c k 基于t c p 协议的编程步骤如图2 - l 所示。 在v c 6 的m f c ( m i c r o s o r 基础类库) 中提供了支持g r m s o c k 编程的类，主要 有c a s y n c s o c k e t 类和c s o c k e t 类。c a s y n e s o e k e t 类封装了w i n d o w s s o c k e ta p i 函数，和c s o c k e t 类相比，它既有类库编程的方便性，又有s o c k e t a p i 函数编程 的灵活性。而c s o c k c t 类是c a s y n c s o c k c t 类的继承类，它相对来说具有较高的 第2 章相关开发技术和开发环境描述 抽象性。 在用流套接字进行网络编程时，服务器进程首先调用c a s y n c s o c k e t 类的成 员函数c r e a t e ( ) 建立一个套接字，并用b i n d 0 把它绑定到一个未使用的端口上， 然后调用l i s t e n 0 函数在该端口监听连接请求。当没有连接请求时，服务器进程处 于休眠状态。客户进程创建一个套接字并把它绑定到一个未使用的端口上后，就 可以调用c o n n e c t 0 函数向服务器进程发出连接请求。当服务器进程监听到有客 户端进程套接字向该端口发出连接请求时，服务器进程就被唤醒，生成一个新的 字节流套接字，并用新套接字调用a c c e p t 0 函数同客户进程的套接字建立连接， 而服务器进程最早生成的那个套接字则继续用于监听网络上的其他连接请求。连 接建立成功后，双方就可以调用s e n d 0 或r e c e i v e 0 函数进行全双工的数据传输。 通信结束后，通信双方分别调用c l o s e 0 函数撤消套接字并断开连接。这样就完 成了一次数据通信。 2 2 2 基于u d p 协议的w i n s o c k 编程 使用u d p 协议实现的通信是面向无连接的通信。这种通信方式也叫做数据 报通信方式在通信前，双方无需建立连接，可直接收发数据。发送的每个分组 都携带有完整的目的地址，各分组在网络中都独立传送。发送方不管对方是否收 到或正确接收，只要有数据就发送，而接收方仅负责接收数据，不管数据正确与 否，且不向发送方发送应答信息。因此，在接收方不能保证收到分组的正确性和 到达的先后顺序，分组在传输途中可能丢失或出错，而后发的分组也可能先到达。 由于该通信方式取消了端到端的确认和重传机制，因此，在通信线路质量有保证 的情况下，能够达到较高的通信速率。 w m s o c k 基于u d p 协议的编程模型如图2 - 2 所示。 在通信开始前，通信双方首先都调用c r e a t e 0 函数建立一个套接字并用b i n d 0 函数把它绑定到一个未使用的端口上，然后双方通过s e n d t 0 0 或r e c e i v e f r o m 0 函数就可以实现全双工的数据通信。通信结束后，双方可以调用c l o s e 0 函数关 闭套接字。这就实现了一次完整的通信。在通信过程中双方处于对等地位，都可 以同时作为服务器进程和客户进程 对于控制信息，采用t c p 协议，以保证其可靠性，而对压缩后的视频数据， 由于数据量较大，实时性要求较高，采用u d p 协议，以保证其传输效率。本课 题采用了基于支持t c p 和u d p 协议的w m s o c k 网络编程方法，实现了视频数据 和控制信息的实时传输。 北京工业大学工学硕士学位论文 主控服务器 圃 豳厕甜南 圈2 - 2u d p 霭：户端，殿务器模型时序图 2 3 流媒体传输协议r t p r t c p 实时传输协议r t p ( r e a l - t i m e t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 是i n t e m e t 针对多媒体数据流 的一种实时传输协议【”。”，能为具有实时特性的数据( 例如交互的音频和视频数 据) 提供端到端的数据传输服务。由于在t c p 协议的数据传输中采用等待确认和 错误重发机制，它所产生的时延对于实时视频和音频来说是无法忍受的，因此 r t p 是基于u d p i p 网络设计的。r t c p 是与r t p 同时存在并协同工作的控制协 议。它通过定义的各种包来承载控制信息，以监视网络服务质量、通信带宽以及 网上传送的信息，并将其通知发送端。下面将详细介绍r t p r t c p 协议的内容。 r t p 协议( r e a l - t i m et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 是由i e t f 的a v t 小组开发，1 9 9 6 年成 为r f c 正式文档。r t p 协议是用于支持连续媒体通信传输层的协议，其核心思 想是提供多媒体数据再现时的时钟同步信息，这是与目前i n t e r n e t 网络上实时采 用u d p 作为传输层协议不同的。至于如何完成信息的传输是由下层网络功能所 完成，与r t p 协议无关。r t p 协议和口协议一样包含两个部分：应用于数据通 信的r t p 协议和应用于控制信息的r t c p ( r e a l - t i m et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 仂, 议。 r t p - - 传输具有实时特性的数据； r t c p 一监测q o s 和传送参与会议者的信息。 r t p ( 实时传输协议) 在u d p 的上层，从上层接收多媒体信息码流( 如视频流) ， 组装成r t p 数据包，然后发送给下层u d p ，相当于o s i 的会话层，提供同步和 排序服务。故r t p 协议适用于传送连续性强的数据，如视频、音频等，并对网 络引起的时延差错有一定的自适应能力。r t c p 为实时控制协议，用于管理控制 第2 章相关开发技术和开发环境描述 信息，如监视网络的延时和带宽，一旦所传输的多媒体信息的带宽发生变化，收 端则通知发端，广播符号化识别码和编码参数。再上层为应用层，主要有音频、 视频、数据等。此外，如果底层网络支持多点广播的话，r t p 还支持使用多点传 播向多个目的端点发送数据( r t p 用于u d p 数据封装时的情形如图2 - 3 所示) 致据( 净荷类型) r t p 头数据( 净荷类型) u d p 头r t p 头数据( 净荷类型) i 口头 u d p 头r 1 1 p 头数据( 净荷类型) i 图2 - 3r t p 数据的封装 r t p 数据包由固定的r t p 数据头( 如图2 4 所示) 、一个可能空的作用资源 表和有效载荷数据( p a y l o a d ) 、如实时的音频或视频压缩编码后的数据组成。 版本弓 填充但扩展位c s r c 计标记位畿荷类序列写 ( 2 倥)( 1 伎) ( 1 位)数( 4 霞)( 1 经)型( 7 位)( 1 6 位) 时间戳3 2 霞 $ s r c 标示符( 3 2 佼) c s r c 标示符0 ( 3 2 位) c s r c 标示符1 ( 3 2 霞) 圈2 4k i p 头格式 在r t p 数据包中，提供了包内数据类型的标志( 哪，用于说明多媒体信息所 采用的编码方式。 在多媒体数据头部加上时问戳( t i m e s t a m p ) ，依靠时问戳可使在接收端的数据 包的定时关系得以恢复，从而降低了网络引起的延时和抖动。 根据序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 可以在接收端进行正确排序和定位，以及统计 包丢失率在r t p 分组格式中，与实时传输密切相关的字段是：序列号( s e q u e n c e n u m b e r ) 、时间戳( t t m e s t a m p ) 和同步源标志( s y n c h r o n i z a t i o ns o u c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r ) 。序列号是一个1 6 b i t s 的序列空间，其初始值随机产生。在发送数据时， 北京工业大学工学硕士学位论文 每个r t p 数据包将前一个包的序号加i 作为自己的序列号。接收方通过检测收 到的包的序列号，进行数据包序列的重建和定位。 时间戳为3 2 b i t s ，是r t p 数据包第一个字节的采样瞬间。这个采样时间是从 一个时间单调增长的时钟获得，以便于同步和抖动计算。可以通过时间戳来提供 适合传送实时信息和不同媒体流之间的同步控制机制。 在每一个r t p 会话( s e s s i o n ) 中，每一个用户都可以提供多种媒体源。r t p 通 过随机产生的s s r c 来惟一标志一个媒体源，这个惟一性通过应用程序采用避免 冲突的算法来保证。如果媒体源改变了其源传输地址，它必须选择一个新的s s r c 标志。 r t c p 依据携带控制信息的不同，分为五种分组类型：发送方报告s r 、接 收方报告r r 、资源描述条目s d e s 、结束参与显示包b y e ，以及特别应用功能 a p p 。s d e s 包又根据参与者提供的信息不同可分为：c n a m e ，n a m e , e m a i l ， p h o n e ，l o c ，t o o l ，n o t e ，p r i v 几种类型，其中c n a m e 是必须的。 本课题根据r f c 中r t p r t c p 的描述，用c + + 语言实现了该协议 2 4 i o 完成端口 2 4 1i o 完成端口的概念 “i o 完成端口”l l 州实际上是一种w m d o w s 采用的i o 构造机制，或是消息 队列。采用这种模型后，操作系统会把已经预先定义好的重叠i o 请求的通知放 入消息队列中，并先创建好一定数量的工作者线程来处理这些通知。当某一项i o 操作被提出后，那个可以对该操作进行处理的工作者线程就会收到一则通知，并 进行相应的处理。由于完成端口是采用的接收消息响应和执行处理消息过程相分 离的做法，所以它对于管理为数众多的套接字、提升系统性能是非常有用的本 课题利用完成端口在服务器端实现了对多个套接字的管理。 2 4 2i o 完成端口与网络应用开发的关系 完成端口中所谓的“端口”并不是在t c p i p 中所提到的端口，可以说是完 全没有关系。完成端口只不过是用来进行读写操作，和文件i o 有些类似。既然 是一个读写设备，所能要求它的只是在处理读与写上的高效。 在2 2 节中讲述的关于w i n s o c k 程序开发的过程是这样的；当s o c k e t 创建 完毕，服务器端调用a c c e p t 0 后程序被挂起，等待一个客户端发出请求，然后创 建新线程来处理请求；当新线程处理客户请求时，起初的线程循环回去等待另一 个客户请求处理客户请求的线程处理完毕后终结。这是一种并发模型，对每个 第2 章相关开发技术和开发环境描述 客户请求都创建了一个线程。其优点在于等待请求的线程只需做很少的工作。大 多数时间中，因为r e c v 处于堵塞状态，该线程在休眠。 但是当并行模型应用在服务器端，处理很多同时的客户请求时意味着很多线 程并发地运行在系统中。因为所有这些线程都是可运行的，没有被挂起，系统内 核花费了太多的时间来转换运行线程的上下文，所以真正的工作线程就没有得到 很多的c p u 时间来做它们的工作，浪费了很多c p u 的资源。并行模型的瓶颈就 在于它为每一个客户请求都创建了一个新线程，而创建线程是要占用系统资源 的。 f o 完成端口模型是事先开好n 个线程，让它们在那里h o l d