（电力电子与电力传动专业论文）基于win+ce的移动客户端的网络视频监控系统.pdf

英文摘要 t h es y s t e mo fn e t w o r kv i d e om o n i t o r b a s e do nw i i lc em o t i o nc l i e n t a b s t r a c t t h i ss y s t e mi sa ne x t e n s i o no ft h es e c u r i t yi n d u s t r y , a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e s y s t e mo fn e t w o r kv i d e om o n i t o r t r a d i t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sc u r i n g e q u i p m e n t0 1 1t h ec o m p u t e r ，d o e sn o ts h o wv i d e om o n i t o r i n gs i t u a t i o na n y w h e r ea n d a n y t i m e ，w h i c hm a k e sr e d u c ee f f i c i e n c ya n dh a sl e dt os t a f fr e d u n d a n c y t h e r e f o r e ，t h i s t r a d i t i o n a ls y s t e me q m p m e n tw i l lb ed i f f i c u l tt om e e tt h ef a s t - p a c e dd e m a n d so f c u s t o m e r s 、i n lt h ei i l c 嬲ei nd e m a n da n dt h ec u s t o m e r sn e e das y s t e mt h a tp r o v i d ea f a s t e ra n dm o r ec o n v e n i e n ti nu s e t h ef o c u so ft h i sp a p e ri sr e a l i z e dt h r o u g hm o b i l e c l i e n tv i d e om o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r , t h em o n i t o r i n gs y s t e mc l i e n ti sas m a r tp h o n e ，w h i c hl a n d ss c l r v e r t h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k ，a p p l yd a t at r a n s m i s s i o n , d e c o d ea n db r o a d c a s t , i no r d e rt o a c h i e v er e a l - t i m e ，c o n v e n i e n ta n df l e x i b l em o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s i nt h ep r o c e s so f a c h i e v i n g , t h i sp a p e rs m d y sa n da c h i e v e st c p k l pp r o t o c o l ，w h i c h m a k et h ec l i e n tt oa c h i e v et h ep u r p o s es e r v e r , a tt h es a l l et i m ec h e c kau s e rn a m ea n d p a s s w o r dt oe n s u ed a t as e c u r i t y w h e ne s t a b l i s h i n gc o n n e c t i o n s ，a c c o r d i n gt o t h e c u s t o m e r sr e q u e s t ，s e r v e rc o m p r e s s e st h ed a t aa n ds e n d so u t t h e nc l i e n td e c o d ed a t ai n a c c o r d a n c ew i mt h eh 2 6 4s t a n d a r d , c o n v e r ti n t ot h ec o r r e s p o n d i n gf o r m a to ft h es e r v e r , c o n v e r ty u vt or g bt op r o d u c eb i t m a pa n db r o a d c a s t t h i sp a p e rd e s i g n sav i d e o p l a y e rb yd e v e l o p m e n tt o o l so fe v c ，a c h i e v e st c p k i pp r o t o c o la n dh 2 6 4s t a n d a r di n s o f t w a r e ，u s e sd o u b l eb u f f e r i n gt e c h n o l o g yt oa l l o wb r o a d c a s tv i d e ow i t h o u ta n yf l i c k e r ， a n dl a n d s c a p e sp l a y e ri n t e r f a c e t h r o u g ht h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m ，e x p a n dt h es e c u r i t yi n d u s t r ys e r v i c e s ，w h i l e m o b i l ec l i e n th a sb e t t e ru s e ，a n dt e c h n o l o g yt om e e tt h en e e d so ft h el i v i n g k e yw o r d s ：i l ln d o w sc e ；s o c k e t ；h 2 6 4s t a n d a r d s = p l a y e rd e s i g n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：基王基的整动窒应塑的圈终塑麴堕控丕缠= = 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王轶 加8 年；月2 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，向意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密a ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：王软导师签名：刮邑 日期：) ) o g 年3 月工f 一 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 第1 章绪论 1 1 课题背景 监控技术从上个世纪8 0 年代进入我国以来，随着安防需求的急剧增加一直在 飞速发展，已经经历从以前的有线模拟监控到现在的数字监控，从落后的现场监 控到先进的远程监控，从有人值守监控到现在的无人值守监控等多个不同的阶段。 传统的有线模拟监控系统采用有线传输模式，对距离十分敏感。当传输距离 大干1 0 0 0 米时，信号容易产生衰耗、畸变、群延时，并且易受干扰，使图像质量 下降。而且，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，布线 工程量极大，数据的存储又会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证时十 分烦琐，有较大的局限性。而新一代的数字监控系统通过计算机网络进行传输， 克服了模拟闭路电视监控的局限性。 因此，新一代视频监控系统与传统的视频监控系统的根本区别在于，其不再 局限于简单地完成对视频信号的处理、传输、控制，其核心乃是对基于i p 网络的 多媒体信息( 视频音频数据) 提供一个综合、完备的管理控制平台。 网络多媒体监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放 为核心，以智能实用的图像分析为特色，并与报警系统、门禁系统整合到一个使 用平台上，引发了视频监控行业的一次技术革命，迅速受到了安防行业和用户的 关注。 并且，随着移动通信设备的普及与发展，出现了不同的用于手机的操作系统， 而且越来越多的人来研究利用手机操作系统提供各种类似于p c 机的服务，比如可 视电话、视频监控等。基于w i n d o w sc e 的可视电话的研究与实现中便介绍了 利用w i n d o w sc e 系统来实现可视电话的功能。该文主要介绍了利用该系统来实现 多媒体控制板的总体方案，并介绍了如何通过串口通信来实现串口通信的功能。 而且随着嵌入式系统的发展，也出现了利用l i n u x 操作系统来实现视频监控，这种 监控系统采用c s 的架构，将采集到的数据存储在服务器上，但是系统的灵活性 没有提高，只是提高了系统运行的性能，主要表现在可以根据自己的需要对l i n u x 第1 章绪论 系统进行删改。焉基于l i n u x 的视频网络视频监接系统采用的就是这样的方法。 基于流媒体的网络视频监控系统是利用流媒体通过t c p i p 协议将数据传输到 服务器端并进行查询等。以上的视频监控系统只是完成了从数据源到服务器的功 能，本文将手机作为客户端，提供了新型的客户端。本文利用w i n d o w sc e 操作系 统的智能手机完成了网络视频监控的功能。也就是将手机作为客户端，通过g p r s 上两利用t c p 、 i p 协议获取数据并播放，从而达到实时的视频监控功能。 因此，本文从现在流行的手机操作系统出发，分析了各个手机操作系统的优 缺点，并且阐述了该系统是如何透过t c 刹田协议连接服务器，并请求服务器发生 那个数据，以及说明了如何把数据撬放如来的，也就是本文的播放器设计。 1 。2 网络视频通信系统架构分析 对予一个系统来说，首先必须就是服务的对象，该系统是从实际应用出发的， 服务于企业，家庭等方面的。通过对服务对象的了解，可以明白该系统首先必须 具有数据源，而我们的服务对象刚好为我的系统提供了服务的数据源，解决了该 系统存在于应用的个重要的条件。 有了数据源，那下来就是对数据源的采集，这时该系统可以逶过相应硬件设 备来实现，那就是球机，其实也就是我们现实生活中所了解的具有一定功能的摄 像头。 当采集到数据后设备会通过相应的编码方式，通过无线网络发送到公司所提 供的服务器上，因此，为了存储数据我们还需要一个服务器，提供数据的存储， 转发，播放，查看等功能。 有了服务器，相应的就疲该蹬现客户端，由予在本文中采用的是移动设备， 所以本文中的客户端主要就是手机，但是除了手机，相应的客户端还可以是p c 机。 通过以上分析，我们可以知道该系统构架图如下图1 1 所示。 2 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 事赡体 资 眸 图1 1 系统架构图 f i g 1 1s y s t e ma r c h i t e c t u r eg r a p h 们嫂水 i vr - e 【 丸线豁托 1 3w inc e 简介及其他主流手机操作系统分析 随着手机的广泛使用与技术的进步，目前出现了许多种不同公司、不同品牌 的手机操作系统，主要的有微软的w i nc e 操作系统、诺基亚的s y m b i a n 开放式操 作系统、l i n u x 操作系统等，本节主要介绍w i i lc e 操作系统以及分析各个主流操 作系统的优缺点。 礴嘣需 第1 章绪论 1 3 1w inc e 简介 ， w i nc e 操作系统是微软为嵌入式设备精心打造的操作系统，是在微软计算机 的w i n d o w s 操作系统上变化而来的，是w i n d o w s2 0 0 0 的缩减版。该操作系统采用 模块化处理，功能强大，大多数具备了音频、视频文件播放、上网冲浪、m s n 聊天、 电子邮件收发等功能。而且，支持该操作系统的智能手机多数都采用了英特尔嵌 入式处理器，主频比较高，另外，采用该操作系统的智能手机在如内存、储存卡 容量等硬件配置上也较采用其它操作系统的智能手机要高出许多，因此性能比较 强劲，操作起来速度会比较快。但是由于配置高、功能多而产生耗电量大、电池 续航时间短、硬件采用成本高等缺点。 w i nc e 操作系统包括s m a r t p h o n e 以及p o c k e tp cp h o n e 两种平台。p o c k e tp c p h o n e 主要用于掌上电脑型的智能手机，而s m a r t p h o n e 则主要为单手智能手机提 供操作系统。 ( 1 ) s m a r t p h o n e 操作系统 m i c r o s o f ts m a r t p h o n e 是基于m i c r o s o f tw i n d o w sc e 内核开发的端对端无线计 算策略的组成部分，它为用户提供了另外一种访问高级客户端功能、后端数据和 最终用户服务的方式。s m a r t p h o n e 将电话特性与个人数字助理( p d a ) 的功能结 合成小型无线电话的形式，在这种形式下，可以用一只手进行操作。目前支持该 操作系统的智能手机有神达m i o8 3 9 0 和多普达5 6 5 等 ( 2 ) p o c k e tp cp h o n e 操作系统 p o c k e tp cp h o n e 是目前我们最为常见的微软智能手机操作系统，目前市面上 绝大多数基于微软操作系统的智能手机都采用了这一操作系统，例如我们熟悉的 联想e t l 8 0 、e t 5 6 0 、多普达6 9 6 、大显c u 9 2 8 、多普达等智能手机即采用了此操 作系统。与微软s m a r t p h o n e 不同的是，该操作系统主要借助手写笔来完成大部分 的操作。 1 3 2 其他主流手机操作系统分析 4 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 目前，市场上出现的带有操作系统的手机所采用的操作系统主要有微软的w i n c e 操作系统、s y m b i a n 开放式操作系统，l i n u x 操作系统、p a l m 手机操作系统 等。这些操作系统各有所长，下面我来分析一下其他手机操作系统： ( 1 ) s y m b i a n 开放式操作系统 s y m b i a n 一个手机巨头联盟的代名词，该公司成立于1 9 8 7 年，是摩托罗拉、 西门子、诺基亚等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司，专门 研发手机操作系统。而s y m b i a n 操作系统的前身是e p o c ，而e p o c 是e l e c t r o n i c p i e c eo f c h e e s e 取第一个字母而来的，其原意为“使用电子产品时可以像吃乳酪一 样简单 ，这就是它在设计时所坚持的理念。 s y m b i a n 操作系统在智能移动终端上拥有强大的应用程序以及通信能力，这都 要归功于它有一个非常健全的核心强大的对象导向系统、企业用标准通信传 输协议以及完美的s u n j a v a 语言。s y m b i a n 认为无线通讯装置除了要提供声音沟通 的功能外，同时也应具有其它种沟通方式，如触笔、键盘等。在硬件设计上，它 可以提供许多不同风格的外型，像使用真实或虚拟的键盘，在软件功能上可以容 纳许多功能，包括和他人互相分享信息、浏览网页、传输、接收电子信件、传真 以及个人生活行程管理等。此外，s y m b i a n 操作系统在扩展性方面为制造商预留了 多种接口，而且e p o c 操作系统还可以细分成三种类型：p e a r l q u a r t z c r y s t a l ， 分别对应普通手机、智能手机、h a n dh e l dp c 场合的应用。 ( 2 ) l i n u x 操作系统 与w mc e 操作系统一样，l i n u x 操作系统是在计算机l i n u x 操作系统上变化 来的，是一套免费试用和自由传播的操作系统。l i n u x 操作系统具有稳定、可靠、 安全等优点，有强大的网络功能。在相关软件的支持下，可实现w w w 、f t p 、 d n s 、d h c p 、e - m a i l 等服务。 l i n u x 操作系统具有开放的源代码。因此，从应用开发的角度讲，由于l i n u x 的源代码是开放的，有利于独立软件开发商( i s v ) 开发出硬件利用效率高、功能 更强大的应用软件，也方便行业用户开发自己的安全、可控认证系统。特别是当 5 第1 章绪论 智能手机大量用作行业应用的移动终端时，l i n u x 在手机操作系统市场中也异军突 起，成为一股不容忽视的力量。 ( 3 ) p a l m 操作系统 p a l m 操作系统是p a l m 公司的是一种3 2 位的嵌入式操作系统，它的操作界面 采用触控式，差不多所有的控制选项都排列在屏幕上，使用触控笔便可进行所有 操作。 由于p a l m 操作系统一直遵循的理念是“l o s si sm o r e ”( 少就是多) ，所以该 系统最明显的优势使系统本身所占的内存极小。基于p a l m 操作系统编写的应用程 序所占的空间也很小，通常只有几十k b ，所以基于p a l m 操作系统的掌上电脑虽 然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。p a l m 在其它方面还存在一些不足， p a l m 操作系统本身不具有录音、m p 3 播放功能等。对于中国用户而言，另一个不 足之处在于p a l m 操作系统起初在中国销售的产品仍然要使用中文外挂平台，有相 当部分依然是以英文界面为主，在一定程度上影响了基于p a l m 操作系统的产品在 中国市场的大面积进入。目前，基于p a l m 操作系统的手机有三星s p h - i 3 3 0 、 h a n d s p r i n gt r e o6 5 0 系列等。 1 4 本章总结 本章主要说明了选题背景，以及所研究的网络视频监控系统的架构模型和所 使用的手机操作系统的分析。 一 6 基于w i nc e 豹移虢客户端祷网络视频l 益躲统 第2 章网络通信协议的研究 对于网络视频监控系统来说，遵循合理有效的瞒络通信协议是十分必要的。 因此在本章的开始简要介绍一些常用的网络通信协议，由于本文主要使用的是 t c p 璎协议，所以然后介绍t c p i p 协议，最后将详述贰磐璎协议族中的璎协 议和t c p 协议。 2 。1 常用网络通信协议篙介 2 。l 。l 网络通信协议的概念 “网络逶信协议是网络上所有设备( 网络服务器、计算机及交换机、路由器、 防火墙等) 之间通信规则的集合，它定义了通信时信息必须采用的格式和这些格 式的意义 【。网络通信协议的三要素分别为： ( 1 语义：是指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种回答。 ( 2 ) 语法：是指数据与控制信息的结构或格式。 ( 3 ) 同步：是指事件实现顺序的详细说明。 2 1 2 常用网络通信协议简介 常见的协议有：弛p p 协议、封s p x 协议、n e t b e u i 协议、a p p l e t a l k 协 议、d l c 协议。其中n e t b e u i 协议、m x s p x 协议、t c p p 协议这三个协议是 当今局域网种最常见的。 下露简要介绍这三今常用的协议： ( 1 ) n e t b e u i 协议 n 棚默j l 协议是i b m 开发的非路由协议，专门为小型局域网设计的协议，主 要用予w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 、w i n d o w sn t 、l a nm a n a g e r 和w i n d o w sf o r w o r k g r o u p s 的联网。在小型网络中，n e t b e u i 是一种速度很快的协议，它的缺点 是不能在跨路由器的网络中使用。因此不能成为企业瘸络的主要协议。 ( 2 ) 撑x s p x 协议 7 第2 章网络通信协议的研究 i p x 是n o v e l l 公司为了适应网络的发展而开发的通信协议，其中，i p x 协 议负责数据包的传送，s p x 负责数据包传输的完整性，用于n e t w a r e 客户端 服务器的协议群组，避免了n e t b e u i 的弱点。但是，带来了新的不同弱点。i p x 具有完全的路由能力，可用于大型企业网。它包括3 2 位网络地址，在单个环境中 允许有许多路由网络。i p x 的可扩展性受到其高层广播通信和高开销的限制。服务 广告协议( s e r v i c ea d v e r t i s i n gp r o t o c o l ，s a p ) 将路由网络中的主机数限制为几千。 尽管s a p 的局限性已经被智能路由器和服务器配置所克服，但是，大规模口x 网 络的管理员仍是非常困难的工作。 ( 3 ) t c p p 协议 每种网络协议都有自己的优缺点，但是只有t c p i p 协议允许与i n t e r n e t 完 全的连接。t c p 口协议是在6 0 年代由麻省理工学院和一些商业组织为美国国防 部开发的，即便遭到核攻击而破坏了大部分网络，t c p 口仍然能够维持有效的通 信。a r p a n e t 就是由基于协议开发的，并发展成为作为科学家和工程师交流媒体 的i n t e r n e t 。 t c p i p 同时具备了可扩展性和可靠性的需求，但是不幸的是牺牲了速度和效 率。但是由于i n t e r a c t 的公用化，使得t c p p 协议广泛使用至今。 2 2t o p ip 协议 在前一节简单介绍了几种常用的网络通信协议，在本节中将着重介绍t c p k i p 协议。一般来说，在网络视频监控系统中，应用的场合不同，所采用的监控方案 就不同，针对的对象便不同，但是主要的来说便是传输和查看监控图片、录像以 及实时视频流。基于这些便要求视频监控系统在传输时具有高的可靠性，稳定性， 所采用的传输协议具有普遍性，因为不论图片或是录像，这些的传输都是基于网 络的，也就是说要求网络协议具有可靠性，稳定性和普遍性。而t c p i p 协议与其 他协议相比较而言，更能满足要求，所以在本文以该协议为主。 2 2 1 什么是t o p i p 协议 8 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 t c p p 是t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l 的简写，叫传输控制 协议互联网络协议，又叫网络通信协议，是i n t e m e t 最基本的协议。简单地说， 就是由底层的口协议和t c p 协议组成的。 t c p 口是网络中使用的基本的通信协议。虽然从名字上看t c p i p 包括两个 协议，传输控制协议( t c p ) 和网际协议( 口) ，但t c p m 实际上是一组协议，它包 括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而t c p 协议 和p 协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说t c p 口是i n t e r n e t 协议族，而不单单是t c p 协议和m 协议。 2 2 2t o p ip 协议的起源 早期的电脑，并非如我们日常生活中见到的个人p c 那样小；它们大都是以一 个集中的中央运算系统，用一定的线路与终端系统( 输入输出设备) 连接起来。这 样的一个连接系统，就是网络的最初出现形式。各个网络都使用自己的一套规则 协定，可以说是相互独立的。 t c p p 协议的前身是美国的a r p a n e t 网络系统，最初是美国政府希望有一 套可以连接各个离散网络系统机制，应付战争危机而研发的。a r p a n e t 的构想 和原理，除了研发出一套可靠的资料通讯技术外，还同时要兼顾跨平台作业。后 来，a r p a n e t 的实验非常成功，从而奠定了今日的网际网络模式，它包括了一组 电脑通讯细节的网络标准，以及一组用来连接网络和选择网络交通路径的协定， 就是大名鼎鼎的t c p i p 网际网络协定。 随后，a r p a 发展出一个便宜版本，以鼓励大学和研究人员来采用它的协定， 其时正适逢大部份大学电脑学系的u n i x 系统需要连接它们的区域网络。由于 u n i x 系统上面研究出来的许多抽象概念与t c p p 的特性有非常高度的吻合，再 加上设计上的公开性，而导致其它组织也纷纷使用t c p 口协定。从1 9 8 5 年开始， t c p i p 网络迅速扩展至美国、欧洲好几百个大学、政府机构、研究实验室。它的 发展大大超过了人们的预期，而且每年以超过1 5 的速度成长，到了1 9 9 4 年，使 用t c p 口协定的电脑已经超过三百万台之多。及后数年，由于i n t e r a c t 的爆炸性 成长，t c p i p 协定已经成为无人不知，无人不用的电脑网络协定了。 9 第2 章网络通信协议的研究 2 2 3t o p lp 协议的特性 t c p m 协议的特性对于不同的使用者来说都是不同的。比如说，对于一个电 子邮件的使用者来说，它无需透彻了解t c p 口这个协定，也可以通过它完成发送 邮件的功能；但对于t c p p 程式人员和网路管理人员来说，t c p p 的一些特性 却是不能忽略的： ( 1 ) 无连接数据包传输服务( c o n n e c t i o n l e s sp a c k e td d i v e r ys e r v i c e ) 它是其它网络服务的基础，几乎所有封包交换网络都提供这种服务。t c p 口 是根据信息中所含的位址资料来进行资料传送，它不能确保每个独立路由的封包 是可靠和依序的送达目的地。在每一个连线过程中，线路都不是被“独占的， 而是直接映对到硬体位址上，因此特别有效。更重要的是，此种封包交换方式的 传送，使得t c p 口能适应各种不同的网络硬体。 ( 2 ) 可靠字节流传输服务( r e l i a b l es t r e a mt r a n s p o r ts e r v i c e ) 因为封包交换并不能确保每一个封包的可靠性，因此我们就需要通讯软体来 自动侦测和修复传送过程中可能出现的错误，和处理不良的封包。这种服务就是 用来确保电脑程式之间能够建立连接和传送大量资料。关键的技术是将资料流进 行切割，然后编号传送，然后透过接收方的确认( a c k n o w l o d g e m e n t ) 来保证资料的 完整性。 ( 3 ) 网络技术独立( n e t w o r kt e c h n o l o g yi n d e p e n d e n t ) 在封包交换技术中，t c p 口是独立与硬体之上的。t c p p 有自己的一套资 料包规则和定义，能应用在不同的网络之上。 ( 4 ) 普遍互联性( u n i v e r s a li n t e r c o n n e c t i o n ) 只要电脑用t c p i p 连接网络，都将获得一个独一无二的识别位址。资料包在 交换的过程中，是以位址资料为依据的，不管封包所经过的路由之选择如何，资 料都能被送达指定的位址。 ( 5 ) 点对点连接( e r i d t o e n da c k n o w l e d g e m e n t s ) t c p i p 的确认模式是以“端到端 进行的。这样就无需理会封包交换过程中 所参与的其它设备，发送端和接收端能相互确认才是我们关心得。 l o 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 ( 6 ) 应用协议标准( a p p l i c a t i o np r o t o c o ls t a n d a r d s ) t c p 口除了提供基础的传送服务，它还提供许多一般应用标准，让程式设计 人员更有标准可依，而且也节省了许多不必要的重复开发。 2 2 4t c p ip 的结构模型 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个 协议族，比如t c p m ，是一组不同层次上的多个协议的组合。“t c p m 通常被认 为是一个四层协议系统 【2 】，如图2 1 所示。 应用层 运输层 网络层 链路层 图2 1t c p i p 协议族分层模型 f i g 2 1t h eh i e r a r c h i c a lm o d e lo f t c p pp r o t o c o l 每一层负责不同的功能： ( 1 ) 链路层 有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序 和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的 物理接口细节。 ( 2 ) 网络层 有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在t c p m 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t e r a c t 互联网控制 报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。 ( 3 ) 运输层 第2 章网络通信协议的研究 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p p 协议族中， 有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。 t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给 它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后 确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用 层可以忽略所有这些细节。而另一方面，u d p 则为应用层提供一种非常简单的服 务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数 据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 ( 4 ) 应用层 应用层负责处理特定的应用程序细节。 2 3i p 协议( 网际协议) “口是t c p i p 协议族中最为重要的协议一【2 1 。因为所有的其他协议都是以p 数据报格式传输的。口协议提供的是无连接的不可靠的数据报传送服务。 不可靠( u n r e l i a b l e ) 的意思是它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。口 仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， 伊有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送消息报给信源端。但是任 何要求的可靠性必须由上层来提供( 如t c p ) 。 无连接( e o n n e e t i o n l e s s ) 是p 并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每 个数据报的处理是相互独立的。也就是说，i p 数据报可以不按发送顺序接收。例 如，如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报( 先是a ，然后是b ) ，每个 数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此b 可能在a 到达之 前先到达。 2 3 1lp 协议概述 “m 协议是i n t e m e t 最重要的协议。在口协议中规定了在i n t o n e t 上进行通信 时应遵守的规则，例如i p 数据包的组成、路由器如何将p 数据包送到目的主机 箜 2 1 1 to 1 2 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 各种物理网络在链路层所传输的基本单元为帧( m a c 帧) ，其帧格式随物理 网络而异，各物理网络的物理地址( m a c 地址) 也随物理网络而异。i p 协议的作 用就是向传输层( t c p 层) 提供统一的i p 包，即将各种不同类型的m a c 帧转换 为统一的口包，并将m a c 帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址( 口地址) 。 这样，这些不同物理网络m a c 帧的差异对上层而言就不复存在了。正因为这一转 换，才实现了不同类型物理网络的互联。 口协议面向无连接，i p 网中的节点路由器根据每个口包的包头d 地址进行 寻址，这样同一个主机发出的属于同一报文的口包可能会经过不同的路径到达目 的主机。 2 3 2l p 协议的功能 口协议主要具有以下几部分功能： 1 ) 寻址 每个t c p 口主机都由逻辑口地址标识。这个地址对每个使用t c p i p 通讯的 主机而言是唯一的。每个3 2 位口地址都标识网络上主机系统的位置。 并且，每个口地址内部也分为两个部分：网络d 和主机d ： ( 1 ) 网络i d ( 也称为网络地址) 标识大型t c p 口网际网络( 由网络组成的网络) 内的单个网段。连接到并共享访问同一网络的所有系统在其完整的i p 地址内都有 一个公用的网络i d 。这个i d 也用于唯一地标识大型网际网络内部的每个网络。 ( 2 ) 主机i d ( 也称为主机地址) 标志每个网络内部的t c p i p 节点( 工作站、服 务器、路由器或其他t c p p 设备) 。每个设备的主机d 唯一地标识所在网络内 的单个系统。 2 ) 路由选择 路由选择是以单个口数据包为基础的，概括而言是确定某个m 数据包到达目 的主机需经过哪些路由器。路由选择可以由源主机决定，也可以由i p 数据包所途 经的路由器决定。 在m 协议中，路由选择依靠路由表进行。在口网上的主机和路由器中均保存 了一张路由表，路由表指明下一个路由器( 或目的主机) 的m 地址。路由表由目 第2 章网络通信协议的研究 的主机地址和去往目的主机的路径两部分组成。其中，去往目的主机的路径通常 是下一个路由器的地址，也可是目的主机的口地址。 3 ) 分段与组装 i p 数据包在实际传送过程中所经过的物理网络帧的最大长度可能不同，当长 口数据包需通过短帧子网时，需对口数据包进行分段与组装。 口协议实现分段与组装的方法是给每个p 数据包分配一个惟一的标志符，且 报头部分还有与分段与组装相关的分段标记和位移。口数据包在分段时，每一段 需包含原有的标志符。为了提高效率、减轻路由器的负担，重新组装工作由目的 主机来完成。 2 4t o p 协议( 传输控制协议) t c p 提供一种面向链接的、可靠的的字节流服务。面向连接意味着两个使用 t c p 的应用( 通常是一个客户和一个服务器) 在彼此交换数据之前必须先建立一个 t c p 连接。并且，在一个t c p 连接中，仅有两方进行彼此通信。 2 4 1t o p 协议概述 t c p 协议是一个端对端、面向连接的协议。该协议弥补了p 协议的某些不足， 其中比较突出的有两个方面：一是t c p 协议能够保证在p 数据包丢失时进行重发， 能够删去重复收到的i p 数据包，还能保证准确地按原发送端的发送顺序重新组装 数据；二是t c p 协议能区别属于同一应用报文的一组口数据包，并能鉴别应用报 文的性质。这一功能使得某些具有四层协议功能的高端路由器可以对i p 数据包进 行流量、优先级、安全管理、负荷分配和复用等智能控制。 2 4 2t o p 协议的功能 下面介绍t c p 协议的功能，主要有： ( 1 ) 保证传输的可靠性 t c p 协议是面向连接的。所谓连接，是指在进行通信之前，通信双方必须建 立连接才能进行通信，而在通信结束后终止其连接。相对于面向无连接的口协议 而言，t c p 协议具有高度的可靠性。 1 4 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 当目的主机接收到由源主机发来的p 包后，目的主机将向源主机回送一个确 认消息，这是依靠目的主机的t c p 协议来完成的。t c p 协议中有一个重传记时器 ( r 1 r o ) ，当源主机发送p 包即开始记时。如在超时之前收到确认信号，则记时 器回零；如果记时器超时，则说明该口包已丢失，源主机应进行重传。对于重传 记时器，确定合适的记时时长是十分重要的，它由往返时间来决定。t c p 协议能 够根据不同情况自动调节记时时长。 需要说明的是，t c p 协议所建立的连接是端到端的连接，即源主机与目的主 机间的连接。i n t e r a c t 中每个转接节点( 路由器) 对t c p 协议段透明传输。 总之，p 协议不提供差错报告和差错纠正机制，而t c p 协议向应用层提供了 面向连接的服务，以确保网络上所传送的数据包被完整、正确、可靠地接收。一 旦数据有损伤或丢失，则由t c p 协议负责重传，应用层不参与解决。 ( 2 ) 提供部分应用层信息的功能 在t c p 协议之上是应用层协议( 如f t p 、s m t p 、t e l n e t 等) ，最终需依 靠它们实现主机间的通信。t c p 协议携带了部分应用层信息，可用来区别同一报 文数据流的一组p 包及其性质。 t c p 协议对这些应用层协议规定了整数标志符，称为端口序号。被规定的端 口序号成为保留端口，其值在0 - - 一1 0 2 3 范围内( 如端口序2 3 ，用于远程终端服务) 。 此外还有自由端口序号，供个人程序使用，或者用来区分两台主机间相同应用层 协议的多个通信，即两台主机间复用多个用户会话连接。 进行通信的每台主机的每个用户会话连接都有一个插口序号，它由主机的i p 地址和端口序号组成。在i n t o m e t 中插口序号是惟一的，一对插口序号惟一地标识 了一个端口的连接( 发端插口序号= 源主机i p 地址+ 源端口序号，收端插口序号 = 目的主机口地址+ 目的端口序号) 。利用插口序号可在目的主机中区分不同源 主机对同一个目的主机相同端口序号的多个用户会话连接。 在t c p 协议段的头部各域中具有码位项。其中，s y n 码位为应用数据流的开 始位( 当s y n 置1 ，表示该m 数据包为某一应用报文的第一份数据包) ，f i n 码 位为应用数据流的结束位( 当f i n 置1 时，表示此时数据包为某应用报文的最后 第2 章网络通信协议的研究 一份数据包) 。因此可利用s y n f i n 两个码位来规定某一应用报文( 或某一应用 数据流) 的开始与结束。 t c p 协议就是利用端口序号和s y n f 玳码位来区分应用数据流并判断其性质 的，从而使具有四层功能的高端路由器具有某些对应用数据流的控制功能。 2 5t o p i p 的工作原理 下面以采用t c p i p 协议传送文件为例，说明t c p p 的工作原理，其中应用 层传输文件采用文件传输协议( f t p ) 。 t c p 口协议的工作流程如下： ( 1 ) 在源主机上，应用层将一串应用数据流传送给传输层。 ( 2 ) 传输层将应用层的数据流截成分组，并加上t c p 报头形成t c p 段，送交网 络层。 ( 3 ) 在网络层给t c p 段加上包括源、目的主机m 地址的口报头，生成一个p 数据包，并将i p 数据包送交链路层。 ( 4 ) 链路层在其m a c 帧的数据部分装上m 数据包，再加上源、目的主机的m a c 地址和帧头，并根据其目的m a c 地址，将m a c 帧发往目的主机或i p 路由器。 ( 5 ) 在目的主机，链路层将m a c 帧的帧头去掉，并将i p 数据包送交网络层。 ( 6 ) 网络层检查口报头，如果报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该m 数 据包；若校验和与计算结果一致，则去掉m 报头，将t c p 段送交传输层。 ( 7 ) 传输层检查顺序号，判断是否是正确的t c p 分组，然后检查t c p 报头数据。 若正确，则向源主机发确认信息；若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息。 ( 8 ) 在目的主机，传输层去掉t c p 报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给 应用程序。这样目的主机接收到的来自源主机的字节流，就像是直接接收来自源 主机的字节流一样。 2 6t o p ip 协议的s o c k e t 实现 t c p m 协议的核心部分是传输层协议( t c p 、u d p ) ，网络层协议( m ) 和物理 接口层，这三层通常是在操作系统内核中实现的，使用者一般不涉及。“编程实 1 6 基于w i nc e 的移动客户端的网络视频监控系统 现时，编程界面有两种形式：( 1 ) 是由内核心直接提供的系统调用；( 2 ) 使用 以库函数方式提供的各种函数”【3 1 。前者为核内实现，后者为核外实现。这里主要 介绍通过核外实现t c p p 协议，即通过s o c k e t 编程来实现。图2 2 为t c p 口协议与 应用程序关系图。 应用程序1应用程序2 网络应用界面( s o c k e t ) r c p i p 核心协议 l 物理介质 图2 2t c p i p 协议与应用程序关系图 f i g 2 2t h er e l a t i o n a lg r a p ho f t c p j i pp r o t o c o la n da p p l i c a t i o n 2 6 1 什么是s o c k e t 应用层通过传输层进行数据通信时，t c p 协议会遇到同时为多个应用程序进程 提供并发服务的问题。