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基于以太网的组播协议研究及其在网络监控系统的应用 摘要 近年来，网络视频监控技术发展迅速并在许多领域得到推广和应用。但在 智能建筑领域，作为其重要组成部分的视频监控系统却仍在采用模拟视频监控 系统，网络视频监控系统应用很少。随着人们对智能建筑系统集成水平的要求 越来越高，模拟视频监控系统已不能满足智能建筑一体化集成的要求，因此在 智能建筑领域有必要采用基于局域网的网络视频监控系统。 本论文的一、二章根据合肥市中级人民法院法庭庭审监控系统的建设需求， 设计了法庭庭审网络监控系统的硬件方案和软件方案。提出了把法庭庭审网络 监控系统纳入法院一体化集成管理系统的具体措施。最后指出建立法庭庭审网 络监控系统所必须解决的两个关键问题：一、多人同时访问视频监控点时将造 成网络带宽消耗严重问题；二、二层以太网交换机环境中的组播报文泛滥问题。 本论文的三、四、五章将围绕上述两个关键问题而展开。首先在分析i g m p 协议的基础上，比较研究交换式以太网上的三种主要的组播协议：i g m p s n o o p i n g 协议、g m r p 协议和c g m p 协议。然后把i p 组播技术和i g m ps n o o p i n g 协议应用于法庭庭审网络监控系统，详细介绍了i p 组播在w i n s o c k 中的实现和 i g m ps n o o p i n g 协议的实现过程。最后对法庭庭审网络监控系统的网络性能进 行了模拟测试。测试结果表明采用i p 组播技术和在二层交换机中部署i g m p s n o o p i n g 协议能有效地改善法庭庭审网络监控系统的网络性能。 关键词：智能建筑，网络监控系统，法庭庭审，组播协议，i g m ps n o o p i n g r e s e a r c ho nm u i t i c a s tp r o t o c o l sb a s e do ne t h e r n e ta n dt h e i r a p p l i c a t i o n si nn e t v i d e om o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn e tv i d e om o n i t o rs y s t e m ，i th a sb e e na p p l i e dt om a n y f i e l d si nr e c e n ty e a r s t h ev i d e om o n i t o rs y s t e m ，w h i c hi sa l li m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g ，s t i l la d o p t st h et r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o rs y s t e m ，a n dh a r d l ya d o p t sn e tv i d e o m o n i t o rs y s t e m w h e np e o p l e sd e m a n df o ri n t e g r a t i o nl e v e li ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g i n c r e a s e sg r a d u a l l y , t h et r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o rs y s t e mc a nn o tm e e tt h ed e m a n do f i n t e g r a t i o ni nt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g s oi t i sn e c e s s a r yt oa p p l yt h en e tv i d e om o n i t o r s y s t e mt oi n t e l l i g e n tb u i l d i n g t h ef i r s tc h a p t e ra n dt h es e c o n dc h a p t e ro f t h i st h e s i sd e s c r i b et h ee s t a b l i s h m e n to f t h e n e tv i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do nl a nf o rt r i a li nc o u r ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f h e f e ic o u r tf i r s t l y t h en e tv i d e om o n i t o rs y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r e b e s i d e s ，i td e s c r i b e st h ep l a no fi n t e g r a t i n gt h en e tv i d e om o n i t o rs y s t e mi n t o i b m si nc o u r t f i n a l l y , i tp u t sf o r w a r dt w op r o b l e m sw h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h en e t v i d e om o n i t o rs y s t e mf o rt r i a li nc o u r t ：o n ei st h a tw h e nm a n yp e o p l ew a t c ht h es p o to f m o n i t o rs y s t e ma tt h es a l n et i m e ，am a s so fv i d e oa n da u d i od a t aw i l lw a s t e sp l e n t i f u ln e t b a n d w i d t h ；t h eo t h e ri st h a tw h e nt h em u l t i c a s tm e s s a g ei st x a n s m i t t e d t ol i n kl a y e rs w i t c h ， t h el i n kl a y e rs w i t c hw i l lb r o a d c a s t st h em u l t i c a s tm e s s a g e t h er e s to ft h i st h e s i sa i m sa tt h et w op r o b l e m sm e n t i o n e d i ti n 拄o d u c e st h ei g m p p r o t o c o lf i r s t l y a n dt h e n ，i tc o m p a r e sa n ds t u d i e st h r e el i n kl a y e rm u h i c a s tp r o t o c o l s ： i g m ps n o o p i n g ，g m r pa n dc g m p b e s i d e s ，i ti n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fi pm u l t i e a s t t e c h n o l o g ya n di g m ps n o o p i n gp r o t o c o lt ot h en e tv i d e om o n i t o rs y s t e mf o rt r i a li nc o u r t a n dd i s c u s s e st h ei m p l e m e n to f l pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yi nw i n s o e ka n dt h ei m p l e m e n tp l a n f o ri g m ps n o o p i n gp r o t o c o l 。f i n a l l y , w et e s tt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei nt h en e tv i d e o m o n i t o rs y s t e mw i t hi pm u l t i c a s tt e c h n o l o g ya n di g m ps n o o p i n gp r o t o c 0 1 t h er e s u l t so f t e s ti n d i c a t e st h a ta d o p t i n gi pm u l t i c a s tt e c h n o l o g ya n dl i n kl a y e rm d t i c a s tp r o t o c o lc a n i m p r o v et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l yf o rn e tv i d e om o n i t o rs y s t e m - k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，n e tv i d e om o n i t o rs y s t e m ，t r i a li nc o u r t ，m u l t i e a s t p r o t o c o l s ，i g m ps n o o p i n g 插图清单 图1 - 1 i p 组播地址格式2 图1 2 组播地址划分示意图2 图1 3组播地址到m a c 地址的映射示意图3 图1 - 4 用户数据报格式5 图1 - 5r t p 数据报格式6 图2 一l法院内网拓朴结构示意图1 2 图2 - 2法庭庭审网络监控系统结构示意图1 3 图2 - 3系统初始化示意图1 6 图2 - 4音视频传输及控制部分工作流程图1 6 图2 - 5视频录像及回放部分工作流程图1 6 图2 - 6法院i b m s 系统结构图1 7 图3 1i g m p v l 消息格式2 1 图3 2i g m p v l 查询一响应过程示意图2 1 图3 - 3i g m p v l 主机状态示意图2 3 图3 - 4i g m p v l 消息格式2 3 图3 5i g m p v 3 成员查询消息格式2 6 图3 - 6i g m p v 3 报告报文格式2 7 图3 - 7i g m p v 3 报告报文组记录格式2 7 图4 - 1c g m p 消息格式3 3 图4 2g a r p g m r p 消息3 6 图5 1数据报套接字服务的工作流程示意图3 9 图5 2流式套接字服务的工作流程示意图3 9 图5 3w i n s o c k2 体系结构图4 0 图5 - 4w i n s o c k2 实现i p 组播过程流程图4 1 图5 5音视频数据处理( 组播接收) 模块流程图4 2 图5 - 6前端视频服务器音视频处理模块( 组播发送) 流程图4 2 图5 7i p 组播测试环境示意图4 4 图5 8i g m ps n o o p i n g 协议测试环境示意图4 5 表 表 表 表 表格清单 特定的c g m p 消息表 视频服务器1 组播通信方式下性能测试结果 视频服务器2 组播通信方式下性能测试结果 i g m ps n o o p i n g 协议测试结果一 帖钻卯 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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 盒目墨王些盔堂或其他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谢意。 学位论文作者签名 7 泵乳刁 签字日期：文一律5 月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金月b 王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 诩、札刁 签字日期：a 。6 年s 月，1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：再尹力 签字日期：0 6 够肥1 日 电话 邮编 致谢 本论文是在我的导师万力副教授的悉心指导和无微不至的关怀下完成的。 从论文的选题，论文的重点以及最终论文的修改等方面，都浸透着万老师的心 血。 在近三年的研究生学习期间，万老师不仅传道、授业、解惑，而且教会我 从事科研和工程设计的一整套严谨的方法。在平时的学习和实践中，万老师始 终给予我严格的要求，充分的信任和鼓励，以博大的胸怀宽容我的错误而且热 心帮助我改正，并给予我参与智能建筑研究与工程设计、参加安徽省智能建筑 领域的学术交流会等多种机会。万老师渊博的知识、严谨的治学态度、快速灵 活的处事方式、敏锐的学术洞察力、以及积极进取的精神是我终生学习的楷模。 在此谨向万老师致以衷心的感谢和最崇高的敬意! 衷心的感谢三年来一直关心和帮助我的合肥工业大学建筑设计研究院智能 建筑技术应用研究室的李鸿仁老师、朱永前工程师、柳迎春工程师、郎文庆工 程师、李扬工程师、江国庆同学、武爱民同学、徐嵩同学和胡敏同学，他们三 年来在生活和在学习上都给了我很大的支持和帮助，使我得以顺利完成硕士研 究生阶段的学习。感谢师母祝健老师给予我的指导和帮助，感谢小师妹万桂中 给我们带来快乐与欢笑。 此外，特别感谢合肥工业大学计算机与信息学院的周国祥老师在我的研究 生学习期间给予我很大的指导和帮助。感谢中国科学技术大学的竺长安教授和 合肥工业大学电气学院的王建平教授给予我的帮助。 同时，我要感谢我的父母、女朋友、兄嫂、叔婶长期以来对我的支持和无 私的付出，没有他们的支持和鼓励，也就没有我今天所取得的成绩，在论文顺 利完成之际，希望能与家人分享其中的甜蜜。 最后，我还要衷心的感谢合肥工业大学传授我知识的老师们，计算机与信 息学院的领导和老师，研究生部的领导和老师，以及其他帮助和支持过我的朋 友们! 作者：陈凯才 2 0 0 6 年5 月 1 1 组播技术概述 第一章引言 1 1 1 组播技术产生的原因 传统i p 通信有两种方式：第一种是点对点单播通信，在发送方和接收方之 间需要单独的数据通道，源i p 主机向特定的目标i p 主机发送i p 数据包；第二 种是广播通信，源主机向一个网段中的所有i p 主机发送i p 数据包。当有多个 主机同时希望获得源主机发送的同一i p 数据包时，无论采用单播通信方式还是 采用广播通信方式，都不能有效地解决该问题。采用广播通信方式实现时，不 仅会将1 p 数据包发送给不需要该数据包的主机而消耗了网络资源，也可能由于 路由回环引起严重的广播风暴；采用单播通信方式实现时，由于i p 数据包的重 复发送不仅浪费了大量的网络带宽，也会给发送数据包的源主机带来沉重的负 担。所以，传统的单播和广播通信方式都不能有效地解决单点发送多点接收的 问题。 目前，随着宽带网络的不断发展，各种宽带网络应用层出不穷。i pt v 、视 频会议、数据和资料分发、网络视频应用、大规模协作计算等宽带应用都对现 有宽带网络的承载能力提出了挑战。采用单播及广播通信方式构建的传统网络 已经无法满足新兴宽带网络应用在网络带宽和网络服务质量方面的要求，随之 而来的是网络延时、数据丢失等问题。此时只有通过引入组播技术，才能有效 解决以上问题1 “。 i p 组播是指在i p 网络中将数据包以尽力传送的形式发送到网络中的某个 确定节点子集，这个子集称为组播组。i p 组播的基本思想是：组播源把一份数 据包发送到特定组播组；组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝， 并且只有组播组内的主机可以接收该数据，网络中其它主机不能收到。 组播通信方式可以节省大量的网络带宽，因为无论组播组里有多少个目标 地址存在，在整个网络的任何一条链路上都只传送单一的数据包。所以在组播 网络中，即使组播用户数量成倍增长，骨干网络中网络带宽也无需增加，从而 最大限度地解决目前宽带应用对网络带宽和网络服务质量的要求。 1 1 2 l p 组播技术体系结构 i p 组播协议分为主机路由器之间的组成员资格协议和路由器路由器之问 的组播路由协议。组成员资格协议包括i g m p ( 互联网组管理协议) 。组播路由协 议分为域内组播路由协议和域间组播路由协议。域内组播路由协议包括 p i m s m ( 协议无关组播一稀疏模式) 、p i m d m ( 协议无关组播一密集模式1 、 d v m r p ( 基于距离矢量的组播路由协议) 等协议，域间组播路由协议包括 m b g p ( 多协议边界网关协议) 、m s d p ( 组播源发现协议) 等协议。同时为了有效 抑制组播数据在链路层的扩散，引入了i g m ps n o o p i n g ( i g m p 监听1 、 g m r p ( g a r p 组播登记协议) 等二层组播协议。 i g m p 建立并且维护路由器直联网段的组成员资格信息。域内组播路由协 议根据i g m p 维护的组播组成员资格信息，运用一定的组播路由算法构造组播 分发树进行组播数据包转发。域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能 力的路由信息以及组播源信息，以使组播数据在域问进行转发口1 。 1 1 3 组播地址机制 口组播地址用于标识一个i p 组播组。i a n a ( 互联网地址指派机构) 把d 类 地址空间分配给组播使用，范围从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。如图1 1 所 示( 二进制表示) ，i p 组播地址前四位均为“1 1 1 0 ”。 3 2 位i p 地址 l 鼍字节。刊卜字节l 叫卜字节2 _ 1 卜_ 掌节3 叫 固定为i l i 0 图1 1i p 组播地址格式 整个i p 组播地址的空闽划分如图1 2 所示： 图i - 2 组播地址划分示意图 2 2 4 0 0 0 到2 2 4 0 0 2 5 5 地址范围被i a n a 预留，地址2 2 4 0 0 0 保留不做 分配，其它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用。该范围内的地址属于 局部范畴，不论生存时间字段( t t l ) 值是多少，都不会被路由器转发。 2 2 4 0 1 0 到2 3 8 2 5 5 2 5 5 。2 5 5 地址范围作为用户组播地址，在全网范围内有 效。 2 3 9 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 地址范围为本地管理组播地址，仅在特定的本 地范围内有效。 当i p 层收到组播数据报文时，根据组播目的地址查找组播转发表，对报文 进行转发。 此外，i a n a 将m a c 地址范围0 1 ：0 0 ：s e ：0 0 ：0 0 ：0 0 0 1 ：0 0 ：5 e ：7 f ：f f ：f f 分 配给组播使用，这就要求将2 8 位的i p 组播地址空间映射到2 3 位的m a c 地址 空间中，具体的映射方法是将组播地址中的低2 3 位放入m a c 地址的低2 3 位， 如图1 3 所示： 3 纠莹i p 地址 图1 - 3 组播地址到m a c 地址的映射示意图 由于i p 组播地址的后2 8 位中只有2 3 位被映射到m a c 地址，这样会有3 2 个i p 组播地址映射到同一m a c 地址上f 2 1 。 1 2 网络视频监控系统介绍 1 2 1 视频监控系统的发展历史 常言道“百闻不如一见”，在人类感官接受的各种信息中约有8 0 来自视 觉。视频图像实际上就是连续的静态图像序列，是对客观事物形象、生动的描 述，是一种更加直观而具体的信息表达形式。随着网络、通信和微电子技术的 快速发展和人民物质生活水平的提高，视频监控系统以其直观、方便和内容丰 富等特点，日益受到人们的重视，监控产品也正经历着从模拟化向数字化、网 络化的革命。 视频监控系统的发展大致经历了三个发展阶段： ( 1 1 在2 0 世纪9 0 年代初及其之前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监 控系统，称为第一代视频监控系统，即模拟视频监控系统。 ( 2 ) 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展。 人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，从而大大提高了 图像质量，这种基于多媒体计算机的视频监控系统称为第二代视频监控系统， 即数字化本地视频监控系统。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速 提高，以及各种实用视频处理技术的出现，基于嵌入式w e b 服务器技术的网络 视频监控系统开始出现，视频监控系统步入了网络时代，称为第三代视频监控 系统，即网络视频监控系统( 通常简称为网络监控系统，下同) 【3 1 。 1 2 2 网络监控系统的实现原理及其关键技术 网络监控系统的主要原理是：视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务器，采 用嵌入式实时操作系统。摄像机等传感器传送来的视频信息，由高效压缩芯片 压缩，通过内部总线传送到内置的w e b 服务器。网络上用户可以直接用浏览器 观看w e b 服务器上的图像信息。 在网络监控系统中，涉及到多种信息技术的应用，其中视频编码技术和计 算机网络技术在网络监控系统中尤为关键。网络监控系统中所采用的关键技术 主要有：m p e g 一4 视频编码标准、u d p i p 协议、r t p r t c p 协议和i p 组播技术。 ( 1 ) 运动图象压缩标准( m p e g 一4 ) 运动动态图象专家组( m p e g ) 于1 9 9 8 年推出了一个新的图像压缩编码标 准一一m p e g 4 。m p e g 4 采用国际化的标准，兼容性好，代表压缩的发展趋势。 同时，它比其他算法提供更好的压缩比。 m p e g 4 的主要特点： 一m e p g 4 旨在将众多的多媒体应用集于一个完整的框架内，为不同性 质的音视频数据制定通用、有效的编码方案，提出基于具体内容的视 频对象的编码标准。 _ m e p g 4 是一种高效率的编码标准，对多媒体应用领域的各种编码进 行兼容。由于m e p g 4 基于对音视频对象独立编码，必须同时传送编 码对象的组成结构信息“场景描述”。“场景描述”信息是独立传输的， 解码时在解码端可改变选定音视频对象的“场景描述”参数，对图象 和声音的有关内容进行编辑和操作。 _ m e p g 4 引入了合成与自然混合编码，极大地提高编码效率。m e p g 4 提高了基于内容( 对象) 的随机存取方式，在有限的时间内能以较高的分 辨率，按帧或任意形状对象，对一个音视频序列进行随机存取。 一m e p g 4 的编码系统是开放的，为这种多媒体应用提供一个灵活的框 架和一套开放的编码工具，不同的应用可选取不同的算法。 - m p e g 4 压缩标准主要由六部分组成：d m i f ( 多媒体传送整体框架) 、 数据平面、缓冲区管理和实时识别、音频编码、视频编码和场景描述1 4 j 。 ( 2 ) u d p 协议 u d p 协议即用户数据报协议，主要用来支持那些需要在计算机之间传输数 据的网络应用。包括网络监控系统在内的众多的客户服务器模式的网络应用都 需要使用u d p 协议。u d p 协议直接位于i p 协议的顶层。用户数据报格式如图 1 4 所示： 4 0 1 5 1 6 3 1 源端口 目的端口 长度校验码 数据 图1 4 用户数据报格式 一源端口：1 6 位，源端口是可选字段。当使用时，它表示发送程序的端 口，同时它还被认为是没有其它信息的情况下需要被寻址的答复端口。 如果不使用，设置值为0 。 _ 目的端口：1 6 位，目标端口在特殊因特网目标地址的情况下具有意义。 _ 长度：1 6 位，该用户数据报的八位长度，包括协议头和数据。长度最 小值为8 。 - 检验码：1 6 位，i p 协议头、u d p 协议头和数据位，最后用0 填补的 信息假协议头总和。如果必要的话，可以由两个八位复合而成。 _ 数据：包含上层数据信息。 与t c p 不同，u d p 并不提供对l p 协议的可靠机制、流控制以及错误恢复功能等。 由于u d p 比较简单，u d p 头包含很少的字节，比t c p 负载消耗少【5 j 。 ( 3 ) r t p 协议 实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ：是针对i n t e r n e t 上多媒 体数据流的一个传输协议。r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作， 其目的是提供时间信息和实现流同步。r t p 本身只保证实时数据的传输，并不 能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制， 它依靠r t c p 提供这些服务。 r t p 数据协议负责对流媒体数据进行封包并实现媒体流的实时传输，每一 个r t p 数据报都由头部( h e a d e r ) 和负载( p a y l o a d ) 两个部分组成，其中头部 前1 2 个字节的含义是固定的，而负载则可以是音频或者视频数据。r t p 数据 报的头部格式如图1 5 所示。 其中比较重要的几个域及其意义如下： _ c s r c 记数( c c ) ：表示c s r c 标识的数目。c s r c 标识紧跟在r t p 固 定头部之后，用来表示r t p 数据报的来源，r t p 协议允许在同一个会 话中存在多个数据源，它们可以通过r t p 混合器合并为一个数据源。 负载类型( p t ) ：标明r t p 负载的格式，包括所采用的编码算法、采 样频率、承载通道等。 一序列号：用来为接收方提供探测数据丢失的方法，但如何处理丢失的 数据则是应用程序自己的事情，r t p 协议本身并不负责数据的重传。 一时间戳：记录了负载中第一个字节的采样时间，接收方能够时间戳能 够确定数据的到达是否受到了延迟抖动的影响，但具体如何来补偿延 迟抖动则是应用程序自己的事情。 惭卜 一 xc 嚣w 序列号 甜嗣麟 啊静簿睬锻( s s r c ) 攫攮薅繇姐( c 辅e 图1 5r t p 数据报格式 ( 4 ) r t c p 控制协议 r t c p 控制协议需要与r t p 数据协议一起配合使用，当应用程序启动个 r t p 会话时将同时占用两个端口，分别供r t p 和r t c p 使用。通常r t c p 会采 用与r t p 相同的分发机制，向会话中的所有成员周期性地发送控制信息，应 用程序通过接收这些数据，从中获取会话参与者的相关资料，以及网络状况、 分组丢失概率等反馈信息，从而能够对服务质量进行控制或者对网络状况进行 诊断。 r t c p 数据报携带有服务质量监控的必要信息，能够对服务质量进行动态 的调整，并能够对网络拥塞进行有效的控制。由于r t c p 数据报采用的是多播 方式，因此会话中的所有成员都可以通过r t c p 数据报返回的控制信息，来了 解其他参与者的当前情况。 1 2 3 网络监控系统的优点及应用现状 与第一、第二代视频监控系统相比，网络监控系统有以下优点： _ 数字化视频可以在计算机网络( 局域网或广域网) 上传输图像数据， 基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳 定性。 _ 数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线。 一经过压缩的视频数据存储方便，查询十分简便快捷。 _ 易于与其他系统集成。 由于网络监控系统具有上述优点，因此近年来网络监控系统在水利、交通 等领域得到应用和推广。但网络监控系统的应用主要集中于远程监控方面。很 少应用于小范围内的视频监控系统，比如建筑内部的视频监控系统。 1 3 智能建筑i b m $ 集成介绍 1 3 1 智能建筑定义 智能建筑也称智能大夏，是指利用系统集成方法，将智能型计算机、通信 技术、信息技术与建筑艺术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管 6 理和对使用者的信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理、适合信息 社会需要并且安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。 我国对智能建筑的研究始于2 0 世纪9 0 年代，并且发展迅速，市场潜力巨 大。 1 3 2 智能建筑系统集成 智能建筑系统集成，主要是通过智能建筑中结构化的综合布线系统和计算 机网络技术，使构成智能建筑的各个子系统具有开放式结构，协议和接口都标 准化和规范化。 系统集成强调在网络技术、数据库技术、中间件技术基础上实现各个异构 系统之间的信息共享，为包括各个异构系统在内的视为一个整体的系统的附加 功能服务，使信息进一步增值，并为管理控制一体化发挥不可或缺的作用。 目前，系统集成主要存在以下两种模式： ( 1 ) 基于b a s ( 建筑物设备自动化系统) 集成的b m s ( 建筑管理系统) 模式 b m s 系统集成是以开放的楼宇机电设备自动化系统为核心，广泛实现与消 防报警控制系统、安保系统、出入控制系统、i c 卡系统以及车库管理等子系统 的综合集成，并具备与c a s ( 通信自动化) 系统和o a ( 办公自动化) 系统的基本集 成功能和实现更广泛集成基础的系统。 ( 2 ) 一体化i b m s ( 建筑集成管理系统) 集成模式 i b m s ( 建筑集成管理系统) 是一个先进的综合性系统。涉及到各个子系统的 集成和信息共享。i b m s 应具备与b m s ( 建筑管理系统) 、c n s ( 通讯网络系统) 和i n s ( 信息网络系统) 联网通信的能力，实现各系统之间语言、数据、图像的 资源共享。将分离的系统、设备有机地组成一体【6 j 。 1 。3 。3 网络监控系统纳入智能建筑i b m s 的可能性及必要性 目前，由于网络技术的快速发展和智能建筑建设标准的提高，新建智能建 筑都建设了高标准的局域网系统，这为网络监控系统应用于智能建筑内部监控 提供了网络基础。此外，视频压缩技术、组播技术和存储技术等技术的发展也 为建设基于智能建筑局域网的网络监控系统提供了可能。 随着人们对智能建筑系统集成水平要求的提高，如果智能建筑内部还采用 第二代视频监控系统( 数控模拟监控系统) ，则己不能满足智能建筑i b m s 集成 的要求。因此，有必要建立基于智能建筑局域网的网络监控系统以取代传统的 数控模拟监控系统，以提高智能建筑的系统集成水平，促进智能建筑的发展。 1 4 课题研究背景、目标、意义 1 4 1 课题研究背景 合肥市中级人民法院智能化系统集成项目是由中国太极集团和合肥工 业大学建筑设计研究院智能建筑技术应用研究室共同承担的复杂、先进的智能 化系统集成项目。该项目主要是合理设计合肥市中级人民法院智能化系统各子 系统( 建筑设备监控系统、法庭庭审网络监控系统、通信网络系统及办公自动化 系统等) ，建立相应的软、硬件平台，实现信息共享、科学管理和系统集成，使 该智能化系统适应信息时代的需要，适用于法院案件审理的需要，适用于办公 业务和全面管理的需要，达到提高审判效率，加强审判业务管理监督的目的。 该课题的研究属于合肥市中级人民法院智能化系统集成项目的一个部分。 课题着眼于基于法庭局域网组建法庭庭审网络监控系统，研究及解决网络监控 系统在法庭局域网中所遇到的问题，使视频监控系统纳入法院智能化系统集成 系统中，进一步提高法院智能化的系统集成水平。 目前，在新建的大中型建筑里，都开始建筑智能化系统的建设，以提高建 筑的科技含量，适应社会和业务的发展。然而，作为智能建筑的重要组成部分 的视频监控子系统大多仍然采用传统的数控模拟监控系统，不仅增加了系统布 线的工程量，视频监控系统的扩展也比较困难，管理起来也不方便。由于视频 监控系统前端部分采用了模拟系统，所以视频监控系统很难纳入建筑的智能化 集成系统中，极大地限制了建筑智能化系统的一体化集成。 随着网络技术、图像压缩技术等新技术的发展，基于w e b 服务器的网络监 控系统产品开始出现并得到应用。但目前的网络监控系统应用主要是基于城域 网或广域网，比如远程视频监控系统等，基于建筑内部局域网的网络监控系统 很少。 随着人们对现代办公技术的重视和依赖，新建的大中型建筑内部都建立了 高速宽带局域网系统，提供数据的统一网络平台，全面满足办公需要，实现信 息的充分共享和广泛使用。合肥市中级人民法院也非常重视办公信息系统的建 设，建立了高标准的局域网系统。 网络监控系统和建筑内部高标准局域网的出现为建立基于建筑内部局域网 的网络监控系统提供了可能。由于网络监控系统的视频信号流量很大，所以要 建立基于法院局域网的法庭庭审网络监控系统，必须要解决视频信号在局域网 的传输问题。通过引入组播技术恰好解决该问题。此外，在智能建筑局域网环 境下实现组播，组播报文不可避免要传输到二层交换式以太网交换机。传统的 二层以太网交换机处理组播数据包时只是在每个端口上进行广播，不仅浪费了 大量的带宽，也影响了系统的性能。所以迫切需要在二层交换式以太网交换机 上实现组播，使真正的组播成为可能。目前，针对上述问题主要有三种协议： 8 i g m ps n o o p i n g 协议、c g m p 协议和g m r p 协议。在智能建筑局域网环境下实 现组播，关键要实现支持动态组的组管理协议和在二层以太网交换机上部署组 播协议。 1 4 2 课题研究目标 本课题分为三个部分：( 1 ) 法庭庭审网络监控系统的总体设计；( 2 ) 组播 协议( i g m p 协议及二层以太网交换机上的组播协议) 的比较研究；( 3 ) 组播技术 在法庭庭审网络监控系统的应用及网络性能测试。 课题的主要任务有：( 1 ) 法庭庭审网络监控系统的软、硬件系统总体设计； ( 2 ) i g m p 协议研究；( 3 ) 交换式以太网上的组播协议比较研究，分析各组播协 议的适用网络环境；( 4 ) 组播技术在法庭庭审网络监控系统的应用及法庭庭审 网络监控系统的网络性能测试。 采用组播技术，应用于基于局域网的法庭庭审网络监控系统，最大限度地 解决法庭庭审网络监控系统的音、视频流对网络带宽和网络服务质量的要求， 改善网络性能。通过对基于二层以太网交换机的各种组播协议研究，把握当前 以太网交换机组播技术实现的方法，以最佳的方法解决以太网二层交换机环境 中的组播报文泛滥问题。 1 4 3 课题研究意义 通过对各种组播协议的研究比较，论证了采用组播技术解决宽带应用大量 消耗网络带宽和二层交换机环境中的组播报文泛滥问题的可行性。通过建立基 于法院局域网的法庭庭审网络监控系统，实现建筑物内的计算机网络和视频监 控网络的“二网合一”，实现数据与视频信息的融合，促进基于局域网的网络 监控系统的应用与发展，进一步提高智能建筑的系统集成水平。 1 5 文章结构 本文分六章，内容如下： 第一章为绪论，包括组播技术、网络监控系统介绍、智能建筑i b m s 集成 介绍和课题背景。介绍了组播技术产生的原因及组播技术的体系结构，简要概 述了网络监控系统的发展历史及实现原理、网络监控系统的应用情况、智能建 筑i b m s 集成和网络监控系统纳入智能建筑i b m s 系统的必要性，最后介绍了 本课题的研究背景、研究目的和研究意义。 第二章对法庭庭审网络监控系统的硬件子系统和软件子系统进行总体设 计，介绍了法院智能化i b m s 集成，并把法庭庭审网络监控系统纳入法院i b m s 系统，最后指出实现基于法院局域网的法庭庭审网络监控系统的两个关键问 题。 9 第三章重点研究i g m p 协议，包括i g m p v l 和i g m p v 2 协议的格式、主要 的原理以及存在的缺点，最后介绍i g m pv 3 的进展。 第四章对二层以太网交换机上的组播协议进行研究，分析了目前三种主要 的二层组播协议：i g m ps n o o p i n g 协议、c g m p 协议和g m r p 协议。对这三种 协议的格式、实现过程、优缺点等进行比较。 第五章主要介绍i p 组播在w i n s o e k 的实现和i g m ps n o o p i n g 协议的实现 方法，最后介绍在i p 组播方式下对法庭庭审网络监控系统的网络性能进行测试 和在二层交换机上部署i g m ps n o o p i n g 协议后对交换机的网络性能进行测试。 第六章对论文进行了总结，并对论文的进一步工作进行了展望。 1 6 小结 本章介绍首先介绍了组播技术产生的原因及组播技术的体系结构，然后简 要概述了网络监控系统的发展历史和实现原理、网络监控系统的应用情况、智 能建筑i b m s 集成和网络监控系统纳入智能建筑i b m s 系统的必要性，最后介 绍了本课题的研究背景、研究目的、研究意义和文章结构。 1 0 第二章法庭庭审网络监控系统设计 2 1 概述 众所周知，公开审判是现代法治社会的一项重要司法原则和诉讼理念，对 于防止司法恣意、遏制司法腐败和实现司法公正具有阳光般的积极效应。近年 来，以落实公开审判原则为主旨的“阳光工程”成为跨世纪中国司法改革颇令人 关注的一个突破口，法院系统为落实公开审判原则已经创造性地推出了一系列 技术手段，如法庭庭审网络监控系统( 也称为法庭庭审直播系统) 等。 法庭庭审网络监控系统对于提高审判监管工作效率等具有重要意义，因此 越来越受到法院系统的重视。 目前，大多数法院的局域网已相当完善，为实现法庭庭审网络监控系统( 法 庭庭审直播系统) 提供了网络基础1 7j 。 2 2 合肥市中级人民法院法庭雇审网络脓控系统需求分析 合肥市中级人民法院建筑面积3 万m 4 ，法庭庭审系统由1 个大法庭、3 个 中法庭、2 0 个小法庭组成，分布在法院的四层和五层。为了全面落实公开审判 原则，在大法庭内设置4 台摄像机，每个中法庭设置2 台摄像机，每个小法庭 设置1 台摄像机，共3 0 台摄像机。法庭庭审控制中心设置在法院六层，实时 处理法庭庭审的音、视频信号。 根据合肥市中级人民法院庭审监控的业务需求，该院的法庭庭审网络监控 系统技术要求如下： ( 1 1 可应用于法院局域网中：保证在法院内部局域网可以播放，并且可以 控制摄象机的移动和镜头变焦等。 ( 2 ) 图像质量清晰，可根据不同带宽情况提供不同的视频流，要达到v c d 画质以上。 ( 3 ) 同时支持多路庭审直播，每路网络带宽可自由调节( 2 8 k 2 m b p s ) 。 ( 4 ) 网络庭审直播要做到声画同步、实时音视频直播。 ( 5 1 能够与已有其它系统( 如o a ) 集成应用，纳入法院i b m s 系统中。 ( 6 1 同时提供录像功能，直播结束后可随时进行录播或点播。 ( 7 ) 扩展性强，能够满足不断增长的大规模并发用户数要求，如2 0 0 个以 上用户。 ( 8 ) 具有足够的稳定性、安全性和可靠性【b 】。 2 3 合肥市中级人民法院局域网分析 根据中办、国办和国信办联合下达关于电子政务建设的“1 7 号文件”，及 中办、国办“实旌方案”等国家对“电子政务”建设的原则、宗旨和财务任务 等要求，结合合肥市中级人民法院现状与具体的应用需求，建设了合肥市中级 人民法院审判大楼网络。合肥市中级人民法院网络建设是一项系统工程，包括 审判大楼内部网、外部网、政法网。 内部网包括法院内办公管理系统、项目管理系统及数据库；外部网包括与 i n t e r n e t 互联的部门局域网；政法网指的是与国家、省政法网互联的专网。 大楼内部网为法院工作管理提供了新的现代化手段，使办公和业务管理决 策支持等的规范化、流程化、保密化、安全化、快捷化以及无纸化等逐步成为 可能；建设与i n t e r n e t 互联的部门局域网使各单位能及时快捷地通过互联网交 换共享信息，有利于更广泛地宣传法院信息和方针政策等。 本工程网络建设做到内部网、外部网和政法网的物理隔离。法庭庭审网络 监控系统主要是基于法院内部局域网环境，因此下面只介绍法庭内部局域网的 建设情况。 为了便于法院网络系统的设计实施以及扩充，网络系统采用了分层设计的 思路，整个内部局域网分为核心汇聚层和接入层，将采用1 0 0 0 m 光纤主干， l o o m 用户桌面的连接方式，其网络拓朴图2 1 所示。 $ 3 5 2 6 $ 3 0 2 6 楼层交换机 剞：7 ：换机楼层交授荆l 图2 1 法院内网拓朴结构示意图 法庭内部局域网网络设备配置如下： 网络核心层配置：法院内部同域网网络核心层位于法院的6 楼，节点之问