网络视频监控系统.ppt

第6章网络视频监控系统 本章导读 传统视频监控系统与计算机网络系统分属不同的应用领域 它们之间的相互融合为大势所趋 本章先介绍计算机网络基础知识 再分析网络视频监控系统的架构 原理与维护 6 1网络视频监控系统概述 所谓网络视频监控系统 顾名思义 就是将传统意义上的视频监控系统与计算机网络有机结合而成的监控系统 拥有全新的概念与最新的架构 代表当今监控系统的潮流方向 从另一个角度看 它又是在标准多媒体监控系统的基础上逐渐发展 衍变而来的 它们内部的架构大同小异 只是在信号的传输形式上 网络视频监控系统借助于网络 更先进 灵活 网络视频监控系统利用计算机网络进行视频监控系统的音 像与数据信号的控制 传输 以实现通过网络中任意一台计算机由其音 视频采集卡来进行音像与数据信号的采集 压缩 传输与存储 或利用网络摄像机内置的接口 符合网络传输协议 将图像 声音信号以媒体流的形式直接传输到网络中 用户只需借助互联网PC 即能随意调看 监听从网络传来的任意一台摄像机摄取的画面与其内置监听头采集的现场声音 若有需要 还能对摄像机的云台与电动变焦镜头进行调控 除此之外 拥有门禁 报警 消防自动喷淋等功能的网络视频监控系统 还能传输门禁刷卡数据 报警信号与红外 烟雾传感器在其监控范围中采集的模拟量数据等 6 2计算机网络基础知识 所谓计算机网络 就是将不同地理位置 有独立功能的多个计算机系统 先以物理方式 通信设备与线路 进行硬连接 其后再辅以功能完善的网络软件 网络通信协议 操作系统 信息交换方式等 以实现网络中的资源共享 由计算机网络带来的好处与快捷人皆共知 然而 在共享网络资源时 人们常会抱怨网络的速度太慢 引起网速过慢的原因是多种多样的 跨网络体系传输时 受到两个网络间传输线路带宽的限制 对等网传输数据时 网络设备落后 在传输实时图像数据时 受带宽影响而出现明显的马赛克或卡通现象 其传输的图像幅面由此也比较小 Modem进行拨号上网时 受其最高接入速率与所访问站点最大吞吐量的限制 进入漫长的等待过程等 6 2 1网络传输介质 如前所述 网络的建立首先需要物理通道的连接 这就需要用于信号传输的载体 网络传输介质 从传输方式上 传输介质分为有线介质与无线介质 有线介质又有铜缆双绞线 同轴电缆 光纤等类型 而无线介质则包括射频 微波 红外线 激光等类型 每种介质与传输方式都有其自身的特点 有线介质经常被用于局域网中 其性能稳定可靠 应用的技术也比较成熟 无线介质的传输是在开放的空间进行 应用起来灵活方便 受工程环境的影响比较小 特别适于不宜铺设电缆的地方 6 2 2各类型网络 从理论上讲 若三台以上的计算机要进行相互通信 就需要连成网络 而对网络而言 按照不同的传输技术与网络规模 有各自不同的类型 1 按照传输技术分类 传输技术有两种类型 广播式传输和点到点方式传输 所以 网络可分为广播式网络与点到点网络 1 广播式网络广播式网络 BroadcastNetwork 仅有一条通信信道 由网络上所有的机器共享 广播式网络按某一种语法规则来进行组织分组和包发送短消息 可由任何联网的计算机发送并被其他所有联网的计算机接收 其分组的地址字段会提示该分组应被哪台计算机接收 收到分组后 各计算机将检查其地址字段 若是发送给它的则处理该分组 反之将丢弃 广播式网络允许在地址段中使用一段特殊代码 使其分组发送给所有目标 代码的分组发出后 网络里面的每台计算机会对其进行接收与处理 这种功能使广播式网络成为真正意义上的网络广播 此外 广播式网络还拥有向计算机子集发送短消息的功能 而剩下的n 1位地址字段存放组号 每台计算机可以注册到任意组或所有的组 当某一分组被发送给每个组时 它被发送到所有注册到该组的计算机中 2 点到点网络点到点 peer to peer 网络由一对对计算机之间的多条连接构成 为了能从源端到达目的端 这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间计算机的接力 由于可以有多条传输路径 并且可能的长度也不一样 因此在点到点网络中 路由算法十分重要 一般来讲 小型的 地理上处于本地的网络采用广播方式 而大型的网络采用点到点方式 2 按照网络规模分类 网络的规模可大可小 根据网络规模的大小或传输距离的远近 可以将网络分为局域网 城域网 广域网和因特网 因为在不同的连接距离下 所使用的网络技术通常也是不一样的 因而网络的结构也各式各样 1 局域网 计算机网络技术是计算机技术和通信协议相结合的产物 通过计算机网络 可以将分散在各处的计算机紧密地联系在一起 局域网作为计算机网络的组成部分 在组建计算机网络中具有重要的地位 计算机网络利用通信协议和通信线路 将分散在各地的具有自主功能的计算机有机地连接起来 以功能完善的软件 网络通信协议和网络操作系统等 实现网络资源的共享 因此 局域网是局限于一定地理范围的计算机网络 既可以是两台计算机的简单网络 也可以是大型企业中多台计算机组成的复杂网络 局域网由网络硬件与网络软件组成 网络硬件构成局域网的物理实体 网络软件实现局域网的各种功能 局域网网络硬件一般由服务器 工作站 网卡 计算机外设 传输介质 网络互联设备等组成 而网络软件是实现网络功能必不可少的软件环境 用于控制和分配网络资源 实现网络中各种设备之间的通信 管理网络设备 实现网络应用等 网络软件包括网络操作系统 网络协议 网络管理软件和网络应用等 2 城域网 城域网 MAN MetropolitanAreaNetwork 通常是指能跨越多个城市的网络 其覆盖范围在几十至一百千米 因此 从某种意义上说 城域网是一种大型的局域网 通常使用与局域网相似的技术 但是 之所以把城域网单独列为一类 主要是因为已经有了一个新的且正在被实施的标准 即分布式队列双总线DQDB DistributedQueueDualBus 标准 又称IEEE802 6标准 DQDB由两条单向总线 电缆 组成 所有的计算机都连接其上 城域网的覆盖面比局域网大 可以有多种传输介质 3 广域网 广域网 WAN WideAreaNetwork 能根据需要连接横跨较大距离的许多局域网 如连接多个洲的多个国家或多个城市 广域网包含想要运行用户应用程序的所有机器 主机 host 并可能会用到所有的传输介质 主机通过通信子网进行连接 而子网的功能是把消息从一台主机传到另一台主机 就好像电话系统把声音从讲话方传到接收方一样 通过把网络的通信部分 子网 和应用部分 主机 分开 整个网络的设计就简化了 在大多数广域网中 子网由两个不同的部件组成 即传输线和交换单元 交换单元是一种特殊的计算机 也被称作路由器 router 用于连接两条或更多的传输线 当数据从输入线到达时 交换单元必须选择一条输出线以传递它们 在这个模型中 每个主机都被连接到一个带有路由器的局域网上 通信线路和路由器 但不包括主机 的集合组成子网 在大多数广域网中 网络包含大量的电缆或电话线 每一条都连接一对路由器 如果两个路由器间没有电缆连接而又希望进行通信时 则必须使用间接的方法 即通过其他路由器 当通过中间路由器把分组从一个路由器发送另一个路由器时 分组会完整地被每个中间路由器接收并存放起来 当需要的输出线路空闲时 该分组就被转发出去 使用这种原理的子网被称作点到点 peer to peer 存储 转发 store and forward 或分组交换 packet switched 子网 几乎所有的广域网都使用存储 转发子网 4 因特网 世界上有许多网络 而且常常使用不同的硬件和软件 一个网络上的用户经常需要和另一个网络上的用户通信 这就需要连接不同的 而且往往是不兼容的网络 有时候使用被称作网关 gateway 的机器完成连接 并提供硬件和软件的转换 互联的网络集合就称为因特网 Internet 常见的因特网是通过广域网连接起来的局域网的集合 实际上相当于把上述广域网中的 子网 换作 广域网 是一种更广泛的网络 6 2 3网络拓扑结构 在构造网络的过程中 需根据不同的应用环境对网络的布线 使用的软件 网络的拓扑结构 传输介质 设备等进行选择 通常可以用网络的物理布局和逻辑特征来描述其拓扑结构 这里 物理布局指的是如何进行网络布线 与信号如何在不同结点间进行传输无关 实际应用中 存在很多种不同的物理拓扑型式 但总的来说可以划分为4种 总线型 Bus 环型 Ring 星型 混和型 逻辑特征即点与点之间进行传输的方法 1 总线型拓扑结构 总线型拓扑结构使用一条数据传输线作为传输介质 网络上所有的结点通过相应的硬件接口直接接到这条数据传输线上 如图6 1所示 总线型拓扑结构的优点是结构简单 安装方便 结点的添加和删除都比较方便 缺点是故障诊断和隔离困难 总线上的任何一点出现故障都会导致网络瘫痪 2 星型拓扑结构 星型拓扑结构将中心结点的中心与各结点连接起来 各结点与中心结点通过点到点的方式连接 其优点是网络组建容易 容易检测与隔离故障 缺点是整个网络对中心结点的依赖性 如果中心结点发生故障 将导致整个网络瘫痪 3 环型拓扑结构 环型拓扑结构是将各相邻结点互相连接 最终形成闭合环 所有结点共享一条物理通道 数据在结点之间单向传输 如图6 2所示 环型拓扑结构的优点是网络的结构简单 传输确定 可以构成实时性较高的网络 缺点是环中某一结点的故障将导致网络瘫痪 而且网络结点的添加 退出及环路的维护和管理都比较复杂 4 混合型拓扑结构 总线型拓扑结构 环型拓扑结构和星型拓扑结构是局域网的三种基本体系结构 一般用于组建网络计算机数量比较少的局域网 当网络较多时 往往不采用单纯的某一种基本体系结构 而是采用在这三种基本拓扑结构的基础上进行扩展而形成的混合型拓扑结构 树型拓扑结构是从星型结构演变来的 网络各结点按一定的层次连接起来 形状像一棵倒置的树 易于扩充 故障隔离比较方便 星型 总线型拓扑结构是由星型和总线型结构组合而成 星型 总线型拓扑结构在一定程度上改善了星型结构过分依赖中心结点的缺陷 使得某一中心结点的故障只影响到该中心结点所连接的计算机 星环型拓扑结构是由星型和环型结构组合而成 具有星型结构易于诊断和隔离的优点 还能改善单纯星型结构和环型结构的缺点 6 2 4网络参考模型与TCP IP协议 计算机网络的硬件设备是承载计算机通信的实体 然而 当网络的硬件设备按前述的拓扑结构进行物理连接后 又是如何有序地完成计算机之间的通信任务呢 具体地说 共享计算机网络的资源 以及在网络中交换信息 需要实现不同系统中的实体的通信 实体包括用户应用程序 文件传送包 数据库管理系统 电子设备及终端等 系统包括计算机 终端和各种设备等 一般说来 实体是能发送和接收信息的任何东西 而系统是物理上明显的物体 系统包含一个或多个实体 两个实体要想成功地通信 必须具有相同的语言 交流什么 怎样交流及何时交流 都必须遵从有关实体间某种互相都能接受的一些规则 这些规则的集合称为协议 即两实体间控制数据交换的规则的集合 所谓的协议 就像人与人交流的语言一样 是计算机网络通信实体之间的语言 不同的网络结构可能使用不同的网络协议 不同的网络协议设计也就造就了不同的网络结构 下面将从计算机网络协议的参考模型开始 逐一介绍局域网 广域网 因特网的计算机网络通信协议 1 ISO OSI参考模型 为了实现不同厂商生产的网络产品之间的网络通信 国际标准化组织 ISO 于1981年正式公布了一个网络体系结构作为国际标准 称为开放式系统互联参考模型 ReferenceModelofOpenSystemInterconnection 简称ISO OSI参考模型或OSI RM ISO OSI参考模型将整个网络的功能划分为物理层 PhysicalLayer 数据链路层 DataLinkLayer 网络层 NetworkLayer 传输层 TransportLayer 会话层 SessionLayer 表示层 PresentationLayer 和应用层 Applicationlayer 等7个层次 如图6 3所示 在ISO OSI参考模型中 最高层是应用层 面向用户提供应用服务 最低层是物理层 连接传输介质实现数据传输 如图6 4和表6 1所示 2 TCP IP体系结构 TCP IP TransmissionControlProtocol InterconnectionProtocol 传输控制协议 网际协议 是20世纪70年代中期 美国国防部为了ARPAnet开发的网络体系结构和协议标准 并以此为基础组建了世界上规模最大的计算机因特网Internet TCP IP体系结构包含网络接口层 网际层 传输层和应用层等4个层次 1 网络接口层TCP IP体系结构的最低层是网络接口层 也称网络访问层 对应ISO OSI参考模型的物理层和数据链路层 TCP IP体系结构没有定义具体的网络接口协议 旨在提供灵活性 以适应各种网络类型 2 网际层TCP IP体系结构的网际层对应ISO OSI参考模型的网络层 网际层主要是处理来自传输层的分组 将分组形成数据包 IP数据包 并为该数据包进行路由选择 最终将数据包从源主机发送到目的主机 3 传输层TCP IP体系结构的传输层提供应用程序间 即端到端 的通道 其功能是利用网络层传输格式化的信息流 提供连接的报务 传输层对发送的信息进行数据包分解 保证可靠性传送并按序组合 4 应用层TCP IP体系结构的最高层是应用层 对应ISO OSI参考模型的应用层 表示层和会话层 用于提供网络服务 如文件传输 远程登录 域名服务和简单网络管理等 3 TCP IP与Internet的关系 当TCP IP协议形成网络传输的一种标准时 Internet这一术语开始得到普遍的应用 Internet迅猛发展 规模越来越大 成为在世界范围内被互联在一起的所有网络的总称 由最初的网间协议 IP 将各个物理网络连接成一个单一的逻辑网络 由于进行Internet连接需要TCP IP 因此越来越多的组织对TCP IP感兴趣 他们认为该协议可以适用于其他的网络 由于TCP IP本身就存在于Internet中 且其使用受到一些军事单位的控制 所以它的普及并不是很快 但它本身一些重要的特点使其能满足世界范围的数据通信 开放式协议 TCP IP可免费使用 且与具体的计算机硬件和操作系统无关 因此 利用TCP IP来统一不同的硬件和软件是很理想的 与网络硬件无关 TCP IP的这一特点使其可适用于以太网 令牌环网 拨号网 X 25网络及任何其他类型的物理传输介质 通用的寻址方案 TCP IP的这一特点使其可以在如Internet等网络中唯一地寻址 找到其中的任何一个联网设备 4 TCP IP协议 TCP IP协议具有很强的灵活性 支持任意规模的网络 使用IP地址来唯一标识网络计算机 在使用TCP IP协议组建局域网时 一般需要进行IP地址的规划和一些TCP IP协议项 包括IP地址 子网掩码 默认网关等 的设置 TCP IP协议采用分组交换方式进行数据传输 所谓分组交换 即数据在传输时分成若干段 每一数据段称为一个数据包 TCP IP协议的基本传输单位是数据包 使用TCP IP协议进行数据传输的过程如下 由TCP协议把数据分成若干数据包 给每个数据包写上序号 以便在接收端将数据还原成原来的格式 IP协议给每个数据包写上发送和接收的地址 一旦写上源地址和目的地址 数据包就可以在物理网上传送数据了 IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能 数据包可以通过不同的传输途径 路由 进行传输 由于路径不同 加上其他的原因 可能出现顺序颠倒 数据丢失 数据失真甚至重复的现象 这些问题都由TCP协议来处理 它具有检查和处理错误的功能 必要时还可以请求发送端重发 因此 在TCP IP通信协议中 IP协议负责数据的传输 而TCP协议负责数据的可靠传输 计算机网络还有很多协议 如AppleTalk SNA协议 DLC协议等 这些协议一般用于一些特定的场合 如AppleTalk是一种用于连接Macintosh计算机的协议群 在组建计算机网络时 应根据实际情况选择需要的通信协议 令牌环网是IBM公司于20世纪70年代开发出来的 至今仍然沿用于IBM内部局域网 令牌环网在局域网中的流行性仅次于以太网 它还有一种变形 就是令牌总线 IEEE802 5 令牌环网的传输介质主要基于屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线两种 其拓扑结构可以有多种 环型 最典型 是原意 星型 实际中采用得最多 总线型 一种变形 实际上 IEEE802 5的定义是在IBM令牌环网的基础上进行总结 统一的结果 可以这样理解 IBM令牌环网是具体应用的一种方案 实际上几乎是唯一在实际中应用的方案 而IEEE802 5则是一种抽象的群体 它们的异同见表6 2 6 2 5令牌环网 IEEE802 5 1 存取方法 令牌环控 1 首先 令牌环网在网络中传递一个很小的帧 称为 令牌 只有拥有令牌环的工作站才有权力发送信息 2 令牌在网络上依次传递 3 当工作站要发送数据时 等待捕获一个空令牌 然后将要发送的信息附加到后边 发往下一站 如此直到目标站 最后将令牌释放 4 如果工作站要发送数据时 经过的令牌不是空的 则等待令牌释放 为了让大家更好地理解这种存取方法 我们在此构造一个例子 假设有10个人围成一圈 他们无法交谈 只能通过写字来交谈 然而为了能够有序地交谈 给他们每人一个空信封 这个空信封在他们之间依次传递 当有人要说话时 等空信封传在面前 将写好的纸放入信封 在信封上写上接收人的号数 然后往下传 当接收人看到后 从中取出纸 擦去信封外的号数 这样还原成一个空的信封 继续依次向下传递 如果有人要说话时 信封没到面前或信封不是空的 则只有等待 2 与以太网的比较 令牌环网可以定制每个站持有令牌的时间 使得整个网络是 确定性 的 但其协议过于复杂 所以造成了不必要的带宽开支 使得令牌环网的速度比以太网慢得多 我们一起来对以太网 令牌环网以及其变形令牌总线进行一个综合的比较 见表6 3 6 2 6光纤分布式数据接口 光纤分布式数据接口 FDDI FiberDestributedDataInterface 是由美国国家标准协会X3T9 5委员会制定的光纤环网标准 采用类似令牌环网的协议 用光纤作为传输介质 数据传输速率达100Mbps 环路长度可扩展到200千米 连接的站点数可以达到1000个 FDDI网络在过去的10年中有了迅速的发展 主要的网络产品制造商有DEC AT T等 如图6 5所示 绝大部分的FDDI都是用于局域网的骨干网 FDDI采用双环体系结构 两环上的信息反方向流动 其中一环称为主环 另一环称为次环 在正常情况下 主环传输数据 次环处于空闲状态 双环设计的目的是提供高可靠性和稳定性 其结构如图6 6所示 1 FDDI的传输介质 FDDI采用光纤作为主要的传输介质 它定义了单模光纤和多模光纤两种 模 是以一定角度进入光纤的束光 多模光纤采用发光二极管作为光源 而单模光纤采用激光作为光源 多模光纤允许多 模 光在光纤中传播 因为每一 模 光进入光纤的角度不同 它们到达光纤另一端的时间也不同 这种特性称为模分散 模分散技术限定了多模光纤的带宽和距离 单模光纤则只允许一束光传播 由于只使用一束光 没有模分散的特性 因此 单模光纤有能力提供更高的传输性能和更远的距离 2 FDDI的站点连接 FDDI的一大特点是其设备可以采用多种方法连接 FDDI定义了单连接站点 SAS 双连接站点 DAS 和集线器三种类型的设备 单连接站点只能通过集线器连接到主环上 这种连接方式的主要优点是当单连接站点与主环的连接中断后 对环路没有影响 单连接站点是一个单纯的利用FDDI环通信的设备 双连接站点有两个端口 它们通过DAS形式连接到FDDI的双环上 而且每个端口都能分别与主环和次环连接 当然 如果采用双站点连接的设备与主环或次环的连接出现问题 将直接影响FDDI的环路结构 其连接如图6 7所示 3 FDDI的双环结构 FDDI的主要容错特性是双环结构 当双环上的一个站点失效时 双环自动回绕成单环 如图6 8所示 4 铜缆分布式数据接口CDDI 为了使得FDDI能够更加有用 又制定了铜缆分布式数据接口CDDI标准 铜缆分布式数据接口是FDDI协议在铜轴双绞线上的实现 与FDDI一样 它的传输速率为100Mbps 也采用双环体系结构提供冗余特性 CDDI支持的工作站与集线器间的最大距离为100m 6 2 7PPP点对点协议 PPP点对点协议主要用于 拨号上网 的广域连接模式 一般来说 一些无法使用专门的网络线连接的双方 如家庭用户 移动用户 需要广域相连接的时候 就可以借助分布最广的公用交换电话网来实现 如图6 9所示 终端通过调制解调器的调制 将要传输的数字信号调制成模拟信号 然后通过模拟的PSTN线路传输到目的地 图中的笔记本电脑虽然没有画出调制解调器 但并不是说它就不需要 而是考虑到现在市场上的笔记本电脑一般是内置了调制解调器的原因而故意作的调整 让我们来想想 平时浏览因特网上的网页的时候 首先通过调制解调器连接到电话线上 然后将在远方服务器的内容通过电话线传送到自己的计算机中来 或者 当大家要发送电子邮件的时候 就将写好的电子邮件从电话线中传送出去 另外 两个不同城市的两台计算机要互相传送数据 也可以通过装在两台计算机上的调制解调器 让其中一台呼叫另一台 拨打它的电话号码 而建立点对点的连接 迄今为止 拨号上网还是绝大多数的家庭用户和小型办公室用户广域连接的最常用的手段 但是因为通过的是模拟线路 所以传输速度较慢 6 3网络摄像机 网络摄像机的应用 使图像监控技术有了一个质的飞跃 网络的综合布线代替了传统的视频模拟布线 实现了真正的三网 视频 音频 数据 合一 网络摄像机即插即用 工程实施简便 系统扩充方便 跨区域远程监控成为可能 特别是利用因特网 图像监控已经没有距离限制 而且图像清晰 稳定可靠 图像的存储 检索十分安全 方便 可异地存储 多机备份存储及快速非线性查找等 6 3 1网络摄像机的结构 网络摄像机一般由镜头 图像传感器 声音传感器 A D转换器 图像编码器 声音编码器 控制器 网络服务器 外部报警 控制接口等部分组成 1 镜头 镜头作为网络摄像机的前端部件 有固定光圈 自动光圈 自动变焦 自动变倍等种类 与模拟摄像机相同 2 图像 声音传感器 图像传感器有CMOS和CCD两种模式 CMOS即互补性金属氧化物半导体 由硅和锗两种元素组成 通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能 这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录 解读成影像 CMOS相对于CCD最主要的优势就是非常省电 其耗电量只有普通CCD的1 3左右 CMOS在处理快速变换的影像时 由于电流变换过于频繁而过热 暗电流抑制的好就问题不大 如果抑制的不好就十分容易出现杂点 CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成 光电二极管把光转化成电荷 再经转化电路传送和输出 通常 传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器 而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器 但新的技术正在克服每种器体固有的弱点 同时保留适合于特定用途的某些特性 声音传感器即拾声器 或麦克风 与传统的话筒的原理一样 3 A D转换器 A D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号 基于CMOS模式的图像传感器模块有直接数字信号输出的接口 无需A D转换器 而基于CCD模式的图像传感器模块也有直接数字输出的接口 亦无需A D转换器 但由于此模块主要针对模拟摄像机设计 只有模拟输出接口 故需要进行A D转换 4 图像 声音编码器 经A D转换后的图像 声音数字信号 按一定的格式或标准进行编码压缩 编码压缩的目的是为了便于实现音 视频信号与多媒体信号的数字化 便于在计算机系统 网络及万维网上不失真地传输信号 目前 图像编码压缩技术有两种 一种是硬件编码压缩 即将编码压缩算法固化在芯片上 另一种是基于DSP的软件编码压缩 即软件运行在DSP上进行图像的编码压缩 同样 声音的压缩亦可采用硬件编码压缩和软件编码压缩 其编码标准有MP3等格式 5 控制器 控制器是网络摄像机的心脏 肩负着网络摄像机的管理和控制工作 如果是硬件压缩编码 控制器是一个独立部件 如果是软件编码压缩 控制器是运行编码压缩软件的DSP 即两者合而为一 6 网络服务器 网络服务器提供网络摄像机的网络功能 采用RTP RTCP UDP HTTP TCP IP等相关网络协议 允许用户从自己的PC机上使用标准的浏览器 根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问 观看实时图像 以及控制摄像机的镜头和云台 7 外部报警 控制接口 网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口 如控制云台的485接口 用于报警信号输入 输出的I O口 例如 红外探头发现有目标出现时 发报警信号给网络摄像机 网络摄像机自动调整镜头方向并实时录像 另一方面 当网络摄像机侦测到有移动目标出现时 亦可向外发出报警信号 网络摄像机的基本原理是 图像信号经过镜头输入 声音信号经过麦克风输入后 由图像传感器的声音传感器转化为电信号 A D转换器将模拟电信号转换为数字电信号 再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩 在控制器的控制下 由网络服务器按一定的网络协议送入局域网或Internet 控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号 且按要求发出控制信号 6 3 2具体实现方法 网络摄像机不仅可基于计算机局域网用于区域监控 如住宅小区监控 办公楼 银行 商场等传统监控 而且也能通过Internet用于新型 跨区域远程监控及网上展示 如远程看护 无人值守的通信机房监控 旅游景点网上演播 产品网上展览等 以广州安居宝科技有限公司完全自主开发的网络摄像机为例 系统有如下一些特点 把图像进行M JPEG编码压缩 通过网络利用TCP IP协议进行传输 通过网络摄像机或镜头 云台和其他外部设备进行操作控制 内置一个RJ 45接口该接口可接10M 100M自适应以太网卡 可通过网络实现远程接口 一个并行I O口可以连接外部传感器进行自动报警 也可以对外部设备进行控制或进行联动报警 一个RS 45串口 可以对镜头 云台进行控制 或连接其他外部设备 内嵌Webserver 允许用户从PC机使用标准的浏览器对各窗口进行操作 具有单独的安全机制 可以对操作本摄像机的用户进行分级别的权限验证 有中心的集中式管理与控制的监控网及无中心的分布式监控网 内置实时操作系统 支持软件下载和配置设置 方便升级和操作管理 6 4网络传输设备 计算机网络都是通过各种网络传输设备连接起来的 这些设备被称为连通硬件 其中 局域网 LAN 中的传输设备主要有网卡 转发器 多站访问单元 集线器 路由器 桥式路由器 转换器 广域网 WAN 主要包括多路器 信道组 专用网 调制解调器 访问服务器和路由器 只有了解了这些网络设备的基本功能 才能较好地配置网络 从而建立网络视频监控系统或是实现基于网络的分控 1 网卡 网卡 全称为网络接口卡 NetworkInterfaceCard 是用于连接计算机与传输媒介的物理板卡 通常安装于计算机的扩充槽中 有些则直接集成在计算机主板上 从性质上说 网卡也是一种网络收发器或传输媒介适配器 计算机装上网卡再通过相应的网络连线 才可以与其他同样配上网卡的计算机共同构成局域网 网卡一方面通过ISA或PCI总线与计算机连接 另一方面又同时与光纤或电缆等通信介质连接 因此 网卡既可以把计算机内的各种数据传送到网络介质上 又可以从网络上接收各类数据信息 网卡在网络中起着极为重要的作用 准备数据 发送数据 控制数据流量和接收数据 在工作中 计算机首先告诉网卡将要发送的数据 并为没有缓冲区的网卡分配好内存 然后 当网卡接收到要发送数据的信息后 如果自身不忙就会告诉计算机自己已经准备好 最后 网卡通过总线接口从计算机内存中将数据搬移到网卡 由于网卡的处理速度一般都比较慢 所以网卡在传递数据前 需要和对方就发送数据的速度 最大的数据帧大小 发送数据时的时间间隔 等待数据确认的时间 每次数据确认前发送的数据量等进行协调 一旦所有这些因素都被协调好 网卡就开始向网络上传输数据了 2 转发器 转发器将两个或多个电缆连接起来 并将所有的输入信号重新传输到其他段上 其主要功能包括 扩展网络段 使结点的数目不再受到电缆短的限制 不停地检测网络上的问题 并能连接其他网络设备上的结点 转发器的优点在于它很廉价 但是由于要向所有的输出段发送信号 因而使网络更加繁忙 降低了传输效率 3 多站访问单元 多站访问单元 MAU Multi stationAccessUnit 用于连接令牌环网 是连接令牌环网的核心设备 它工作在OSI参考模型的物理层和数据链路层 在令牌环路上将数据帧从一个结点向环中下一个结点传送 4 调制解调器 如果用户没有局域网环境 例如 只有一两台计算机 也没有其他局域网接入设备 仅仅通过电话线也是可以与其他异地计算机连成网络的 在这种情况下 计算机需通过调制解调器 Modem 即Modulator和Demodulator的组合词 并借助电话网 PSTN 或综合业务数字网 ISDN 接入网络 即计算机信息在发送时先经模拟或数字调制 在接收端再经过与发送端相反的解调过程 即可形成计算机能识别的数字信号 这样 如果在某个孤立的站点安装有多媒体视频监控系统或支持拨号访问的硬盘录像系统 在远端通过电话拨号 就可以在自己的计算机上看到该站点监控的现场画面了 如图6 10所示 为调制解调器外观图 Modem具有内置式和外置式两种 其中 内置式又分为插卡式和主板集成式 插卡式Modem可插于计算机主板的ISA或PCI插槽上 主板集成式则直接做于计算机的主板上 它们都是通过板卡上的RJ 11接口与外来电话线相连接 同时还有一个环出RJ 11接口用于连接电话机 外置Modem通过RS 232接口及连接电缆与计算机的RS 232接口 即 串口 相连接 另外 除了RS 232口和两个RJ 11电话线接口外 外置Modem还有一个外接电源接口 因为它需要通过外接电源来供电 Modem的主要指标是数据传输速率 早期Modem的传输速率只有300 1200bps 而如今Modem的传输速率已可达56Kbps 另外 在实际的网络传输中 数据传输速率与电话线路上的噪声直接相关 电话线路的质量差分直接影响数据传输速率 与进行通信的两端设备有关 若高速通信设备与低速通信设备相连时 通信速度以低速通信设备为准 还与用户使用何种系统及硬件配置有关 系统不同 通信速率也会不同 5 中继器 中继器 Reprater 工作在OSI参考模型的物理层 当信号在媒介上经长距离传输而变得越来越弱时 就要使用中继器 它可以对数据脉冲进行放大和整形 以消除衰减和失真 实用中 中继器只适用于同一种或差异仅存在于物理层的网络之间的连接 即只需要信号的整形放大就可以实现两个网络之间的耦合 对于数据链路层以上的协议来说 用中继器连接起来的若干段电缆与单根电缆是没有区别的 可能某处会稍许有一些延时 因此 中继器的主要功能在于延长电缆的有效连接长度 还可以起到以太网拓扑结构的功能 简单的中继器在放大有用信号时会将噪声一同放大 而质量好的中继器能首先将有用数据提出 然后对数据信号进行放大 由于中继器在物理层提供了大的驱动电流 因此适合于长距离联网 但它对网络流量没有控制功能 在使用中应注意不能形成环路 要遵守MAC协议的定时特性 不能用中继器将电缆无限连接 6 集线器 集线器 HUB 是一种特殊的中继器 有多个输入和输出端口 用来在媒介段间的中央点进行连接 以星型拓扑结构连接网络结点 它可将多个不同介质段连到一起 而不会引起严重的杂波和干扰 因此从物理结构上看 集线器相当于将所有连接计算机的网线集结在一起 是所有网线的一个 集结点 通常有非延加集线器 可延加集线器和智能型集线器3种 可延加集线器也被称作有源集线器 即有放大信号的功能 因而可以有效地延长信号的传输距离 常见的集线器有4口 即具有4个RJ 45接口 8口 16口和32口型 根据适用网络传输速度的不同 集线器又可分为10M 10 100M自适应和1000M自适应型 通过把2个或2个以上的集线器级联 可以扩充网络中的RJ 45接口数量 从而增加联网计算机的数量 7 网桥 网桥 Bridge 工作在OSI参考模型的第2层 即数据链路层 是一种在该层实现网络互连的存储转发设备 大多数网络 尤其是局域网 在结构上的差异体现在数据链路层的介质访问协议 MAC 中 因而网桥被广泛地用于局域网的扩展项目中 网桥从一个网段接收完整的数据帧 进行必要的比较和验证 然后决定是丢弃还是发送给另外的网段 转发前 网桥可以在数据帧之前增加或删除某一些字段 但一般不进行路由选择过程 因此 网桥具有隔离网段的功能 智能型的网桥甚至可以连接两个不同的网段 例如 连接以太网段和令牌环网段 在网络上适当地使用网桥可以起到高速网络负载 提高整个网络传输性能的作用 由于网桥工作在数据链路层 因此 它所连接的网络的覆盖范围不受以太网覆盖范围的限制 但对于大型网络 两个最远的网段之间经过的网桥并不是任意的 一般不超过5个 否则 可能会使整个网络的性能下降 和中继器比较起来 网桥能完成更多的工作 网桥能够在数据帧上重生数据 而中继器却只能简单地进行放大 可以检查每个数据帧的目标地址和源地址 并建立一个路由表 还能够有选择地传送数据 因而可以有效地隔离网络的故障 网桥中的路由表是这样建立的 首先判断数据帧是否有效 如果有效 则把数据帧的源地址和网桥路由表中的地址进行比较 如果该地址在路由表中已经存在 就直接重生和传输数据帧 否则就把该地址加入路由表中 由此可知 网桥路由表中最初是空的 随着网络数据的传输 计算机的地址渐渐地增多 一旦所有的计算机都发送过信息 路由表中就存储了全部的地址 当网桥进行数据转发时 路由表就显得很有用了 因为网桥会将路由表中存储的目标地址与数据帧的源地址进行比较 当网桥接收到数据后 如果确认数据帧的目标地址和源地址在同一个网段 就把该数据帧忽略 不再发给其他网段 如果目标地址和源地址不在同一个网段 就只把该数据帧发给目标地址所在的网段 使数据不必发给其他无关的网段 这两种情况都有效地减小了网络的信息流量 如果数据帧的目标地址不在路由表中 就将数据发给除源地址外的所有网段 8 路由器 路由器 Router 与网桥的最大差别在于网桥实现网络互联发生在数据链路层 而路由器发生在网络层 它主要用于连接不同的网络 路由器通过访问网络地址 NetworkAddress 或者说是IP地址 对网络层上的数据和路由数据帧进行交换 而不像网桥那样是利用物理地址 或者说是MAC地址 来交换数据 因此 在网络层上实现网络互联需要相对复杂的功能 如路由选择 多路重发及错误检测等均在这一层上用不同的方法来实现 路由器中也有一个路由表 但它不像网桥中含有的物理地址那样 路由器中含有的是网络地址 因而它能包含所有已知的计算机网络地址 当路由器收到数据帧时 它会先检查该数据帧的目的地址 并通过对路由表的检查确定一条最佳的传输路径 然后通过这条路径把数据帧发送给目的地址 路由器还具有缓存数据的功能 因此它能够控制数据的流量 使发送端和接收端的速度保证相互匹配 从而避免数据的丢弃 同时 它还可以对数据重新进行分组和分段 当数据过大而使接收端无法接收时 路由器就将大的数据帧分成小的数据帧 以便对方的接收 避免了重复发送 与网桥相比 路由器的异构网互联能力 阻塞控制能力和网段的隔离能力等方面都要强很多 路由器是局域网和广域网之间进行互联的关键设备 通常的路由器都具有负载平衡 控制网络流量及提高系统容错能力等功能 一般来说 路由器大都支持多协议 提供多种不同的电子线路接口 从而使不同厂家 不同规格的网络产品之间 以及不同的网络之间进行非常有效的网络互联 9 网关 网关 Gateway 实现的网络互联发生在网络层之上 OSI参考模型的第4 7层 因此它是网络层以上的互联设备的总称 对于网络体系结构差异比较大的两个子网 从原理上来说 在网络层以上实现网络互联是比较方便的 对于局域网和广域网而言 下面三层的结构差异比较大 它们之间的耦合是十分复杂甚至是不可实现的 在这种情况下 一般采用网关进行网络互联 选择网络互联的层次越高 互联的代价就越大 效率也会越低 但是 网关却能够互联差异更大的异构网 以典型的大型校园网为例 校园网通常是由主干网和若干段子网组成 主干网和子网之间通常是由路由器进行连接 子网内部常常有若干局域网 这些局域网之间采用中继器或网桥进行连接 而校园网与其他网络的连接 如公用交换网络 卫星网络和综合业务数字网络等 一般都采用网关进行互联 6 5局域网的安装与维护 局域网是为人们最熟悉的网络 安装局域网的基本前提是各计算机内置有网络适配器 网卡 并通过网线连接在一起 形成一个物理 网 6 5 1物理连接 要使各独立的计算机连成网络 首先就要在各计算机内添置网卡 在断电的情况下打开机箱盖 并将网卡插入到计算机主板上空闲的PCI插槽内 然后固定网卡并重新盖好机箱盖 再将各网卡通过带有RJ 45接头的网线经集线器连接到一起 构成星型网络 如果是用同轴电缆联网 则不需要集线器 而是通过T型BCN连接器用同轴电缆串接在一起 构成总线型网络 这样 网络的物理连接即告完成 常用的局域网是10M 100M以太网 在保证各计算机的物理连接后 还要安装网卡的驱动程序 进行网络的软件安装与设置 6 5 2安装网卡驱动程序 如果所用网卡支持即插即用 Windows9x NT系统就会自动检测出网卡 我们只需根据网卡的硬件安装向导来安装网卡驱动程序 并配置好网卡资源 IRQ I O地址 DMA通道号等资源是不能与其他硬件资源冲突的 当然在绝大多数情况下 Windows9x NT会自动设置好这些网卡资源 若网卡不支持即插即用 则必须手工安装 其方法是在 控制面板 中双击 添加新硬件 图标 然后按照提示安装网卡附带的驱动程序 6 5 3安装与设置软件 Windows9x系统具有完善的网络功能 全面支持广域网和局域网 使网络的连接工作变得简单 方便 一般来说 简单的局域网具有Novell网 Windows9x对等网和WindowsNT网等三种典型组网方案 其中 Windows9x系统对等网络不使用专用服务器 但网络上的任何一个站点都可以看成是一个非专用服务器 各站点既是网络服务提供者 服务器 又是网络服务申请者工作站 因此对等网络又称点对点网络 Windows9x对等网适用于站点不多 网络规模较小的单位 下面简要介绍Windows9x对等网的安装与设置 控制面板 中双击 网络 图标 然后在 配置 标签页中 按 添加 按钮 在要安装的网络组件栏中 选择 协议 按 添加 按钮 厂商栏选择 Microsoft 在网络协议栏 根据需要选择网络协议 一般选择 IPX SPX兼容协议 或者 TCP IP 协议 然后按 确定 按钮保存 在要安装的网络组件栏中 选择 客户 按 添加 按钮 在厂商栏选择 Microsoft 在网络用户栏 选择 Microsoft网络用户 按 确定 按钮 在要安装的网络组件栏中 选择 服务 按 添加 按钮 选择 Microsoft网络上的文件与打印机共享 按 确定 按钮 经过以上步骤 在 网络 的 配置 标签页的已经安装的网络组件列表中应该至少有四项内容 Microsoft网络用户 TCP IP协议 IPX SPX兼容协议和Microsoft网络上的文件与打印机共享 在 配置 标签页中点取 文件与打印机共享 按钮 设置 允许其他用户访问我的文件 和 允许其他计算机使用我的打印机 为有效的网络 在 网络 的 标识 页中 设置 计算机名 工作组 及 计算机说明 Microsoft9x将使用以上信息在网络上识别你的计算机 通常 Microsoft9x工作组只是用户的逻辑组织 并不提供实际的物理组织或用户的分隔 它要求在本子网段有唯一的机器名称 因此联网的各计算机名不能重复 而工作组名一般都取为相同 计算机说明则是对本计算机的简单描述 在 网络 的 访问控制 标签页中 设置对共享资源的访问控制方式 有两种控制方式 共享级访问控制和用户级访问控制 一般选择共享级访问控制即可 完成以上设置后 按 确定 按钮 系统将根据用户的设置 完成指定网络组件的安装 在安装过程中 系统可能会要求用户插入Microsoft系统盘 复制一些必需的文件 这时根据屏幕提示操作即可 如果在前面安装了TCP IP协议 在 配置 页已安装的组件列表中选取相应的TCP IP协议 然后按 属性 按钮 进入 TCP IP属性 后 在IP地址页中 选取 指定的IP地址 方式 然后在IP地址域输入一个IP地址 如192 168 1 26 注意 在同一个工件组中 IP地址的前三个数应该一样 第四个数不能相同 否则会有冲突 子网掩码可设置为255 255 255 0 在完成以上安装步骤后 关机重新启动 在计算机工作台面上应能看见标识为 网上邻居 的新图标 选取 网上邻居 即可看见同一个工作组中的多台计算机 网络连通后 即可分别设置要共享的资源 如硬盘 文件夹 打印机 光驱等 资源共享安全方式有两种 共享级安全资源共享方式和用户级安全资源共享方式 Microsoft9x对等网络资源在共享级安全机制下对所有的对等网用户一样 只有只读和全权两种 用户只要知道共享资源的密码 就可在规定的权限内共享资源 Microsoft9x对等网络资源在用户级安全机制下可以对不同的对等网用户设置不同的权限 用户不但要知道共享资源密码 还要求进行用户身份的验证 MicrosoftNT是一种基于客户机结构的32位网络服务器操作系统 采用的是Microsoft9x风格的界面 与Novell网相比 MicrosoftNT网优良的性能和简便的网络管理操作使其后来居上 越来越多的用户开始采用MicrosoftNT来架构基于客户机 服务器结构的网络 Microsoft9x工作站在MicrosoftNT网络中的连接与组建Microsoft9x对等网络完全相同 只是要配置网络通信协议的属性 其方法是 在 控制面板 中双击 网络 图标 在 配置 项中选择所用的通信协议 单击 属性 选择 登录到NT域 并输入MicrosoftNT主控服务器的域名 6 6网络视 音频传输与控制 数字视 音频压缩技术的发展使得视 音频信号经由网络传输成为可能 网络也不再单一用于计算机数据通信 视频监控 防盗报警 出入口控制 电子巡更及其他数据接入服务等都可以借助于计算机网络来实现 甚至有些智能化的彩电 冰箱 洗衣机 微波炉等家用电器也都配置了网络接口 并具备了上网功能 它们可以通过网络下载家用电器的优化工作程序 还可以由用户在远程通过网络遥控启动某些家用电器的预定的工作程序 6 6 1网络视 音频传输 从物理结构看 计算机网络已经将所有的计算机通过网络接入设备及有线或无线介质连接在一起 因此 从理论上说 视频监控系统中的所有设备通过适当的网络接入设备都已连接到计算机网络上 并且借助于该网络进行视 音频信号的传输及设备状态的控制