IP监控基础知识

jsaran

一、名词解释

1. 什么是IP监控？
IP是Internet Protocol（因特网协议）的缩写，它是通过计算机网络进行交流的最常用的协议之一。IP 监控解决方案就是通过有线或者无线IP 网络把视频信息以数字化的形式来进行传输。只要是网络可以到达的地方就一定可以实现视频监控和记录，并且网络视频监控系统将计算机技术、多媒体技术、网络技术与监控技术有机地结合起来。它能将监控系统和计算机网络系统连接起来，使两个相互独立的系统开始走向融合，实现真正的三网合一（数据、语音和图像），在理念和方式上取得了重大突破。利用计算机网络技术，将封装成IP包的监控信息传送到网络上，与现有的信息管理系统融为一体，使网络中的每一台多媒体计算机上均可实现对监控信息的管理和调用，提高管理水平和管理效率。网络视频监控系统的出现已经超出了传统监控的范畴，在其基础上增加了管理的概念。它事实上已经成为现代化管理的一个有力工具。
据工业分析师J.P.Freeman和Co.，Inc.的分析，仅美国安装的模拟摄像机就有2，000万台。而在这2，000万台中，超过1，500万台是2002年出售的。在模拟摄像机销量如日中天的背景下，是逐渐浮出水面并且飞速发展的新一代产品--网络摄像机。看它的发展势头，人们不难预见到它的光辉前景；随着数字化的理念的逐渐深入人心，在不远的将来，它一定会取代模拟产品。
网络摄像机是直接连入IP网络的新一代产品，使用户可以实现远程网络上视频观看、存储以及对采集到的图像信息做出分析以采取相应的措施。预计网络摄像机在2007年将可能占到市场的一半份额，到2005年，全球网络视频市场将有望达到7亿9千万美元。
无论是单独由网络摄像机组成的解决方案，还是由模拟摄像机加视频服务器组成的解决方案，或者是两者混合组成的解决方案，IP监控都已被证明是一种极具吸引力的解决方案。在越来越多的原有行业应用中，这种革命性的技术正在逐步取代传统的监控系统，在提高安全性的同时也进一步的降低了成本；而在许多新的应用领域，它还是第一次用到，也因此开创和激发了许多新的市场。
正是由于它系统的可扩展性，IP 监控逐渐巩固了其在现有监视和远程监控行业应用的地位，也加速了在其他新兴行业的应用，具体包括：
教育：远程监控学校的操场、走廊、大厅以及教室，也包括对一些建筑物的监控；
交通：远程监控火车站、铁路轨道、高速公路以及机场的安全；
银行：应用于银行各分支机构或者是街头的ATM 取款机，替代繁冗的传统安全监视手段；
政府：安保和监视应用，通常集成到已有的系统中；
商场：对各大型超市的分支机构进行安全监视和远程管理，方便快速高效的管理；
工业：对生产线、后勤部门、库房存储系统进行监控，提高了厂区的安全性。

二、技术概念
1. 有了MPEG1/MPEG2，为什么还需要制定MPEG-4
为了使视频、音频媒体达到高质量、体积小、应用层面更广的要求，于是导入了对象（object）
的概念；MPEG4主要目标在于影像/声音上对象化进行描述，储存，传送，融合这些对象的方
式必须使用额外的功能，且这些功能是MPEG1/2 所没有的，以上需求成为制订MPEG4规格的主要原因。MPEG4提供了一套标准的方法来描述场景。
Object不只是画面上的一部份影像，更可以与其它对象（例如声音）结合而成一个新的object。MPEG4不只可以对2D影像做编码，亦可对2D/3D mesh做编码（对3D对象的编码能力），各个对象间的同步是一件很重要的事（精确的时间控制）。

2. MPEG4 有多种编码方式，各有什么区别？
3种常见的MPEG-4压缩方式：
Short Header常见于使用DSP 进行压缩的架构中，SP/ASP 常见于使用ASIC 处理的架构中，ASP 提供I/B/P帧能更好的表现图像的细节，SP/SH 只能提供I/P帧。
Short Header 相对其它MPEG-4 压缩技术来说，技术比较老，压缩率比较低，对压缩芯片技术要求或者DSP处理要求比较低，产生的码流比较高。该技术最大只能支持到CIF 画质；
Simple Profile对图像压缩处理的要求比较高，由于压缩比大，故对图像质量损失比较大，对CPU的负担也很重，只有在高端的高速DSP才能实现MPEG-4 SP编码。常有厂商将SP写入ASIC架构，Simple Profile技术相对比较早，只是在CIF 或以下画质对Short Header 编码方式进行改良。减少了对网络带宽的要求；
MPEG-4 ASP是在Simple Profile的基础上，特别针对D1画质的图像进行编码，增强了对图像质量控制的编码，在码流增加幅度不大的前提下大幅度提高了图像质量，但这样进一步增加了CPU的处理能力，目前即使运算能力很强的高速DSP 也难以满足，只能依赖于ASIC架构内置的强力CPU才能实现。
MPEG-4 ASP格式以1.5Mb／秒的速度压缩动态图像。画质达到了MPEG-2格式以6到8MB／秒压缩时相同水平。在一定的条件下，ASP的编码处理能力接近Simple Profile的1.5倍。

3. 什么是I帧/P帧/B帧
I 帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。
I 帧使用帧内压缩，不使用运动补偿，由于I 帧不依赖其它帧，所以是随机存取的入点，同时是解码的基准帧。I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取，以及节目的切换和插入，I帧图像的压缩倍数相对较低。I帧图像是周期性出现在图像序列中的，出现频率可由编码器选择。
P帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。
P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分，即P帧中的每一个宏块可以是前向预测，也可以是帧内编码。
B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。值得注意的是，由于B帧图像采用了未来帧作为参考，因此MPEG-4编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的。

4. 各类压缩条件的带宽比较
依照CCIR601規格(720 x 480 / 4:2:2 / 30 fps)：（720 + 360 * 2) * 480 * 30 * 8 = 166(Mbps)


M-JPEG
MPEG-2
MPEG-4

压缩率
6
30-40
200-500

分辨率
720*480
720*480
720*480

帧速
25-30
50-60
25-30

带宽需求
10-30Mbps
4-15Mbps
10K-2Mbps


5. 网络摄像机为什么要用MPEG-4，而不用MPEG-1,MPEG-2或者是M-JPEG
从上面的表格看到MPEG-1/2/4还是M-JPEG仅仅是对视频流的压缩方式，不同的压缩方式压缩率不同，从而对网络的带宽要求不一样。在相同画质传输要求的前提下，MPEG-4将会占用更小的带宽。相关就能给客户节省更多地网络建设成本，这个在WAN 的建设上尤为明显；在带宽一定的时候，MPEG-4传输能同时支持更多路。也就是说在同等的网络基础上，MPEG-4压缩方式将能提供更多的监控点。

6. 什么是QoS?
QoS会将video streaming永远放在最高的优先级。好比在拥堵的高速公路上有警车为您的车队开道一样。

7. 什么是 IGMP?
IGMP是在Layer2中支持组播，意思是数据可以被复制多次，可有效的降低带宽的占用。

8. 什么是 RTP & RTSP ?
RTP 是 Real Time Protocol，这个功能是为了要确定每个帧之间的顺序是正确的；RTSP是Real Time Streaming Protocol，这是除了对顺序的控制之外，再加上对传送和接收时间的控制。

9.FullD1和4CIF的区别
分辨率有区别：
D1 的分辨率： 720*480（NTSC） 720*576 （PAL）
4CIF 的分辨率：704*480（NTSC） 704*576 （PAL）
虽然差别看上去很小，但是从技术上说4CIF 的产品的原型是在CIF 的技术上的，通过软件改变而来的，这个时候DSP 的运算能力并不能足以完全支持大分辨率画面的实时运算，所以要切割成4 个CIF 大小的画面进行分别运算，最后合成一个大的画面，同时还要看DSP代码编写的功力，如果拼合稍微有点偏差很有可能在画面拼接处形成黑线或者部分像素重叠。而D1本身就支持大分辨率的单个画面，也可以使用画面分割器变成4 个CIF 画面，而且D1可以比4CIF提供更大更清晰的图像。

10.DDNS的工作方式
我们充分利用电信现有的ADSL线路，实现各个监控点低成本的接入互联网络，通过PPPoE（PPP over Ethernet）从ISP获得固定的IP地址，或随着每次拨号动态的得到公有IP地址，获得不同的IP地址时需要同时为每个监控点申请固定合法域名，这些域名指定由网上。
一个提供DDNS（动态域名解析）服务的服务器负责解析。使用DDNS技术将使监控中心视频监控服务器可以通过所申请的域名访问监控点获得视频流。

无论是普通电话线拨号，还是ISDN、ADSL，只要采用了动态IP 接入方式都会遇到如何处理动态IP地址问题。所谓动态IP接入方式是指用户通过虚拟拨号技术动态地获得IP地址来开展上网业务。每次用户通过普通MODEM或者ISDN、ADSL拨号连接Internet时，ISP通常会分配给用户一个公共得IP地址，这时候Internet上得其他用户就可以通过这个IP地址访问该计算机。但因为这个IP地址是动态的，也就是说一旦断线，重新拨号就会获得一个不同的公共IP地址。这样监控中心就很难知道各个监控前端的IP 地址，后续操作很难进行。
但如果采用静态IP地址的方式，昂贵的租金仍是困扰用户广泛使用的关键问题。
动态域名解析系统的出现为广大用户彻底解决了这一问题。动态域名解析系统就是将用户申请的域名与每次不同的IP地址进行绑定，以实现Internet网络用户对服务终端的访问。动态域名解析服务依赖于动态域名解析系统。动态域名解析系统提供域名解析服务，实现实时、动态地更新DNS；他是真正地域名解析服务器，而不是URL 重定位器。通过域名服务器的解析，可以提供真正的域名解析服务，提供给访问者网上合法的IP地址（这个地址是通过拨号上网的用户从ISP获得的合法IP地址）。
同现行网上免费的域名相比，动态域名解析系统实现了域名解析。动态域名解析系统基于软件技术实现动态IP与所指定域名的绑定，从而使用户相当于拥有了“静态”IP地址，动态域名解析在广域网视频监控中的应用，真正使用户享受到投入宽带、享受专线的超值惊喜。

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11.DDNS通俗化解释
例如您到上海需要到上海市市政府，而您不知道上海市政府在什么位置，这个时候您只需要自己开车，只需要询问交警，他就能把您指引到指定位置，无论上海市政府搬迁到什么位置，交警总是能把您指引到目的地。而这个时候您扮演的角色就是访问的客户端，道路就是网络载体，交警就是DDNS服务器，市政府所在位置就是访问的目标位置。

12. 有几种方式可以看到视频？
有三种方式：
1．C/S（客户端/服务器）架构：在远程的PC上安装客户端软件，每个客户端软件独立直接访问前端的视频服务器或者网络摄像机。
2．B/S（浏览器/服务器）架构：在远程PC 上不需要安装任何客户端软件，只需要有一个IE浏览器，每个客户端访问的是架设在指定位置的服务器，通过访问服务器来看图像。
3．Brower方式：直接通过IE 访问前端视频服务器或网络摄像机。

13. 什么是PoE
PoE全称为Power Over Ethernet，是指通过10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太网网络供电，其可靠供电的距离最长为100米。通过这种方式，可以有效的解决IP电话、无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头、数据采集等终端的集中式电源供电，对于这些终端而言不再需要考虑其室内电源系统布线的问题，在接入网络的同时就可以实现对设备的供电。在通用性方面，目前的PoE 供电也有了统一的标准，只要遵循已经发布的802.3af 标准，就可以解决不同厂家设备之间的适配性的问题。
按照802.3af 标准的定义，PoE供电系统包含两种设备PSE和PD，对于PSE设备的定义如下：PSE（power-sourcing equipment），主要是用来给其他设备进行供电的设备，其又可以分为两种，分别为Midspan（PoE功能在交换机外）和Endpoint（PoE功能集成到交换机内）。同时，对于PD 设备定义如下：PD（Powered Device）在PoE供电系统中用来受电的设备，主要是指一些无线的AP设备或者一些网络摄像机以及部分小功率的SOHO类交换机。其典型组网示意图：

同时802.3af 标准还定义了PI（Power Interface：PSE/PD 与网线的接口），目前已经定
义了两种方式Alternative A（1,2,3,6信号线）和Alternative B（4,5,7,8空闲线）的供电模式。

14. 什么是网关
顾名思义，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。按照不同的分类标准，网关也有很多种。TCP/IP 协议里的网关是最常用的，在这里我们所讲的“网关”均指TCP/IP协议下的网关。
那么网关到底是什么呢？网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。比如有网络A 和网络B，网络A 的IP 地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B 的IP 地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP 通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机（如附图所示）。网络B向网络A转发数据包的过程也是如此。

所以说，只有设置好网关的IP地址，TCP/IP协议才能实现不同网络之间的相互通信。
那么这个IP地址是哪台机器的IP地址呢？网关的IP地址是具有路由功能的设备的IP地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）。

15. 什么是默认网关
如果搞清了什么是网关，默认网关也就好理解了。就好像一个房间可以有多扇门一样，一台主机可以有多个网关。默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。

16.什么是包转发率
包转发率标志了交换机转发数据包能力的大小。单位一般位pps（包每秒），一般交换机的包转发率在几十Kpps到几百Mpps不等。包转发速率是指交换机每秒可以转发多少百万个数据包（Mpps），即交换机能同时转发的数据包的数量。包转发率以数据包为单位体现了交换机的交换能力。
常见Throughput测试方法有两种，一是Smartbits测试，一是Chariot测试。Smartbits测试是使用全球最权威的网络设备测试仪Smartbits2000 或6000，配以专业的测试软件SmartApplication，用连续不断的UDP包，来测出对不同大小的数据包，路由器每秒能处理的包数量。路由器在处理数据包时，主要的时间花在处理包头、包尾上，对不同大小的数据包，路由器每秒能处理的包数量差别不会太大。这就像邮局处理包裹，主要的时间是花在处理寄件人、收件人和物品信息以及检查上，包裹重一点轻一点对处理速度影响不会太大。如128Byte包每秒能处理10000个，并不能做到64 Byte包每秒处理20000个，而是只比10000个略多一点点，比如10100个。例如：有些说法认为路由器在处理最大的1518Byte包时每秒8000个（理论上处理1518Byte 包达到100M 线速的极限值是每秒8127 个），折算出Throughput是100M*8000/8127=98.44M，于是称该路由器Throughput高达98.44M；而实际上这个路由器在处理最小的64Byte包时每秒是11000 个（理论上的极限值是每秒148810个），折算只有100M*11000/148810=7.39M，两者相差13 倍多！同样，说路由器的“Throughput高达97M”，也很可能是1518Byte 包达到97M，而处理64Byte 的包却很可能只有7.39M！更为重要的是，小包转发的处理能力才能真正体现路由器的Throughput能力！
目前市场上大多数的主流路由器处理512、1024和1518Byte这样的大包，Throughput大都能近似线速（当然，也有一些杂牌路由器大包转发能力都不行），而测试256、128和64Byte等小包的时候，性能差异立即体现。而大多数路由器的实际应用里小包转发能力十分关键，比如网吧里经常玩游戏，每操作一个游戏指令，每扣动一个扳机，转发的全部是小包，如果路由器处理小包的能力不够强，就很难应付游戏的大量小包转发需求，游戏玩起来就很不顺畅。所以NAT开启64 Byte小包的LAN-to-WAN 的Throughput才真正具有评价意义。
另外，以目前宽带路由器普遍所采用的硬件来看，基本上都不足以达到64Byte 小包Throughput线速，因此有些产品宣称可以达到线速，可能是采用了所谓的NAT硬件加速技术，Throughput是很好看，但代价是所有数据都不通过CPU，无法做数据过滤，防火墙不起作用，路由器没有任何管理功能。这就像邮局根本不检查邮包里是什么东西，有没有易燃易爆物品，地址是不是火星，收件人是不是本·拉登，照单全发。
17. 如何考察交换机背板带宽适合在网络应用
我们如何去考察一个交换机的背板带宽是否够用呢？显然，通过估算的方法是没有用的，应该从两个方面来考虑：
1)背板带宽：所有端口容量 X 端口数量之和的2 倍应该小于背板带宽，只有这个时候才可实现全双工无阻塞交换，证明交换机具有发挥最大数据交换性能的条件。例如：一台CISCO2950T-24 最多可以提供2个千兆端口和24 个百兆口的交换机，背板带宽标称是8.8G，实际是：（1G×2+24×0.1G）× 2 =8.8G，也就是说标称的背板带宽符合无阻塞全双工交换。
2)满配置吞吐量(Mpps)：满配置GE 端口数×1.488Mpps+满配置FE 端口数×0.1488Mpps，其中1个千兆端口在包长为64字节时的理论吞吐量为1.488Mpps，对于百兆端口的理论吞吐量为0.1488Mpps，例如，一台CISCO 2950T-24是最多可以提供2个千兆端口和24个百兆口的交换机，标称吞吐量为6.6Mpps，其满配置吞吐量理论应达到 2×1.488Mpps +24 × 0.14881Mpps = 2.976Mpps + 3.5712Mpps = 6.5472Mpps，只有大于或等于这个值才能够确保在所有端口均线速工作时，提供无阻塞的包交换。从标称情况和理论情况上看已经达到并超过了理论吞吐量6.547Mpps，那么用户有理由认为该交换机采用的是无阻塞交换结构设计。
背板相对大，吞吐量相对小的交换机，除了保留了升级扩展的能力外就是数据转发专用芯片电路设计有问题；背板相对小。吞吐量相对大的交换机，整体性能比较高。不过背板带宽是可以相信厂家的宣传的，可吞吐量是无法相信厂家的宣传的，因为后者是个设计值，测试很困难的并且意义不是很大。
如果交换机提供的性能不能满足在这个网络上的应用就会出现数据传输延迟，对于实时传输的音视频流就会出现跳帧、破音等状况。
18. 为什么网络视频会有延迟，延迟发生在什么地方
首先先需要说明，我们平时使用的模拟视频传输到远端的电视机上，其只是电信号的传输，中间并没有编解码，也就是说中间除了电信号传输的时间差（这个时间差几乎可以忽略）。而通过网络视频编码的图像在图像压缩的过程中就需要时间，然后通过共享的网络传输，在网络传输中存在将压缩完成后的数据切割打包成TCP/UDP包，然后传输到以太网中，在网络传输过程中并不是一条通道全部归视频传输，这样无可避免可能会造成数据包在网络传输中的碰撞/重新传输，或者通过路由转发，分批次传输到接受端。这些都无可避免的需要时间；最后到了接受端，压缩信号是不能看的，还需要解压缩，这个时候的时间耗费就和这台PC 的性能相关了。综上所述，通过网络传输的视频，经过编码-网络传输-解码这些都不可避免会造成延迟。同时过多的人同时访问编码器造成编码器网络部分负荷过大，无法满足及时传输；网络流量过大或者交换机性能太差无法满足大流量数据交换量；接受端PC 的性能太差或者负载太重都会造成延迟时间的增加。