摘 要：随着社会安全问题的日益凸显，人们技防意识的普遍提升，以及视频监控系统在各行各业的生产运营中所发挥的巨大作用，使得视频监控系统快速渗透到现代生活的每一个角落，成为现代智能建筑中不可或缺的组成部分，也是工程建设方最为重视的智能化子系统之一。近几年，随着数字技术、IP技术的发展，监控系统也逐步从模拟、半数字化向端到端IP 方案转移，而计算机网络技术是数字视频监控业务可靠的传输平台。因此要充分发挥计算机网络技术的重要作用，推动计算机网络技术在建筑智能化中更广泛的应用和快速发展。本文介绍了数字视频监控系统的发展及应用，分析了数字视频监控系统结构和特点，阐述了计算机网络技术在数字化视频监控系统中的应用和应用发展趋势。
关键词：计算机网络技术；数字视频监控；虚拟化技术；组播
一、视频监控系统的发展趋势及应用现状
1、发展历程
视频监控系统[1]的发展经历了短短二十几年时间，从最早的模拟监控到这些年火热的数字视频监控，再到方兴未艾的网络视频监控，发生了翻天覆地的变化。在IP技术逐步统一全球的今天，我们有必要重新认识视频监控系统发展历史。
从技术角度出发，视频监控系统发展划分为第一代模拟视频监控系统（CCTV），到第二代基于“PC+多媒体卡”数字视频监控系统（DVR），到第三代完全基于IP网络视频监控系统（IPVS），以及介于第二代和第三代之间的DVS。
第一代模拟视频监控系统的图像信息采用视频电缆，以模拟方式传输，一般传输距离不能太远，主要应用于小范围的监控，监控图像一般只能在控制中心查看。第二代的视频监控系统其实是半模拟半数字的监控系统，目前在一些小型的、要求比较简单的场所用的比较广泛。这一代数字视频监控系统随着数字视频压缩编码技术的发展而产生。介于第二代和第三代之间的DVS，是以视频网络服务器和视频综合管理平台为核心的数字化网络视频监控系统。第三代完全基于IP网络视频监控系统（IPVS）是摄像机内置Web服务器，并直接提供以太网端口，摄像机内集成了各种协议，支持热插拔和直接访问。这些摄像机生成JPEG或MPEG-4数据文件，可供任何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视和记录。更具高科技含量的是可以通过移动的3G网络实现无线传输，可以通过笔记本电脑、手机、PDA等无线终端随处查看视频。
数字视频监控的优点是克服了模拟闭路电视监控的局限性：数字化视频可以在计算机网络上传输图像数据，不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅提高图像品质和稳定性；数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可以复用，无需重复布线；数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘、U盘中，查询十分简便快捷。
2、应用现状
数字视频监控系统遍布社会的各个角落，生活的方方面面，十分广泛。主要应用在平安城市、智能建筑及园区、智能交通等等。
在银行金融系统由于其行业特点，最容易遭受抢劫，因而需要进行监控录像，以便案件调查取证，在交易柜台由于容易出现纠纷而需要交易过程监控，可供事后查证。
在交通路口、车站、码头、机场、加油站等公共场所的交通、治安监控系统可以实时的监测交通流量。发现交通事故，配合管理交通秩序。监视记录公共场所的车辆和人员流动情况。
有些工业生产不方便人眼观察或者环境恶劣，但又必须保证生产安全正常进行，就需要进行视频监控。
在无人值守的机房、变电站、水文站、自动车辆收费站等地方，采用数字视频监控系统替代员工值班，既方便又可节约开支。
二、计算机网络在数字视频监控系统中的应用
随着基于TCP/IP协议的网络多媒体应用的发展，对高速宽带的IP网络性能需求越来越多，促进了网络技术的发展，同样计算机网络及信息技术的发展使得各种数字化多媒体应用得到广泛普及。作为数字化多媒体应用之一的视频监控系统，目前网络化、信息化的趋势日益明显。IP 网络，作为连接前端与后端的通信基础平台，是IP 监控系统的重要组成部分，其可靠性不言而喻。
下面从数字视频监控系统的前端采集部分、中心控制部分以及存储来介绍计算机网络在高清数字化集中监控系统中的设计应用。
1、前端采集部分
数字视频监控系统前端设备主要有IP摄像机和编码器等，它们接入到网络主要分为星形、总线型/树形和环形三种方式，根据不同的环境、区域来来选择相应的方式。
星形接入方式是IP监控中最常用的组网方式，也是楼宇园区等监控场合PDS综合布线系统采用的组网方式。为简化布线，监控前端产品多数支持POE供电，通过综合布线系统接入到POE网络交换机可以进行集中供电。IEEE802.3af 标准以太网供电技术（PoE）的制定，不仅提高了摄像机供电电源的质量，减少DC12V 电压信号对视频信号的干扰，而且大大简化了布线，降低了施工建设成本。
在城域和大型园区长距离传输应用场合中，把EPON无源光网络技术应用到监控终端的接入网传输中。EPON传输系统包括中心的EPON OLT交换机、组网光纤及各种无源分光设备及集成到监控终端中的ONU光终端设备。EPON组网即可以采用基于1：2分光器的总线形组网方式，也可以采用1：4、1：8、1：16等各种分光器组建树形网络，可以方便的适合城域道路监控的各种部署模型。
EPON（Ethernet Passive Optical Network）以太无源光网络，消除了局端与用户端之间的有源设备，因而避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本；通过灵活选择总线形和树形组网方式，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的，大量减少了光纤及光收发器数量。EPON是长距离、高带宽的接入技术，目前能提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，今后可望升级到10Gbps，有效传输距离达到了20公里左右，受ONU最低接收光功率的限制，通过光路中各类设备和线路的损耗，目前在总线形典型组网模型下最大可以串联20多级分光器，最大实现20多个前端设备的接入。
在平安工程、交通监控等场合，为提高线路安全，同时节约宝贵的光纤资源和降低接入网设备的投资成本，把RRPP光环网保护技术引入到监控系统中，既解决了环网保护问题，又有效节约光纤和核心接入设备的网络占用。
RRPP是一个专门应用于以太网环的链路层协议，当以太网环上一条链路断开时，能迅速启用备份链路以恢复环网上各个节点之间的通信通路。环网中的多个编码设备围成一圈RRPP环网，最终只占用了接入交换设备的两个网络端口，很好的解决了大量编码设备对于端口的占用，且只需要占用1组光纤。若环网中编码设备之间链路出现故障，并不会影响其他节点编码设备的使用，RRPP协议能够快速启用链路保护技术，数据开始反向传输。
以上三种接入方式不管采用那一种方式，都要在网络设计上考虑接入端的流量需求。前端接入网络流量主要是由前端视频图采集设备所发出的，主要有存储码流与实时码流。使用IP 全交换方案，按照每个终端平均向外发送1 路存储1 路实况，可以估算出单终端所需要的带宽值。在选择接入交换机时，应当考虑当接入层交换机一个千兆上行的时候，如该接入层交换机缓存指标大于等于2M，带宽推荐预留30% 冗余做突发。否则，低端接入层交换机的转发带宽与端口缓存有限，冗余带宽需要预留50%。同时接入层交换机具有VLAN、风暴抑制、MAC地址绑定功能。
2、中心控制部分
数字视频监控系统中心控制部分设备主要有媒体交换服务器、视频管理服务器、上墙解码服务器等。这些设备都接入到IP核心交换网络中。因此必须根据视频监控系统的业务特性来设计选择网络交换设备以及相应的网络技术来优化承载平台。
数字视频监控系统中，汇聚层与接入层之间流量主要有与实时码流和回放码流。核心节点到汇聚节点之间流量主要有实时码流、回放码流和存储码流。汇聚交换机选用参数主要考虑整机转发能力和包转发率两项指标。汇聚交换机的选型同时需还要考虑所采用的组网技术，譬如如果使用RRPP 环网，还需要将环内其他节点的流量加进去。核心层设备作为网络的骨干，需要能提供快速的数据交换和极高的永续性。从备份和负载分担的角度可选用双核心；从单台设备的考虑，选用交换性能和可靠性高的设备，支持双主控、电源冗余、风扇冗余、分布式转发等特性。核心层节点需要考虑节点设备对前端接入的设备所采集的图像进行处理能力，即回放流与实时流的处理，同时由于传输网中并非将所有的视频图像同时调用，需要按照最大接入情况设计，并考虑至少50% 的系统冗余度。
出于网络可靠性考虑，接入交换机和汇聚交换机之间可以考虑采用双链路上行，核心交换机与汇聚交换机之间建议采用双链路上行，核心交换机采用双机热备。但这种冗余设备和冗余链路方式不仅增加了额外的光纤链路和部署成本，而且增加了拓扑的复杂性，需要更多的网络协议来配套（如MSTP 生成树协议、VRRP 协议等）。这样一来无形中加大了网络运维和部署的难度，也对运维人员提出了更高的要求。而最新发展的网络新技术：网络虚拟化技术[2]，可以优化改进星形网络。网络虚拟化技术可将多台网络设备（成员设备）虚拟化为一台网络设备（虚拟设备），并将这些设备作为单一设备管理和使用，由于该技术的应用交换机间不存在二层环路，可以避免MSTP 的配置管理，从而简化了网络设计。
在视频监控系统中存在多用户同时访问同一个视频前端的情况（≥ 5时），如果采用单播方式，从编码器到各个接受端都需要有一路单播流，这对网络的带宽造成很大的压力。作为一种与单播和广播并列的通信方式，组播技术能够有效地解决单点发送多点接收的问题，从而实现了网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载。因此必须针对这一业务模式在IP交换网络中进行相应的组播设置。
3、存储部分
IP数字监控不同于传统模数结合监控的一个主要特点就是采用前端编码和后端网络存储相分离的技术，结合存储业务特征和网络存储可靠性要求设计完整的网络存储流程是IP数字监控中最重要的命题之一。
从存储规模、组网模式以及用户需求来看，视频监控系统的存储部署通常可分为中心存储、分布式存储及前端存储三种部署模式。
中心存储模式指所有监控点视频数据实时上传到集中的数据中心统一存储，集中保存视频数据的IPSAN[3]存储系统位置部署在中心管理机房。中心存储模式的适用于楼宇内只有总中心机房，无其他区域分中心机房，管理设备、存储设备均集中部署在中心机房，核心交换机到楼层接入层带宽充足的情况，前端编码设备以编码器、IP 网络摄像机为主，编码设备通过网络将视频数据统一存储到后端存储设备。
在集中存储模式下，对于有些大型园区，接入到核心网络的带宽压力较大，同时机房也有条件按照不同区域进行划分，不同区域有相应的分中心，出于地理区域的划分或网络流量的优化考虑，可衍生出分布式存储的模式，将存储设备分布部署于各个分中心，就近存储本区域的前端编码设备视频，但在逻辑上仍然接受中心管理平台的统一管理。该部署方式不仅优化了网络流量分布，存储流的终结点被推向汇聚层，而且减少了骨干网络的流量压力，使得整网的流量分布更均衡。
前端存储模式即前端编码设备自带存储。该模式目前应用不多，仅适用于前端编码设备数量多，核心交换机到楼层接入层带宽压力大，但各个区域无独立机房环境的应用场合，只能在前端就近存储，同时前端接入点可模拟、数字混合应用。
根据数字视频监控系统存储三种部署模式，在设计计算机骨干网络时要有所侧重，如果是中心存储模式，网络核心接入带宽压力较大，可以考虑采用万兆骨干，甚至多个万兆捆绑；在分布式存储模式，可以调整各区域的汇聚交换机的接入带宽，可以采用多个千兆捆绑。如果能够采用支持虚拟化技术的交换机，则实现效果更佳。
三、展望未来
这二年无线局域网技术的进行了快速发展，802.11n无线标准刚刚尘埃落定不久，电子电气工程师协会（IEEE）就已经全面转入了下一代802.11ac的制定工作，截至目前802.11ac技术已提交标准草案。802.11ac 是专门为5GHz频段设计，特有的新射频特点，能够将现有的无线局域网的性能吞吐提高到可以与有线千兆级网络相媲美的程度。802.11ac作为IEEE 无线技术的新标准，它借鉴了802.11n的各种优点并进一步优化，除了最明显的高吞吐特点外，不仅可以很好地兼容802.11a/n的设备，同时还提升了多项用户体验。在802.11ac的网络中，每个无线接入点可以接纳更多的客户端，为每个并行的业务流提供更多的带宽，同时具有更低时延更省电的优点。
随着无线局域网技术的快速发展，将来数字视频监控前端设备支持802.11ac接入是必然趋势，在智能建筑、智能园区中，监控前端通过无线局域网接入到IP交换网络，节省了PDS资源，方便了特殊环境的部署，从而更加环保，使“绿色监控”成为可能。
结束语：
如今的信息化时代，计算机网络信息技术为各个行业、领域技术发展提供可靠保障和支持平台，为人们的生活、工作和学习提供了极大的便利，随着信息科技的快速发展，计算机网络信息技术在智能化领域中的应用将会更加广泛。
参考文献：
[1]李博. 基于计算机网络的数字视频监控系统[J]. 人民珠江，2012，03：67-68.
[2]杨洪波. 高性能网络虚拟化技术研究[D].上海交通大学，2012.
[3]彭启明. IP SAN技术分析[J]. 萍乡高等专科学校学报，2012，06：43-45.