局域网监控系统的设计与实现.docx
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局域网监控系统的设计与实现
局域网监控系统的设计与实现
第1章绪论
本章首先介绍局域网监控系统的研究意义与国内外研究现状，然后对本文的
研究内容进行概述，最后介绍本文的组织结构.
1.1研究背景
随着计算机网络的飞速发展，计算机已经被广泛的应用到各个行业和领域。
为了实现内部资源的共享，局域网的应用得到了长足的发展，同时为了更好地利
用互联网的功能。
越来越多的公司、学校以及各种职能部门都提供了和互联网互
联互通的功能。
毫无疑问，这样的举措可以带来很多的益处，但是同时也应该注
意到通过网络观看电影、进行网络游戏，甚至登录各种不健康网站等负面影响.
由于这些行为不易发现和管理，因此如何有效地解决这个突出问题成为人们关注
的一个焦点。
据国外数据统计，开通互联网办公的企业中，企业员工平均每天有
超过二分之一的上班时间用来上网聊天，浏览娱乐色情网站或者处理个人事务。
我国各行业自从1999年底开始按入Internet办公后，内部的局域网也存在着类
似的问题。
如浏览国家明令禁止的网站、工作时间上网打游戏聊天、下载和实际
工作无关的电影、歌曲，甚至利用各行业的网络，对国内外的某些网站发起恶意
攻击，这些行为某些已经违反了国家互联网的有关管理条俪，更多的是消耗了网
络带宽的资源，使网络得不到充分的利用，影响了正常的办公业务。
因此如何加
强对计算机的管理，更好地利用网络资源，为企事业单位服务成了日益突出的问
题，局域网监控也就应运而生。
本文针对计算机和网络给管理方面带来的不利影响，研究了局域网实时监控
相关的各种技术，实现了一个局域网实时监控系统。
1.2网络监控系统
网络监控是指本地计算机系统通过网络（特别是Intemet）对远端的控制系
统进行监测和控制。
网络监控又叫远程监控，从字面意思理解，远程指不是近距责响应客户端的请求并发送信息。
服务器程序安装在被控制的计算机端，客户机
程序安装在控制端，工作时一端先启动，等待另一端的连接.一旦两台PC建立
起连接，就可以通过网络互连协议进行远端控制.
1.3网络监控系统研究现状和发展趋势
1.3.1研究现状
计算机领域经历了一场新的革命，它结合了现代通讯技术、控制技术、图形
技术，其目标是随时随地给人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息通
信，使其真正进入人们的生活，即所谓的"UbiquitousAccess"。
在计算机技术、
电子技术和通讯技术迅猛发展的过程中，监控系统的技术水平也从初期的模拟信
息传输和控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输和控制。
作为生活生产中非
常重要的一项技术即网络监控技术的重要性正逐渐被人们所认识和重视.
另外，各种基于网络与分布式概念的系统大量应用于科学研究与工程实践，
这一应用带来了许多变化和影响，衍生出许多新的生产方式，如网络制造、计算
机集成制造等等。
作为现代工业技术的一个重要支撑技术与组成要素，网络监控
技术近几年越来越受到人们的重视，许多新的监控方法不断涌现出来，如智能监
控、在线监控和远程监控，遥测、遥信、遥控、遥调即四遥功能等。
网络监控的发展是与通讯技术的发展密不可分的，伴随着通讯技术的发展，
出现了现代的网络监控的实时监控的模式。
其显著特点是现场设备将各种设备获
取的信号，通过网络传送给网络诊断工程师，工程师再利用计算机和现代信号处
理技术对收到的数字信号进行分析处理，对设备状态进行评估，并对远程客户端
发出一系列指令，并将这些评估和指令返回到远程用户。
由于数字信号远程传输
的保真度高，不受时间和空间影响，因此可以实现真正意义上的实时在线网络监
控。
目前，网络监控系统已经在安全监控、生产过程监控、住宅小区等监控等领
域被广泛应用。
911之后，网络监控技术仿佛一夜之间就风行于美国市场，同样
SARS肆虐也使网络监控技术在国内市场炙手可热，互联网、报纸、杂志等各种
媒体上关于网络监控的宣传报道扑面而来，颇有些山雨欲来风满楼的势头。
网络
监控系统以其远距离监控的独特优势逐渐赢得广大客户的青睐，网络监控系统将会有着广泛的应用前景，对其进行研究将带来巨大的社会效益和经济效益【5l。
国内不少高校及科研单位已投入设计和开发各类网络监控系统。
西安交大电
子信息学院开发了基于组态王组态软件的三峡大坝分布式网络监控系统，上层采
用标准以太网，底层网络采用RS-485协议总线技术，加上服务器、监控工作站，
构成一个适合工业现场的局域网远程控制系统。
另外还有西北工业大学自动化学
院和空军工程大学电讯工程学院联合开发的航空科学基金资助项目。
伴随着Intemet技术的迅速发展，网络监控技术越来越完善。
起初的网络监
控功能用于PC用户在离开办公室的时候能访问台式PC硬盘中的信息，甚至可
以通过其台式PC访问企业网络资源。
今天，许多企业和增值分销商正把网络监
控功能作为有效的技术支持工具，如网络管理员采用具有该功能的软件对局域网
进行管理，出差在外的商务人员可以随时随地提取公司数据和资料。
而网络监控
技术最显著的表现是将远程监控技术应用于工业控制力一面。
由西安交通大学开发的基于Intemet的快速成型和快速加工技术，只要用户
安装WWCW浏览器，就可以通过HTTP获得远程服务部TSB（1-cle-ServiceBUl"eall）
在线技术支持和数据交换。
比如提供SDCAD（ScientificDetectivecomputeraideddesign，科学探测计算机辅助设计）文件和物理模型，加工测试数据反馈给TSB
等。
另外此项目得到国家863计划的资助。
1998年，SwissFederal技术学院的
ESaucy博士进行了基于Intemet的移动机器人的远程控制试验【5】。
由上可见，许多基于Interaet的远程监控功能的系统已投入到实际的应用领
域，并取得良好的反响。
1.3.2发展趋势
网络监控系统的发展趋势如下：
1.家庭办公将成为时尚
GartnerGroup公司预言，到2005年全世界将有1亿800万以上的人会经常
不在办公室内工作。
2.远程技术支持的流行
技术支持必须依赖技术人员和用户之间的口头交流来进行，这种交流既耗时
又容易出错。
许多商业用户对计算机知之甚少，然而当遇到问题时，他们必须向
技术人员提供故障情况及相关操作。
比如向无法看到计算机屏幕的技术人员描述
问题的症状，按技术人员的提示精确地描述屏幕上的内容。
在尝试解决问题时，技术人员可能指导用户执行一系列复杂的过程，而这些过程对用户来说或许完全
不熟悉；如果用户不能正确地按要求操作，反而使问题恶化.以上这些情形费时
又费事，工作效率很低。
此外，如果通过不能解决问题，那么在技术人员亲
自到用户现场解决问题之前，计算机将一直不能使用。
网络监控软件能使技术人
员直接操作远程计算机，就像操作本地机器一样，无须用户介入，技术人员就能
得到该机器的问题的第一手材料，从而加快了问题的解决。
实际上，使用远程控
制工具的技术人员能够做到解答疑难问题，安装和配置软件，把软件修补程序下
载到用户计算机上，配置应用程序和系统软件设置并可通过实际操作培训用户。
3.远程教学的快速发展
在远程教学中需要大量使用计算机远程教学管理软件，通过这种软件，师生
可进行实时的通信，交流信息，对话和传递文件。
因此，网络监控软件在远程教
学中是大有作为的.
4，企业内部管理
随着社会的发展，企业规模越来越大，大家都在同一个办公室的时代早就一
去不复返了.员工不在一栋办公楼内，不在同一个城市，甚至不在一个国家里办
公。
这样的企业越来越多，他们所面临的问题就是如何在不同的地方共享共同的
资源。
特别是工T企业，企业管理人员如何知道他的员工在于什么，是否外泄了
公司内部的程序源代码，这一直都是rr公司管理的一大难题。
随着人们观念的
更新，现在很多企业开始使用网络监控系统，用摄像的方式来监控员工的行为。
但是，这种监控系统对员工的敲键，发送邮件等细小的行为依然无能为力。
网络
监控软件却能轻松地管理这些细节问题，因此网络监控软件在企业的内部管理上
将发挥很大的作用。
1.4研究内容
本文利用图像及图像压缩技术、网络通信技术和多线程技术实现了一个局域
网实时监控系统。
该系统的体系结构采用了客户机/服务器模式，具体实现采用
了面向对象的开发技术，程序的界面和框架利用MFC来实现，网络通信部分采
用了Winsock网络编程技术。
该系统可以根据不同的需求和环境进行灵活的扩
展，是一个简单、实时、高效的监控系统.其优点是充分利用了现有的局域网资源，以最高的性价比，以信息的实时操纵和实时控制为中心，实现信息的及时传
递和管理。
1.5论文组织结构
本文共分为四章：
·第一章：
介绍了局域网监控系统的研究意义与国内外研究现状，概述了
本文的研究内容，并介绍了本文的组织结构；
·第二章：
介绍了系统楣关的关键技术，主要包括：
图像及本系统所应用
的图片压缩技术、Wh[Isock网络编程技术、和多线程技术等；
·第三章：
介绍了系统的整体设计框架，并对各个模块之间的关系进行了
详细描述。
同时对在系统开发过程中所遇到的主要问题及其解决办法进
行了说明；
·第四章：
对各个功能模块进行了详细介绍，最后用一个实例说明系统的
运行情况；
●最后对本论文的工作进行了总结和展望。
本章主要介绍局域网开发中所应用到的关键技术，主要包括：
图像及图像压
缩技术、W'msock网络编程技术和W'mdows多线程技术.
2.1图像技术【6】
W'mdows系统不允许应用程序直接访问视频存储区，而是提供了一个抽象的
接口，称作图形设备接口（GDI）.W'mdows已经提供了各种显示卡的驱动程序，
这样我们的程序就不用关心与系统相连的显示卡的类型，可以通过调用GDI函
数来和硬件打交道。
各种GDI函数会自动参考被称为设备环境的数据结构。
W'mdows会自动将设备环境结构映射到相应的物理设备，并且提供正确的输入输
出指令，GDI在处理速度上几乎和直接进行视频访问一样快。
BMP图形文件是W'mdows采用的图形文件格式，在Windows环境下运行的
所有图像处理软件都支持BMP图像文件格式.W'mdows系统内部各图像绘制操
作都是以BMP为基础的。
Windows3.0以前的BMP图文件格式与显示设备有关，
因此把这种BMP图像文件格式称为设备相关位图（DDB）格式。
W'mdows3.0
以后的BMP图像文件与显示设备无关，因此把这种BMP图像文件格式称为设
备无关位图（DIB）格式。
位图文件可看成由4个部分组成；位图文件头（bitmap-fileheader）、位图信息头（bitmap-informationheader）、彩色表（colortable）和定义
位图的字节阵列.
（1）BgP文件头
BMP文件头数据结构含有BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信
息。
其结构定义如下：
typedefstructtagBITMAPFILEHEADER
{
WORDbfrype；/，位图文件的类型，必须为BMDWORDbfSize；，/位图文件的大小，以字节为单位
WORDbIRescrvcdl；臌图文件保留字，必须为0
颜色表中RGBQUAD结构数据的个数由biBitCount来确定：
·当biBitCoun卢l，4，8时，分别有2，16，256个表项；
●当biBitCount=24时，没有颜色表项。
位图信息头和颜色表组成位图信息，B1TMAPINFO结构定义如下：
typcdefstructtagBITMAPINFO{
BITMAPINFoHEADERbmiI-Ieader；/，位图信息头
RGBQUADbmiColors[1]；，/颜色表
}BITMAPINFO；
（4）位图数据
位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是扫描行内从左到右，扫描
行之问从下到上。
位图的一个像素值所占的字节数：
·当biBitCo岫产l时，8个像素占1个字节；
·当biBitCount--4时，2个像素占1个字节；
·当biBitCotmt=8时，1个像素占1个字节；
·当biBitCount=24时，1个像素占3个字节。
Windows规定下个扫描行所占的字节数必须是4的倍数（即以long为单位），
不足的以0填充。
一个扫描行所占的字节数计算方法：
DataSizePerLin萨（biWidth'biBitCount+31）/8；，卜个扫描行所占的字节数
DataSizePcrLincr=DataSizePerLine/4+4：
//字节数必须是4的倍数位图数据的大小（不压缩情况下）
DataSize=DataSizePerLine'biHei#t；
2.2图像压缩编码解码算法pq】
位图原稿数字化后的数据量非常惊人，在硬盘上存储时颇占地盘，并给传输
带来了很多不便，所以图像压缩得到了广泛的运用。
压缩的目的就是满足存储容
量和传输带宽的要求，而付出的代价是大量的计算。
图像数据压缩技术总的来说
就是利用图像数据固有的冗余性和相干性，将一个大的数据文件转换成较小的同
性质的文件。
图像压缩主要根据两个基本事实来实现。
一是图像数据中有许多重复的数
据，使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量；二是人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，也就达到了压缩数据的
目的。
利用前一个事实的压缩技术就是无损压缩技术，即压缩后的图像数据还原
后与未压缩时严格相同，没有失真，如TIFF图像文件格式；利用后一个事实的
压缩技术就是有损压缩技术，即压缩后的图像数据与未压缩时有所不同，但不影
晌人们对原始资料表达的信息造成误解，如JPEG图像文件格式。
实际的图像压
缩其实是综合使用各种有损和无损压缩技术来实现的。
采取有损压缩的方法进行数据压缩，在解压时会造成较大的误差扩。
所以本
系统采用的数据压缩方式是无损压缩，用到的主要无损压缩方法有：
霍夫曼编码、
多遍霍夫曼编码、行程编码、霍夫曼与行程编码等，本文将对霍夫曼编码与行程
编码进行详细介绍。
2.2.1图像压缩编码理论基础
图像压缩编码对图像采用不同的表达方式以减小表示图像所需的数据量，所
以也常称为数据压缩。
压缩的理论基础是信息论。
从信息论的角度来看，压缩就
是去掉信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息（可推知的），也
就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。
这个本质的因素就是
信息量（即不确定因素）。
假如用n1和112分别代表用来表达相同信息的2个数据集合中的信息载体单
位的个数，那么压缩率CR为：
Ct=nl/n2，一般情况下Cr在开区间（0，+一）中取值。
在数字图像压缩中，有3种基本的数据冗余：
像素相关冗余，编码冗余，心
理视觉冗余。
如果能减少或消除其中的一种或多种冗余，就能取得数据压缩的效
果。
·相关冗余：
像素相关冗余是指对应图像目标的像素之间一股均有相关
性。
根据相关性，由一个像素的性质往往可获得其邻域像素的性质，这
种冗余也常称为空间冗余或几何冗余。
另外在连续序列图像中的各连续
帧间的冗余也是一种像素相关冗余。
·码冗余：
图像数据需要使用一系列符号，图像编码需要用这些符号根据
一定的规则来表达图像。
这里对每个信息或事件所赋的符号序列称为码
字。
而每个码字里的符号的个数称为码字的长度。
编码所用符号构成的
集合称为码本。
在实际图像中，每个信息或者事件出现的几率不一样，
如果他们对应的码字的长度都一样的话，就不能使编码产生的符号序列
达到最小，从而产生编码冗余。
·心理视觉冗余：
人观察图像的目的是为了获得有用的信息。
但眼睛并不
是对所有视觉信息有相同的敏感度，在具体的应用中，人也不是对相同
的信息具有相同的关心程度。
一般来说。
有些信息（在特定的场合和时
间）与另外一些信息相比来说，不那么重要，这些信息可认为是心理视
觉冗余的，去除这些信息并不会明显的降低所感受到的图像质量或所期
望的图像作用。
心理视觉冗余从本质上来说与前两中冗余不同，它是与
实在的视觉信息联系着的。
因为去除心理视觉冗余数据能导致定量信息
的损失。
一般情况下编码器包括顺序的3个独立操作，而对应的解码器包括反序的2
个独立操作，如图所示：
图像输入编码输出
映射嚣卜_叫量化器卜_叫符号编码器
符号解码器H反映射器
解码输入图像输出
图2一l图像编码解码
Figure2-1Imagecodingandencoding
在编码器中，映射器通过变换输入数据以减少像素相关冗余；量化器通过减
少映射器输出的精确度来减少心理视觉冗余；符号编码器通过将最短的码赋给最
频繁出现的量化器输出值以减少编码冗余。
解码器只包括2个子模块，因为量化
操作是不可反转的，所以在解码器里没有对量化的逆操作模块.
图像压缩一般是通过改变图像的表达方式来达到的，因此图像压缩和编码是
分不开的。
图像压缩编码的主要应用是图像信息的传输和存储。
2.2.2霍夫曼（Hu伍nan）编码【乳10】
大多数图像常含有单色大面积图块，而且某些颜色比其它颜色出现更频繁。
因此，为了节省空间，在对数据进行编码时，就有可能对那些经常出现的数据指
定较少的位数表示，而那些不常出现的数据指定较多的位数表示。
这样从总的效
果看还是节省了存储空间。
用这种方法得到的代码，其码的位数，也即码长就是
不固定的，故称为变长码。
霍夫曼（Huffman）在1952年根据香农（Shannon）在1948年和范若（Fano）仅为：
N=0.484"1+0.156"2+0.125"3+0.109"4+0.078*5+（0.032+0.016）+6=2.285.比
3bit等字长编码压缩了23.8%的位元。
霍夫曼编码很少能达到8.1的压缩比，此外它还有以下两个不足：
·它必须精确地统计出原始文件中每个值的出现频率，如果没有这个精确
统计，压缩的效果就会大打折扣，甚至根本达不到压缩的效果。
霍夫曼
编码通常要经过两遍操作，第一遍进行统计，第二遍产生编码，所以编
码的过程是比较慢的。
·它对于位的增删比较敏感。
由于霍夫曼编码的所有位都是合在一起的而
不考虑字节分位，因此增加一位或者减少一位都会使译码结果面目全
非。
2.2.3行程编：
fi--马[11】
现实中有许多这样的图像：
一幅图像中具有许多颜色相同的图块。
在这些图
块中，许多行上都具有相同的颜色，或者在一行上有许多连续的像素都具有相同
的像素值。
在这种情况下就不需要存储每一个像素的颜色值，而仅需存储一个像
素的颜色值，以及具有相同颜色的像素数目就可以，或者存储一个像素的颜色值，
以及具有相同颜色值的行数。
这种压缩编码称为行程长度编码，常用RLE
（Run-LengthEncoding，RLE）表示。
假如有一副灰度图像，第n行的像素值如
图2.3所示.
用RLE编码方法得到的代码为：
80315084180。
这种方法实现起来很容易，
而且对于具有长重复值的串的压缩编码很有效，例如计算机生成的图像和有大面积的连续阴影或者颜色相同的图像。
然而对于颜色丰富的自然图像就显得力不从
0000000011I888…888llll00000000
卜-一H卜_-一H卜-一
8个O3个I50个84个I8个0
图2-3RLE编码
Figure2-3RLEcoding
心，在同一行上具有相同颜色的往往很少，而连续几行都具有相同颜色值的连续
行数就更少，如果仍然使用RLE编码压缩图像反而让数据量变得更大，不过这
并不是说RLE编码方法不适用于自然图像的压缩，相反，在自然图像的压缩中
还真少不了RLE，只不过是不能单纯使用RLE一种编码方法，而需要和其他的
压缩编码技术联合使用。
很多位图文件格式都用行程长度编码，例如TIFFBMP，
PCX，GEM等。
行程压缩编码技术相当直观和经济，运算也相当简单，因此解压缩速度很快。
RLE的压缩率的大小取决于图像本身的特点。
如果图像中具有相同颜色的横向
色块越大、这样的图像块数目越多，压缩比就越大；反之就越小。
如果图像中有
大量纵向色块，则可先把图像旋转90度，再用RLE压缩，也可以得到较大的压
缩比。
对于本监控系统提供的几种压缩编码，不能笼统的说那种压缩编码压缩效率
更高，因为对于不同的桌面图像，用相同的压缩编码来进行编码，压缩比可能大
不一样。
另外，在实际的应用中，并非压缩比越大越好，因为比越大，必定要对
一幅图像采用好几种算法在多层次上反复进行处理，这样不仅图像的压缩要占用
计算时间，而且选用压缩方法时的另一个考虑就是时实性，因为无论图像怎么压
缩，要对其编辑处理或显示输出时都必须解压缩，压缩算法越复杂，所需计算时
间越长，因此实时性越差。
2.3Winsock的网络编程技术
2.3.1Winsock的基本概念【1扣13】.
WindowsSockets规范以U.C.Berkeley大学BSDUNIX中流行的Socket接
口为范例定义了一套MicrosoftWindows下的网络编程接口。
它不仅包含了人们
所熟悉的Berkeleysocket风格的库函数；也包含了一组针对Windows的扩展库函数，以使程序员能充分地利用V~rmdows消息驱动机制进行编程。
W'mdowsSockets规范本意在于提供给应用程序开发者一套简单的API，并
让各家网络软件供应商共同遵守。
此外，在一个特定版本Windows的基础上
W'mdowsSockets也定义了一个二进制接口（ABI），以此来保证应用V啊mdowsSocketsAPI的应用程序能够在任何网络软件供应商的符合W'mdowsSockets协议
的实现上工作.因此这份规范定义了应用程序开发者能够使用，并且网络软件供
应商能够实现的一套库函数调用和相关语义。
遵守这套V~rmdowsSockets规范的网络软件，我们称之为V~rmdowsSockets
兼容的，而V~rmdowsSockets兼容实现的提供者，我们称之为W'mdowsSockets
提供者。
一个网络软件供应商必须百分之百地实现W'mdowsSockets规范才能做
到与W'mdowsSockets兼容。
任何能够与WindowsSockets兼容实现协同工作的应用程序就被认为是具有
Vl，imdowsSockets接口。
我们称这种应用程序为V~rmdowsSockets应用程序。
W'mdowsSocket：
规范定义并记录了如何使用API与Internet协议族（口s，
通常我们指的是TCP/IP）连接，尤其要指出的是所有的W'mdowsSockets实现都
支持流套接字和数据报套接字.
应用程序调用WindowsSockets的API实现相互之间的通讯。
WindowsSockets又利用下层的网络通讯协议功能和操作系统调用实现实际的通讯工作。
它们之间的关系如图2.4所示。
I应用程序lIf应用程序2
●●
I网络编程接口（如WindowsSockets）
●
I网络通讯枷议服务接口（如TCP/IP）
●Il操作系统（如Windows）
●
I物理通讯介质
图2.4应用程序和Sockets的关系
Figure2-4TherelationshipbetweenapplicationandSockets2.3.2套接字'14】
1.套接子的基本概念
套接字是通信的基石，是支持TCP/lP协议的网络通信的基本操作单元。
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