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IP視頻監控網絡部署方案設計

人氣:發表時間:2019-2-12 10:46:21 【

關鍵詞:單播、組播、混播、視頻監控

摘    要:隨著視頻監控應用不斷深入,監控規模和圖像共享需求日益突出,IP網絡監控成功地應用在多個平安城市建設,并逐步成為建設主流方案。如何讓視頻監控的各種業務在IP網絡上順利的開展,如何依托不同的網絡技術如以太網、EPON以及無線技術來承載視頻監控系統,如何利用舊有網絡部署視頻監控系統,等等這些問題都是視頻監控系統建設者需要考慮的。


視頻監控市場需求與部署技術

視頻監控目前已是安防中非常重要的組成部分,已逐步為各行各業所重視并得到廣泛應用。經過幾年國家“平安城市”工程的持續推進,目前08年9月為止示范城市已達180多個城市,作為系統核心的視頻監控點預計已有200萬個左右*;與此同時轉型中的運營商已推出為行業客戶提供各自可運營的視頻監控系統如“全球眼”和“寬視界”,截至08年Q2電信共建設約10萬個監控點,并計劃2010年發展到50萬個。另外在銀行、港口和電力等行業都在大量使用視頻監控系統?偠灾,視頻監控已經在各行業得到廣泛的應用,而且隨著當前對安全保障力度不斷增加,將在未來的市場上進一步得到規模且深入的發展。

眾所周知,傳統視頻監控系統通常由攝像頭、傳輸、矩陣和存儲等部分組成,目前視頻監控系統已由矩陣為核心的模擬監控逐步完成數字化轉變,并將模擬和數字技術相結合,DVR技術逐步成為市場主流;隨著視頻監控應用不斷深入,監控規模和圖像共享需求日益突出,規模應用則意味著全方位的圖像資源記錄和多角度取證,圖像共享則意味著讓更多的專家能夠看到和分析圖像;視頻監控的規模管理和資源共享必須利用成熟且共享的傳輸平臺來實現,這個傳輸平臺就是標準的IP網絡,IP網絡監控成功地應用在多個平安城市建設*,并逐步成為建設主流方案。

截止2008年底,H3C中標超過120個城市的平安工程,其中包括總規模超過5萬路的平安杭州二期、 07年亞太地區最大存儲容量(超過1500T)的深圳福田平安工程以及多個3111試點和科技強警試點城市;2008年,H3C監控順利保障了二十多個城市的奧運火炬傳遞,包括杭州、井岡山、銀川、南寧、石河子等,覆蓋大江南北

H3C iVS IP智能監控解決方案是H3C公司面向專業監控領域推出的監控方案,包括視頻管理服務器VM Server(VM,Video Management)、數據管理服務器DM Server(DM,Data Management)、EC/ECR/DC(Encoder/Decoder)系列視頻編解碼器、視頻管理客戶端VC(VC,Video Management Client)、媒體交換服務器MS Server、IP SAN網絡存儲設備、IP網絡設備和EPON無源光網絡設備等。

與傳統監控的組成類似,iVS方案包括視頻源、傳輸及交換、存儲、顯示及管理控制等組成部分,系統組成圖如下所示:

IP視頻監控4.JPG

H3C iVS方案可以實現各種監控業務,包括實時監控、視頻信息存儲及歷史視頻流回放等,主要業務流的實現機制如下圖所示:

IP視頻監控5.JPG

l實時監視流:可在VC界面上發起實時監視請求,VM 將控制指令發給相應的EC,EC發送實時視頻流到需要觀看圖像的VC和DC。

l視頻存儲流:DM預先制定每個EC的存儲計劃,該存儲計劃通過VM下發到每個EC上。EC可根據存儲計劃,自動將視頻流寫入到IP SAN存儲系統中,不需要經過其他設備,也不需要其他人工干預。

l歷史回放流:當需要查看歷史視頻信息時,在VC操作界面上發起回放請求,VM將該指令發給DM,DM在IP SAN進行檢索,找到相應的歷史視頻數據后,IP SAN會直接將歷史視頻數據發給VC或者通過MS復制分發到VC,由VC進行解碼播放。

對于實時視頻流的承載,目前主要有單播和組播兩種技術方案選擇

組播承載,EC以IP組播方式發送實時視頻流,需要觀看圖像的VC和DC可加入到該EC所對應的組播組中,便可直接觀看相應的實時視頻圖像了。由于采用了IP組播,無論有多少個VC或DC在觀看該EC的實時視頻流(實際部署取決于網絡設備的組播能力),所占有的IP骨干網帶寬都是一路視頻流帶寬,從而節省了大量網絡帶寬。

單播承載,EC以IP單播方式發送實時視頻流,通過媒體服務器MS中轉到需要觀看圖像的VC和DC端。采用了IP單播,對于網絡的要求更低一些,只要網絡可達即可,但帶來的問題是MS需要復制多路媒體流,大量客戶訪問需要通過流媒體服務器,存在流媒體轉發服務器的性能瓶頸,同時也會占用網絡帶寬。

2  IP視頻監控業務的網絡承載

IP視頻監控作為IP網絡上承載的數據密集型業務,不可避免的要受到IP網絡型態和拓撲的影響。受布線及傳輸系統限制,傳統監控系統多局限在場所和園區范圍,此外還有如交通、道路等鏈狀監控。但是隨著IP網絡的發展,監控的應用和覆蓋范圍也越來廣泛,已經逐步擴展至城域,甚至廣域范圍。

回顧IP網絡的發展,IP網絡最初只有廣域網和局域網的概念,局域網以以太網交換機為主,提供高帶寬數據交換和共享,但是路由能力很弱,幾乎沒有三層功能,而廣域網則重點解決異種鏈路網絡互聯和廣域覆蓋問題,以路由器組網,解決廣域的數據路由和交換問題為主,但受路由器性能的影響,數據交換性能有限。后來隨著三層交換機設備的出現,以太網技術應該范圍逐步擴展至園區和小型城域的范圍,交換機的路由等三層能力越來越強。網絡應用的不斷發展,又出現了城域網和園區網。目前城域網和園區網已經成為最主要的IP基礎設施。

與此相適應,IP視頻監控的組網型態和應用模式也逐步發生相類似的演化。場所監控、園區監控、城域監控、廣域監控成為常見的幾種應用型態,其承載網絡分別對應于IP領域的局域網、園區網、城域網、廣域網。

2.1  IP視頻監控的部署場景

從覆蓋范圍和組網型態來看,視頻監控系統部署通?煞譃閳鏊O控、園區監控、城域監控以及廣域監控。

(1)場所監控

監控范圍相對較小,一般局限在一個較小的場所或一座單體樓宇內,攝像頭數量有限且相對比較集中,接入方式和組網都相對簡單。如小型超市、酒店、娛樂場所、營業網點等。

(2)園區監控

所謂園區,一般指在一個固定地理區域內的一個公司/單位或一個公司/單位的一部分,覆蓋范圍較大,具備多棟建筑,管理上具備相對的獨立性和完整性,一般有一定周界;同時擁有該園區網的公司/單位通常也擁有該園區內所用的物理線路。園區是當前社會組織(廠礦、企業、機構等)生產、辦公、生活等活動中涉及的最常見的地域范疇。因此也是應用最廣泛的IP監控組網型態,園區監控涵蓋企業園區、校園園區、政府機關園區、監獄、港口、機場等多個行業的主要監控應用。

(3)城域監控

相對于園區局限于城市中的部分區域,城域監控的范圍覆蓋更廣。城域監控點的部署將覆蓋城市中的多數,甚至全部區域,地域跨度一般是數十平方公里以上,同時組網型態也更復雜。城域監控實際上在IP網絡技術應用到監控領域后發展起來的,在當前城市公共安全和城市管理日益受到人們關注的背景下,城域監控近兩年成為IP監控領域發展最快的部分,如平安工程就是最典型的城域監控,此外,如城管、城市環保等監控也帶有城域監控的一些特點。

(4)廣域監控

廣域監控是指跨廣域網絡的監控應用,通過廣域網互聯的機構(如上下級單位)需要共享實時和歷史圖像資源,多是上級單位調用下級單位的圖像,如在全國性連鎖機構或大型企業的應用中,總部調用分支/網點/分店的實時和歷史圖像。此外,很多時候園區/城域監控也存在跨廣域聯網的需求,如目前的平安工程建設中,除了城市的視頻監控外,很多省市已經提出跨地市的實時和歷史圖像聯網共享需求。

2.2  IP視頻監控承載網絡面臨的挑戰

IP視頻監控系統作為綜合性多媒體應用系統,包含了視頻、音頻、數據多種數據類型,并同時運行實時音視頻編碼/傳輸、音視頻存儲、歷史視頻回放以及實施音視頻解碼/觀看等業務,在提供客戶更直觀的交流及監控手段的同時,也給承載網絡帶來了巨大壓力。

我們在考慮整個IP視頻監控系統建設的初期,就要去了解IP視頻監控的流量特征,明白監控業務對IP承載網的壓力所在,并通過合理的網絡規劃、系統設計來減小網絡的負載,讓承載網絡更好的保障其承載的多媒體業務正常運行。

2.2.1理解視頻監控流量模型

IP視頻監控集成了音視頻多種業務,不同業務對于承載網絡的需求也各不一樣,在業務流量的方向、模型以及特征上區別較大。比如對于視頻存儲而言,數據安全性是第一位的,在數據傳輸過程中首要保障的是可靠性,而實時視頻查看業務,用戶的感官體驗是首要考慮的,數據傳輸要優先考慮實時性,低延時的網絡對實時視頻業務來說是最重要的。

視頻監控各類業務的流量模型可見下表:

業務類型

流量方向

流量模型

流量特征

實時視頻

單向

編碼器 → 解碼器

點到點(單播)

點到多點(單播/組播)

基于UDP,無線及廣域可選基于TCP傳輸

要求高質量的實時視頻圖像,帶寬要求高,當前主流應用的單路實時視頻帶寬要求在1~8Mbps

視頻存儲

單向

編碼器 → 存儲

多點匯聚

基于TCP,要求可靠性第一

全天候存儲或分時段存儲,流量穩定,可事前規劃,流量總量占監控業務總流量一半以上

帶寬要求高,當前主流應用的單路視頻存儲帶寬要求多為2Mbps、4Mbps

歷史圖像回放

單向

存儲 → 解碼器

點到多點

點播流量模型為典型的發散模式,具有突發性、分散性以及源集中性

帶寬要求取決于歷史圖像的存儲碼率

網絡壓力集中于存儲的帶寬及并發能力以及存儲子系統的接入層

語音對講

雙向

編碼器 ←→ 客戶端

點到點

視頻語音業務多選用G.711、G.729或G.723.1等低碼率編碼方案

對時延敏感

語音廣播

單向

編碼器 ← 客戶端

點到多點

同上

上表基本匯集了當前IP視頻監控系統中的主要業務流量特征,而要完成IP承載網絡的設計,還需要考慮以下問題:

1)多媒體業務使能

當前IP視頻監控系統中啟用了哪些業務?視頻數據是滿足實時查看還是事后查詢?視頻數據的存儲策略(集中存儲或分布存儲)?

2)多媒體數據的生產和消費

視頻源(編碼器/攝像頭)部署在哪里?實時視頻在哪里查看?視頻源數據存儲在哪里?

3)媒體數據流向

音視頻數據在IP承載網中的路由方向、匯聚點。

4)多媒體業務的網絡服務水平指標

考慮多媒體數據的的帶寬需求,確定視頻源的數量、音視頻碼率大小、以及為可能的數據突發考慮帶寬冗余度。

考慮其他網絡服務水平指標,包括丟包率、抖動、時延、亂序等。

5)系統擴展需求

需要了解整個視頻監控系統可能的擴展需求,在網絡接入端口擴容、核心網擴展以及存儲系統擴展等方面留下必要的彈性空間。

2.2.2  IP承載網絡面臨的壓力

對于處于底層的IP承載網來說,IP視頻監控系統承載說帶來的壓力和需求主要集中在以下幾點:

IP視頻監控6.JPG

l高帶寬需求

早期視頻監控系統由于顯示系統以及模擬傳輸系統的限制,多為CIF分辨率(352×288),隨著數字編解碼和顯示系統技術的發展,高分辨率編解碼和顯示已經逐漸普及,D1(720×480/720×576)分辨率已經成為主流,而更高的720P/1080P也在少量使用中,在這種背景下,對單路視頻來說,2Mbps碼率下的圖像清晰度已經不能滿足客戶的需求,4M、8M碼率的視頻應用逐漸成為主流應用。

l流量分布不均

視頻存儲和實時視頻查看的需求同時存在,存儲集中匯聚以及多路視頻的接入造成了流量的局部熱點,整體網絡流量分布不均衡。

l低時延要求

根據ITU-T G.114建議,音視頻傳輸雙向延時不超過300ms,即單向延時不超過150ms。雖然傳統IP網絡的時延、抖動和丟包率的平均值滿足要求,隨著高碼率應用的普及,現有IP網絡難以滿足IP視頻監控實時業務的承載要求。

l高可靠性要求

視頻存儲數據一般要求可查證、可追溯,對可靠性要求高,網絡的震蕩、故障乃至中斷都對業務可用性、數據可靠性造成威脅。

l業務優先級管理

業務優先級在不同類型的承載網絡都是需要的,對于IP視頻監控而言,在專網部署模式下需要考慮監控不同業務間的優先級設計問題,比如視頻存儲對可靠性的要求就高于實時視頻;在非專網模式下需要考慮監控業務和其他生產業務的優先級設計問題,以免在數據傳輸中產生帶寬爭用和擁塞的情況。

2.3  IP視頻監控的承載網絡

2.3.1  IP視頻監控業務的承載需求

IP視頻監控業務的實時性決定了其對于高可靠性承載網絡的需求,在網絡帶寬、丟包率、時延以及抖動方面都提出了高于普通數據業務的要求。

l帶寬

網絡可用帶寬(Bandwidth)決定了多媒體應用的音視頻碼流速率,不同的碼流類型由于壓縮算法的不同,音視頻的質量也有些不同,在相同的編解碼設置下,碼流速率越高,視頻質量越好,但帶寬需求也越大。

可用帶寬需要綜合考慮2個方面

1)接入帶寬,指多媒體終端接入的可用帶寬,這是終端可感知、可控的帶寬

2)會話端到端帶寬,指多媒體應用會話建立后,音視頻數據傳輸帶寬。在IP網絡下,會話端到端帶寬通常是終端難以感知的,它取決于IP鏈路多跳中的最小帶寬點。

音頻數據的網絡傳輸多采用CBR方式,發包間隔多為固定時間間隔,固定報文大小。以G.711編解碼為例,打包間隔20ms,包長200bytes。因此帶寬要求80Kbps,無突發流量

視頻數據的網絡傳輸也以CBR方式為主,一般固定報文大小,固定幀間隔,由于I、P、B幀大小不一,存在突發流量。以高清視頻為例,帶寬2~15Mbps不等(依編解碼壓縮比而不同)每秒30幀,每幀由長度不等的包組成,因此媒體流本身存在突發流量,一般為設定碼率的10%上下浮動。如果CBR碼率控制不佳的話,突發流量會更大,可達到設定碼率的2~3倍或更多。

l丟包率

丟包對音視頻播放質量有直接的影響。無論音視頻丟包的類型(I,B,P幀)、編碼格式、碼率,在沒有適當的音視頻解碼補償或者丟包重傳機制下,音視頻播放質量都會出現不同程度的下降。

IP視頻監控7.JPG

數據包丟失一般是由網絡中斷或擁塞引起,網絡設備如果分配帶寬不足或瞬間不足,導致流量超出隊列Buffer容量,一般會造成數據包的丟失。

l時延

時延(Latency)是處理和傳輸導致數據不能按時到達的延遲。為了避免網絡抖動而產生視頻播放效果惡化,網絡節點和視頻解碼器往往需要對視頻流進行緩沖。在緩沖的前提下,時延不影響視頻觀看的質量,但時延會導致回聲干擾和交互性的劣化,降低用戶滿意度。

根據影響因素的不同,多媒體業務的端到端時延可以分解為固定時延和可變時延兩部分(如下所示)。

IP視頻監控8.JPG

固定時延是與采用的音視頻壓縮算法、數據封裝大小、傳輸距離和傳輸鏈路相關。在給定網絡拓撲、音視頻壓縮算法和打包時長的情況下,這部分時延可以較為準確地計算出來。固定時延優化只能通過選擇合適的壓縮算法、較小的發包間隔等方法降低這部分時延。

可變時延與設備的端口速率、網絡的負載情況、設備對QoS的支持方式、實現的QoS算法等密切相關?勺儠r延優化通過選擇合理的報文大小、高端口速率、數據報文轉發優先級設定等方法來降低這部分時延。

根據ITU-T G.114建議,音視頻傳輸單向延時不超過150ms,而可感知的網絡時延基線是200ms,如下圖所示,網絡時延高于200ms后,用戶滿意度將大打折扣。

IP視頻監控9.JPG

2.3.2視頻監控專網還是多業務承載網

用戶在建設IP視頻監控系統的時候,通常會面臨一個選擇:是建視頻監控業務的專網?還是基于現有網絡去承載視頻監控業務?由于各個行業特點不一,用戶需求和部署模式也各有不同,對于IP承載網絡選擇專網模式或多業務網模式,沒有絕對的好或不好,而是要分析用戶需求,選擇最合適的模式。

用戶都應該明白,不論選擇哪種承載網絡模式,IP視頻監控系統的承載要求是一樣的。不同建設模式下,要達到相同的效果,所付出的代價是不同的。

專網模式

子網模式

多業務模式

模式簡介

僅承載視頻監控業務

多業務承載

視頻監控業務在單獨的安防子網

子網核心層和主網絡核心層相連接

傳統3層IP網絡,承載視頻監控業務的同時,還有其他數據業務

圖示

適用場景

園區監控

城域監控

廣域監控

場所監控

園區監控

場所監控

園區監控

網絡拓撲

簡單

為視頻監控業務優化

較復雜

分離視頻監控業務

復雜

多為辦公數據業務優化的傳統3層網絡拓撲

監控業務優先級

中、高

特點

視頻監控業務為主業務

監控點多且分布較廣

實時視頻查看地點多且地理位置分散

視頻監控業務較為獨立

監控點分布較為集中

實時查看視頻地點大部分固定,偶有遠程地點

視頻監控業務非主業務

監控點少

實時查看視頻地點固定

選擇原因

無網絡或網絡條件一般

安全要求較高,物理位置分布廣

現有網絡接入層端口利用率高,核心層負載小,足以再承載監控業務

現有網絡接入點不需要監控業務

安全要求高,有業務隔離需求,物理位置集中,但功能上有分區

現有網絡接入層端口利用率低,網絡負載小,足以承載監控業務

現有網絡改造困難

安全要求一般,物理位置較為集中

應用實例

平安工程

高速公路監控

大型園區監控

機場監控

工業生產監控

大型園區監控

商業樓宇監控

場館監控

2.3.3網絡接入層技術選擇

2.3.2.1.不同網絡接入技術的網絡拓撲

IP視頻監控系統建設首要解決的是監控前端設備的接入問題,在接入技術上可以考慮以太網直接接入、光纖以太網接入、Wi-Fi無線接入等方式,見下表。

技術對比

EPON接入

有線以太接入

Wi-Fi無線接入

適用場景

適合周界、區域覆蓋、園區道路、出入口及室外監控接入

適合園區功能區、室內、樓宇樓層監控

適合作為布線不方便的非關鍵區、水域、危險工作區以及移動監控

組網拓撲

樹型、星型、鏈型等組網結構各根據需要靈活使用,網絡結構沒有特定的限制,可適用于任何光纖可達的環境

樹型、星型、環型等組網結構各根據需要靈活使用,網絡結構沒有特定的限制

點到點、點到多點、多點橋接級聯等模式

傳輸距離

可以在高帶寬的情況下保證10-20 KM的傳輸距離

以太網的100m傳輸距離是其作為接入技術的最大問題之一,通常只能通過級聯交換機延長傳輸距離

取決于天線,全向天線一般在100米左右,定向天線一般在200~1200米左右,受天氣、障礙物、信號源功率、距離、客戶端服務端相對移動速度以及干擾源的影響

可靠性

EPON為無源光網絡,傳輸可靠性高

以太網技術屬于成熟技術,可靠性高,線路環節多,隱含故障點多

受天氣、障礙物、信號源功率、距離、客戶端服務端相對移動速度以及干擾源的影響

供電及布線

EPON傳輸無需供電,分光器為無緣器件

網絡設備需要額外供電

無線AP需要額外供電

接入帶寬

EPON是長距離、高帶寬的接入技術,目前能提供上下行對稱的1Gbps的帶寬,今后可望升級到10Gbps

千兆GE接入已經成為主流

802.11a最大速率為54 Mbps

802.11b最大速率為11 Mbps

802.11g最大速率為54 Mbps

802.11n最大速率為54~300   Mbps

2.3.2.2.不同網絡接入技術的網絡拓撲

2.3.3.2.1.EPON接入

EPON網絡采用點至多點的拓樸結構,取代點到點結構,大大節省了光纖的用量、管理成本。EPON支持的基本組網方式為星型和樹型,通過這兩種基本組網結構,結合不同類型的分光器(均分、固定非均分、可調分光比)可以衍生出其它多種網形式,可以滿足多種應用的需要。

IP視頻監控10.JPG

2.3.3.2.2.有線以太網接入

以太網接入最常用的接入拓撲為星型、樹型拓撲,在實際部署中,視頻監控終端可通過

a、以太接口連接到接入層交換機

b、SPF光纖接口連接到接入層交換機

H3C還支持視頻監控終端基于RRPP技術環網拓撲,此拓撲模式是封閉周界或鏈狀拓撲的最佳接入方式。RRPP是一個專門應用于以太網環的鏈路層協議,當以太網環上一條鏈路斷開時,能迅速啟用備份鏈路以恢復環網上各個節點之間的通信通路。

IP視頻監控11.JPG 

2.3.3.2.3.Wi-Fi無線接入

Wi-Fi無線接入組網拓撲有:點到點、點到多點、多點級聯等模式。

IP視頻監控12.JPG

1、點到點模式

點到點模式利用無線網橋建立點到點的大帶寬的無線傳輸鏈路,用于前端接入和分控中心接入等場景,分控中心接入會對無線點到點鏈路有更高的雙向帶寬的需求;該種模式可避免點點間的有線部署,如樓宇間有線成本較高;若配合移動供電,可設置臨時監控點便于拆卸;

2、點到多點模式

點到多點模式主要應用于多個監控前端接入,通常是較為開豁的和可視的場景,如樓宇樓頂間和大水面或草地的景區等;

3、多點級聯模式

多點級聯模式則應用于多點間有遮擋的場景,如有建筑物和樹木阻擋;傳統的在遮擋場景采用增加無線中繼方式,此時無線中繼僅僅起到中繼的功能。

3  H3C對于多媒體網絡承載的理解

H3C長期致力于IP技術與產品的研究、開發、生產、銷售及服務。H3C不但擁有全線以太網交換機和路由器產品,還在網絡安全、IP存儲、IP監控、語音視訊、WLAN、SOHO及軟件管理系統等領域穩健成長。目前,網絡產品中國市場份額第一,安全產品中國市場份額位居三甲,IP存儲亞太市場份額第一,IP監控技術全球領先,H3C已經從單一網絡設備供應商轉變為多產品IToIP解決方案供應商。

H3C長期保持對IP視頻監控領域的關注,持續投入力量于音視頻多媒體解決方案的研發,融合了網絡、安全、IP存儲、軟件管理系統、IP監控等產品的基于IToIP架構的IP視頻監控解決方案,有效地解決了視頻監控系統IP化、聯網化以及海量部署問題,并在各行各業的視頻監控系統建設中廣泛應用。

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