廣深線綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

李 鹍 陳路全

（1．中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081（2．河南輝煌科技股份有限公司，鄭州 450001）

1 網(wǎng)絡(luò)需求分析

1.1 視頻采集點(diǎn)的視頻接入需求

針對廣深線旅客數(shù)量多、流動(dòng)性大、人員情況復(fù)雜，治安問題嚴(yán)峻等突出問題，廣鐵集團(tuán)中心提出了全線無盲區(qū)覆蓋、全天候運(yùn)行的視頻系統(tǒng)建設(shè)需求，視頻采集點(diǎn)主要分布在車站所轄區(qū)域和鐵路沿線區(qū)間。

在鐵路沿線，每隔100～300 m設(shè)置一處視頻采集點(diǎn)，同時(shí)在橋梁、彎道、涵洞等地形比較特殊的區(qū)域增加了采集點(diǎn)設(shè)置。在全線采用標(biāo)清視頻的前提下，兩個(gè)車站間一般需要150～350 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬,把沿線的實(shí)時(shí)視頻信息傳輸至視頻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲，如果全線改造成高清視頻，帶寬需求將增大3～4倍。

1.2 視頻終端網(wǎng)絡(luò)資源需求

1.2.1 廣深沿線轄區(qū)內(nèi)用戶

廣深沿線的每臺監(jiān)視終端可以同時(shí)調(diào)看4路實(shí)時(shí)標(biāo)清視頻，每路視頻的帶寬2 Mbit/s，每臺視頻終端約需要8 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸資源，平均每個(gè)車站按照2臺終端跨站調(diào)看視頻，14個(gè)車站同時(shí)跨站調(diào)看同一處視頻，最多需要224 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，既有的SDH傳輸平臺，無法滿足要求。

1.2.2 廣深沿線外用戶

廣深沿線外視頻監(jiān)視用戶主要包括集團(tuán)中心和各段級機(jī)構(gòu)等，監(jiān)視終端需要通過SDH傳輸通道調(diào)看視頻。每臺終端同時(shí)調(diào)看4路實(shí)時(shí)標(biāo)清視頻，需要8 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸資源，即需要4個(gè)E1通道，而當(dāng)用戶需要調(diào)看1080P的高清視頻時(shí)，8 Mbit/s傳輸帶寬只能滿足1路實(shí)時(shí)視頻的需求。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 廣域網(wǎng)設(shè)計(jì)

按照鐵路總公司《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 575-2017）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻節(jié)點(diǎn)（包括視頻核心節(jié)點(diǎn)、視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)、I類視頻接入節(jié)點(diǎn)、II類視頻接入節(jié)點(diǎn)）、視頻匯集點(diǎn)、視頻采集點(diǎn)、承載網(wǎng)絡(luò)和視頻終端（包括視頻管理終端、監(jiān)視終端）組成。

在廣鐵集團(tuán)的綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中，區(qū)域節(jié)點(diǎn)設(shè)置在廣鐵集團(tuán)，I類視頻接入節(jié)點(diǎn)包括廣州東站、東莞站和深圳站；II類視頻接入節(jié)點(diǎn)布置在廣深線其他車站。視頻采集點(diǎn)分布于鐵路沿線及車站內(nèi)外，為廣鐵集團(tuán)及廣深沿線各相關(guān)機(jī)構(gòu)配置了視頻監(jiān)視終端。

結(jié)合以上分析和現(xiàn)場實(shí)際情況，確定了圖1所示的廣域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1）廣鐵集團(tuán)至廣州東、東莞、深圳之間采用E1線路構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)。

2）廣深線各車站（黃埔、平湖南除外），利用站間2芯光纖組建鏈狀千兆光纖主干網(wǎng)。

3）通過廣州東、東莞和深圳3個(gè)節(jié)點(diǎn)將星型網(wǎng)和鏈狀網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)成3個(gè)相互嵌套的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，將會(huì)從環(huán)網(wǎng)另一方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免了傳輸數(shù)據(jù)丟失，彌補(bǔ)了鏈狀網(wǎng)無冗余，安全性差等缺點(diǎn)，使傳輸網(wǎng)絡(luò)更加安全、可靠。

2.2 局域網(wǎng)設(shè)計(jì)

局域網(wǎng)方案主要從接口數(shù)量、接口帶寬、功能、擴(kuò)展能力等幾方面綜合考慮。其中，各視頻節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能性需求較為一致，主要有：全網(wǎng)采用業(yè)界常用的OSPF協(xié)議，所選路由器和三層交換機(jī)必須支持OSPF；因要采用多個(gè)E1接口捆綁的帶寬聚合方式來解決帶寬不足的問題，所有路由器需支持E1端口綁定功能。主要包括區(qū)域中心局域網(wǎng)方案、I類和II類局域網(wǎng)接入方案，各局域網(wǎng)均通過百兆、千兆交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)。

2.3 接入網(wǎng)設(shè)計(jì)

廣深線視頻接入網(wǎng)主要用于所有視頻終端視頻調(diào)看和采集點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻接入。

2.3.1 視頻終端

視頻終端一般采用點(diǎn)對點(diǎn)接入方式，結(jié)合接入位置及既有線路資源確定具體接入方式即可。

2.3.2 實(shí)時(shí)視頻接入

按照部署位置的不同，視頻采集點(diǎn)分布于站內(nèi)和區(qū)間。站內(nèi)采集點(diǎn)設(shè)備離車站視頻交換機(jī)較近，一般可根據(jù)情況分別采用網(wǎng)線、BNC電纜、光纖等多種方式進(jìn)行接入。

區(qū)間采集點(diǎn)設(shè)備離各站視頻機(jī)房距離較遠(yuǎn)，多在幾百米至幾千米之間，每個(gè)區(qū)間部署有十幾路到三四十路不等的前端采集設(shè)備。區(qū)間無可用的電纜和傳輸設(shè)備，僅有2芯光纖可供使用，即要利用2芯光纖實(shí)現(xiàn)所有區(qū)間攝像機(jī)等采集設(shè)備的接入。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 路由協(xié)議選擇

路由主要分為靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由兩大類。

靜態(tài)路由可人為設(shè)定，不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變而發(fā)生變化。常用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單固定的網(wǎng)絡(luò)中。

動(dòng)態(tài)路由是網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)備之間相互通信，傳遞路由相關(guān)信息，并利用這些信息自動(dòng)計(jì)算并更新路由表的過程。整個(gè)過程自動(dòng)進(jìn)行，無需人工干預(yù)，適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)過對比可知，廣深綜合視頻系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)目前由20個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，后續(xù)還有繼續(xù)增加擴(kuò)展的需要，采用動(dòng)態(tài)路由較為合適。目前應(yīng)用較廣的主流內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議主要有4種：開放式最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF)、路由信息協(xié)議（Routing Information Protocol, RIP)、增強(qiáng)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol,EIGRP)、中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)(IntermediateSystem-to-IntermediateSystem,IS-IS)。由于OSPF路由協(xié)議適合廣深線視頻監(jiān)控規(guī)模、層次清晰，可擴(kuò)展性好、兼容性好、收斂速度快，對業(yè)務(wù)影響小、支持變長子網(wǎng)掩碼和路由匯總，因此，確定本工程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用OSPF路由協(xié)議。

3.2 傳輸路徑優(yōu)化

由于廣域網(wǎng)采用了E1和千兆以太網(wǎng)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，雖然大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全可靠性，但還需要在網(wǎng)絡(luò)通道的利用率、視頻分發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)流量等方面進(jìn)行路徑優(yōu)化，具體解決方案如下。

1）正常情況下（I類節(jié)點(diǎn)與區(qū)域直連通道無中斷），I類節(jié)點(diǎn)到廣鐵集團(tuán)中心（區(qū)域節(jié)點(diǎn)）應(yīng)采用直達(dá)路由，不允許迂回。

2）在光纖網(wǎng)絡(luò)無斷點(diǎn)時(shí)，光纖網(wǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)調(diào)看網(wǎng)內(nèi)視頻信息，應(yīng)優(yōu)先選用光纖網(wǎng)，不應(yīng)再到廣鐵集團(tuán)中心迂回。

3）數(shù)據(jù)流向應(yīng)和視頻軟件邏輯架構(gòu)相適應(yīng)。

3.3 OSPF優(yōu)化

在OSPF網(wǎng)絡(luò)中，接口代價(jià)和接口帶寬是唯一相關(guān)的，兩者成反比關(guān)系，代價(jià)值越小意味著帶寬越大。代價(jià)計(jì)算公式見公式（1）：

基準(zhǔn)帶寬（reference bandwidth）的缺省值是108，接口帶寬則根據(jù)不同的接口形式有所不同。

廣深線OSPF接口默認(rèn)代價(jià)值分布示意如圖2所示，廣深線優(yōu)化后的OSPF接口代價(jià)值分布示意如圖3所示。

OSPF路由代價(jià)（cost）是路由經(jīng)過的中間網(wǎng)絡(luò)所有接口開銷的累加。從圖2可知：正常情況下仙村至廣鐵集團(tuán)中心（經(jīng)廣州東）的路由代價(jià)為1+1+1+1+1+1+7=13；紅海至廣鐵集團(tuán)中心（經(jīng)東莞）的路由代價(jià)為1+1+1+1+9=13。

正常情況下，如從區(qū)域中心分別調(diào)看仙村、紅海的視頻，則OSPF則會(huì)把代價(jià)較小的仙村-廣州東-中心、紅海-東莞-中心兩條路徑作為最優(yōu)路徑，這與視頻軟件邏輯架構(gòu)相一致。但當(dāng)E1聚合通道中的某幾條E1發(fā)生中斷故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)接口代價(jià)和路由代價(jià)發(fā)生改變，最終出現(xiàn)OSPF最優(yōu)路徑和視頻軟件邏輯架構(gòu)不一致的情況，需要優(yōu)化cost值。

經(jīng)反復(fù)論證，采用圖3所示cost值，在正常情況和區(qū)域中心-仙村斷1-6條E1通道、區(qū)域中心-紅海斷1-4條E1通道、區(qū)域中心-塘頭廈斷1-2條E1通道時(shí)，綜合視頻業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)路由不受影響。

4 結(jié)論

本文充分考慮了廣深線現(xiàn)在傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合視頻信息傳輸對網(wǎng)絡(luò)大帶寬的需求，提出了混合型廣域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、區(qū)間接入網(wǎng)設(shè)計(jì)和OSPF cost值優(yōu)化等創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在廣深線綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中得到了較好地應(yīng)用，可以為類似系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。

隨著高清視頻的引入，可考慮在以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，以便更好地滿足用戶需求：

1）在光纖資源充足的情況下，把千兆鏈狀網(wǎng)升級為千兆環(huán)網(wǎng)；

2）把區(qū)域節(jié)點(diǎn)至I類節(jié)點(diǎn)之間改造為千兆光纖網(wǎng)。

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