視頻監(jiān)控系統(tǒng)中交換機核心參數(shù)的選擇

劉帥

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

圖像顯示的清晰度、系統(tǒng)延時和穩(wěn)定性問題是視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用者最為關(guān)心的問題。隨著IP技術(shù)引入視頻監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)型數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)因其具有優(yōu)異的實時性、清晰度、穩(wěn)定性、兼容性和擴展性，成為當代視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的主流方案。網(wǎng)絡(luò)型數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端視頻采集設(shè)備、中間傳輸設(shè)備、后端顯示與控制設(shè)備三大部分組成，其中，中間傳輸設(shè)備（即交換機）的性能對系統(tǒng)延時和穩(wěn)定性起到了重要作用。

1 交換機參數(shù)

交換機作為網(wǎng)絡(luò)型數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸設(shè)備核心，其費用占整個系統(tǒng)建設(shè)投資的一半。因此選擇合適的交換機是系統(tǒng)建設(shè)的重點，除了要考慮各層交換機的傳輸端口數(shù)量外，還必須考慮直接影響交換機傳輸能力的重要參數(shù)，如交換容量、背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)率、線速轉(zhuǎn)發(fā)等。

1.1 交換容量/背板帶寬

作為衡量交換機數(shù)據(jù)交換能力的重要指標，交換容量和背板帶寬雖然都是指交換機接口處理器或接口卡和數(shù)據(jù)總線間所能吞吐的最大數(shù)據(jù)量，但是兩者之間依舊有細微的差別。

1）交換容量（單位為Gbps）可根據(jù)式（1）計算：

式中：所有端口帶寬均按每個端口的最大值來計算，“端口總?cè)萘俊?”表示所有端口都按全雙工配置。不難發(fā)現(xiàn)，交換機的交換容量是隨著交換機端口配置的變化而變化的，因此可以根據(jù)系統(tǒng)配置進行調(diào)整。

2）背板帶寬是模塊化交換機上的概念，其數(shù)值主要由交換機所采用的交換芯片決定；是某一類型交換機出廠時就已經(jīng)固化的參數(shù)，而固定端口交換機并不存在這個概念。目前，市面上所提供的固定端口交換機的背板帶寬與其交換容量大小相等[1]。

1.2 包轉(zhuǎn)發(fā)率

包轉(zhuǎn)發(fā)率(單位為pps）是交換機另一個重要參數(shù)，其表示了交換機能同時轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，即交換機每秒可以轉(zhuǎn)發(fā)多少百萬個數(shù)據(jù)包(Mpps)[2]。一些資料上也把包轉(zhuǎn)發(fā)率稱為吞吐率，但吞吐率更多是出現(xiàn)在路由器的參數(shù)表內(nèi)。交換機包轉(zhuǎn)發(fā)率又有二層包轉(zhuǎn)發(fā)率和三層包轉(zhuǎn)發(fā)率之分。根據(jù)TCP/IP協(xié)議組，二層指代鏈路層（L2），三層指代網(wǎng)絡(luò)層（L3），即只有具備路由功能的交換機才存在三層包轉(zhuǎn)發(fā)率。作為一個企業(yè)內(nèi)部視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，只有在需要與辦公網(wǎng)或工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行垮網(wǎng)段數(shù)據(jù)調(diào)用時，才會使用到三層交換機。

1臺交換機在出廠時，生產(chǎn)廠家都會提供1個標稱包轉(zhuǎn)發(fā)率數(shù)值，但這個標稱值并非該交換機的實際包轉(zhuǎn)發(fā)率。實際包轉(zhuǎn)發(fā)率可以通過式（2）計算：

式中：端口線速包轉(zhuǎn)發(fā)率是指單位時間內(nèi)發(fā)送64 byte數(shù)據(jù)包（最小包）的個數(shù)。而以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)包的傳送是以幀的形式進行發(fā)送，因此在實際計算中，還必須考慮8 byte的幀頭和12 byte的幀間隙的固定開銷。端口線速包轉(zhuǎn)發(fā)率按照式（3）計算：

根據(jù)上述公式，可以計算出視頻監(jiān)控系統(tǒng)中常用的幾種端口線速包轉(zhuǎn)發(fā)率值(表1）。

表1 不同端口線速包轉(zhuǎn)發(fā)率Mpps

1.3 線速轉(zhuǎn)發(fā)

除交換機的交換容量、背板帶寬和包轉(zhuǎn)發(fā)率這3個直接影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的參數(shù)以外，還需要考慮交換機的另一個隱含因素——是否支持全端口滿配線速轉(zhuǎn)發(fā)。而判斷1臺交換機是否支持全端口滿配線速轉(zhuǎn)發(fā)，需要計算出1臺交換機的實際交換容量和包轉(zhuǎn)發(fā)率，并與交換機參數(shù)的標稱值進行對比：當兩個計算值均小于標稱值時，該交換機支持全端口滿配線速轉(zhuǎn)發(fā)；反之該交換機是有阻塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 監(jiān)控攝像機的碼流

雖然交換機品牌供應(yīng)商通常聲稱其品牌下全系交換機均支持全端口滿配線速轉(zhuǎn)發(fā)，但是通過仔細對比不難發(fā)現(xiàn)，即使端口配置相同的二層交換機，其交換容量、背板帶寬和包轉(zhuǎn)發(fā)率仍然存在差異。在實際工程建設(shè)中，要判斷哪款交換機更適合，還需從監(jiān)控攝像機的碼流入手進行分析。

碼流也稱碼率，是視頻編碼種畫面質(zhì)量控制中最重要的部分[3]，也是衡量視頻文件傳輸?shù)闹匾笜?，其直接反映了視頻文件在單位時間（1 s）內(nèi)使用的數(shù)據(jù)流量[4]。為滿足視頻圖像能在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中同時傳輸，高清攝像機會同時產(chǎn)生兩個高低不同像素的碼流，即主碼流和子碼流。主碼流和子碼流之和才是一路視頻圖像的真實碼流值。其中，主碼流主要在局域網(wǎng)中傳輸，適合本地高清存儲；子碼流因為降低了像素和分辨率，使得它更適合在廣域網(wǎng)中傳輸，保證異地用戶在訪問前端攝像機時，獲得更高的圖像流暢度。

理論上，在分辨率相同的情況下，視頻文件的碼流越大，壓縮比就越小，畫面質(zhì)量就會越高。但是大碼流傳輸會帶來傳輸網(wǎng)絡(luò)的高負荷[5]。而隨著攝像機清晰度和像素值的不斷提高，為降低網(wǎng)絡(luò)負荷，H.264和H.265視頻編碼標準已成為目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備采用的主要編碼標準。表2列舉了目前市場上不同分辨率的HD攝像機在H.264和H.265視頻編碼標準下的碼流理論值。

通過表2可知，在相同的分辨率下，通過H.265編碼的視頻碼流比H.264編碼的視頻碼流小接近40%。當然這只是一個理論值，在實際使用過程中，不同編碼標準所帶來的碼流變化還受諸多其他因素的影響。

表2 H.264和H.265的碼流對照

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)中交換機參數(shù)的選擇

在實際工程項目中，由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式、建設(shè)規(guī)模和管理模式存在差異，系統(tǒng)中交換機的參數(shù)也隨之存在多種選擇方案。但無論選擇哪種方案，交換機的交換容量、背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)率選擇始終無法繞開視頻監(jiān)控系統(tǒng)的碼流需求。下文以某工業(yè)企業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例，通過分析該系統(tǒng)中碼流與交換容量、背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)率之間的聯(lián)系，來確定該系統(tǒng)中交換機參數(shù)的選擇。

3.1 系統(tǒng)功能和架構(gòu)

某企業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，見圖1，主要是對生產(chǎn)操作和生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，輔助ERP、MES、APS、WMS、QIS等應(yīng)用系統(tǒng)，使生產(chǎn)管理人員和企業(yè)管理人員能更直觀地掌握生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)環(huán)境信息和設(shè)備運行情況。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即核心層+匯聚層+接入層的結(jié)構(gòu)形式，一級管理模式，接入層交換機水平布線半徑按50 m進行設(shè)計。前端攝像機分辨率均為400萬像素，全廠共有各類攝像機212臺。前端攝像機由監(jiān)控中心統(tǒng)一管理，并負責視頻數(shù)據(jù)的存儲和顯示。后端顯示采用LED大屏幕顯示系統(tǒng)，支持16路4MP清晰度圖像實時解碼顯示；存儲采用磁盤整列（RAID），視頻圖像按1 080 P清晰度H.265編碼標準連續(xù)保存；配置1臺管理終端服務(wù)器。各層級交換機間干線采用單模光纜，接入層交換機至前端攝像機信號電纜采用UTP CAT.5e電纜。

3.2 接入層和匯聚層交換機參數(shù)的選擇

以該系統(tǒng)中1臺滿配的8口接入層交換機為例，論證如何通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)的碼流來確定該交換機在滿足線速轉(zhuǎn)發(fā)的前提下，其上行端口帶寬、交換容量和包轉(zhuǎn)發(fā)率的下限值。根據(jù)表2中數(shù)值，本系統(tǒng)中單臺攝像機在H.264和H.265編碼標準下，碼流分別為8 Mbps、4.8 Mbps。網(wǎng)絡(luò)帶寬按照式（4）進行計算：

通過式（4）可以計算出1臺8口接入層交換機在不同的編碼標準下帶寬需求分別為64 Mbps和38.4 Mbps。這個帶寬值僅是攝像機將視頻信息上傳到監(jiān)控中心所需上行的最小限制帶寬。而交換機的帶寬利用率通常不超過理論值的80%，實際工程中交換機的實際帶寬一般為理論值的50%～70%。因此1臺滿配的8口接入層交換機所需的上行帶寬范圍應(yīng)根據(jù)式（5）進行計算：

式中：N表示該臺交換機同時被N個用戶訪問。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)存在大屏幕管理主機和管理工作站2個訪問用戶，企業(yè)管理者暫按1個訪問用戶考慮。通過公式（5）計算可得，本系統(tǒng)內(nèi)8口接入層交換機的上行帶寬在H.264和H.265編碼標準下的范圍值分別為365.60～512.00 Mbps和219.44～307.20 Mbps。

考慮到前端攝像機所監(jiān)視的環(huán)境會出現(xiàn)移動物體等突發(fā)情況，而導致視頻碼流瞬間提升的因素，因此8口接入層交換機的上行端口（WAN端口）至少選擇千兆端口。利用式（5）所計算的結(jié)果代入式（3）中，可以計算出該交換機上行端口的線速包轉(zhuǎn)發(fā)率在H.264和H.265編碼標準的取值范圍分別為：0.544～0.762 Mpps和0.326 4～0.457 2 Mbps，對照表1確定上行端口（WAN端口）至少選擇千兆端口。在確定了該臺交換機各端口帶寬后，根據(jù)式（1）和式（2）計算得出該臺接入層交換機在滿足線速轉(zhuǎn)發(fā)功能時，其交換容量不應(yīng)低于3.6 Gbps，包轉(zhuǎn)發(fā)率不應(yīng)低于2.7 Mpps的結(jié)論。同理，可以計算得出本視頻監(jiān)控系統(tǒng)其它接入層和匯聚層交換機在滿足線速轉(zhuǎn)發(fā)的前提下，其上行端口帶寬、交換容量和包轉(zhuǎn)發(fā)率的下限值，其中匯聚層交換機上行端口均必須選擇萬兆端口。

3.3 核心層交換機參數(shù)的選擇

由于系統(tǒng)功能需求包括“企業(yè)管理者能通過辦公電腦訪問視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)前端攝像機的數(shù)據(jù)”，而辦公電腦均接入在企業(yè)辦公局域網(wǎng)內(nèi)，該網(wǎng)絡(luò)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)為兩套平行的網(wǎng)絡(luò)，因此該系統(tǒng)的核心層交換機必須工作在OSI網(wǎng)絡(luò)標準模型的第三層：網(wǎng)絡(luò)層，從而確定了本系統(tǒng)的核心層交換機必須采用三層交換機。

1）核心層交換機的端口數(shù)量的確定。在計算核心層交換機的交換容量、背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)率之前，需先確定核心層交換機的端口數(shù)量。從圖1的系統(tǒng)架構(gòu)可以看到，本系統(tǒng)的存儲、管理、視頻解碼上墻等設(shè)備均連接在核心交換機上。根據(jù)表2和式（4），分別計算出212路視頻圖像按1 080 P清晰度H.265編碼標準傳輸所需網(wǎng)絡(luò)帶寬以及16路4 MP清晰度圖像在H.264編碼標準下實時解碼顯示所需網(wǎng)絡(luò)帶寬。212路視頻圖像按1 080 P清晰度H.265編碼標準傳輸所需網(wǎng)絡(luò)帶寬為636 Mbps。暫按50%的帶寬利用率計算得出存儲設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端口帶寬值為1 272 Mbps，則存儲設(shè)備所需的網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)為1個萬兆端口或2個千兆端口。16路4 MP清晰度圖像在H.264編碼標準下實時解碼顯示所需網(wǎng)絡(luò)帶寬為128 Mbps，按50%的帶寬利用率計算得到大屏幕管理主機網(wǎng)絡(luò)端口帶寬值為256 Mbps。故大屏幕管理主機所需的網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)為1個千兆端口。

管理工作站為1臺PC機，暫定核心交換機為其配置1個千兆端口；與辦公局域網(wǎng)互聯(lián)采用1個千兆端口，那么本系統(tǒng)核心層交換機所需要配置的端口數(shù)不得少于4個萬兆端口（用于連接匯聚層交換機）+5個千兆端口。

2）核心交換機的交換容量計算。根據(jù)攝像機碼流和交換機端口數(shù)分別計算核心交換機的交換容量，并對計算結(jié)果進行比較。在H.264編碼標準下，核心層交換機需要同時處理212臺攝像機視頻數(shù)據(jù)所需的交換容量為1.696 Gbps。核心層交換機最小交換容量為90 Gbps。將兩個計算結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)，核心交換機在滿足系統(tǒng)需求和架構(gòu)的同時，也能滿足對全網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)的處理的需求。通過式（3）和式（5）的核算，能夠得出相同的結(jié)論。

4 結(jié)語

綜上所述，雖然在實際視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)過程中，交換機參數(shù)的選擇需要考慮安裝環(huán)境、應(yīng)用行業(yè)、系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)形式等其它因素的影響，但真正影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)延時和穩(wěn)定性，以及視頻圖像的高清晰度的核心參數(shù)還是交換機的端口帶寬、交換容量、背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)率。通過本文的計算，以及總結(jié)出的判斷技巧，能夠便捷地確定視頻監(jiān)控系統(tǒng)中各層級交換機端口帶寬、交換容量、背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)率的最低取值標準，幫助系統(tǒng)建設(shè)者通過優(yōu)化交換機配置有效地控制系統(tǒng)建設(shè)成本。