視頻監控系統中交換機核心參數的選擇

劉帥

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

圖像顯示的清晰度、系統延時和穩定性問題是視頻監控系統使用者最為關心的問題。隨著IP技術引入視頻監控系統，網絡型數字化視頻監控系統因其具有優異的實時性、清晰度、穩定性、兼容性和擴展性，成為當代視頻監控系統建設的主流方案。網絡型數字化視頻監控系統主要由前端視頻采集設備、中間傳輸設備、后端顯示與控制設備三大部分組成，其中，中間傳輸設備（即交換機）的性能對系統延時和穩定性起到了重要作用。

1 交換機參數

交換機作為網絡型數字化視頻監控系統傳輸設備核心，其費用占整個系統建設投資的一半。因此選擇合適的交換機是系統建設的重點，除了要考慮各層交換機的傳輸端口數量外，還必須考慮直接影響交換機傳輸能力的重要參數，如交換容量、背板帶寬、包轉發率、線速轉發等。

1.1 交換容量/背板帶寬

作為衡量交換機數據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據總線間所能吞吐的最大數據量，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，“端口總容量×2”表示所有端口都按全雙工配置。不難發現，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，因此可以根據系統配置進行調整。

2）背板帶寬是模塊化交換機上的概念，其數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固化的參數，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 包轉發率

包轉發率(單位為pps）是交換機另一個重要參數，其表示了交換機能同時轉發的數據包數量，即交換機每秒可以轉發多少百萬個數據包(Mpps)[2]。一些資料上也把包轉發率稱為吞吐率，但吞吐率更多是出現在路由器的參數表內。交換機包轉發率又有二層包轉發率和三層包轉發率之分。根據TCP/IP協議組，二層指代鏈路層（L2），三層指代網絡層（L3），即只有具備路由功能的交換機才存在三層包轉發率。作為一個企業內部視頻監控系統網絡，只有在需要與辦公網或工業控制系統網絡進行垮網段數據調用時，才會使用到三層交換機。

1臺交換機在出廠時，生產廠家都會提供1個標稱包轉發率數值，但這個標稱值并非該交換機的實際包轉發率。實際包轉發率可以通過式（2）計算：

式中：端口線速包轉發率是指單位時間內發送64 byte數據包（最小包）的個數。而以太網中數據包的傳送是以幀的形式進行發送，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。端口線速包轉發率按照式（3）計算：

根據上述公式，可以計算出視頻監控系統中常用的幾種端口線速包轉發率值(表1）。

表1 不同端口線速包轉發率Mpps

1.3 線速轉發

除交換機的交換容量、背板帶寬和包轉發率這3個直接影響視頻監控系統數據傳輸速率的參數以外，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發。而判斷1臺交換機是否支持全端口滿配線速轉發，需要計算出1臺交換機的實際交換容量和包轉發率，并與交換機參數的標稱值進行對比：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發；反之該交換機是有阻塞的結構設計。

2 監控攝像機的碼流

雖然交換機品牌供應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發，但是通過仔細對比不難發現，即使端口配置相同的二層交換機，其交換容量、背板帶寬和包轉發率仍然存在差異。在實際工程建設中，要判斷哪款交換機更適合，還需從監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量控制中最重要的部分[3]，也是衡量視頻文件傳輸的重要指標，其直接反映了視頻文件在單位時間（1 s）內使用的數據流量[4]。為滿足視頻圖像能在局域網和廣域網中同時傳輸，高清攝像機會同時產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，畫面質量就會越高。但是大碼流傳輸會帶來傳輸網絡的高負荷[5]。而隨著攝像機清晰度和像素值的不斷提高，為降低網絡負荷，H.264和H.265視頻編碼標準已成為目前視頻監控系統設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 視頻監控系統中交換機參數的選擇

在實際工程項目中，由于視頻監控系統的組網方式、建設規模和管理模式存在差異，系統中交換機的參數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、包轉發率選擇始終無法繞開視頻監控系統的碼流需求。下文以某工業企業視頻監控系統為例，通過分析該系統中碼流與交換容量、背板帶寬、包轉發率之間的聯系，來確定該系統中交換機參數的選擇。

3.1 系統功能和架構

某企業視頻監控系統，見圖1，主要是對生產操作和生產過程進行監控，輔助ERP、MES、APS、WMS、QIS等應用系統，使生產管理人員和企業管理人員能更直觀地掌握生產過程中的生產環境信息和設備運行情況。

圖1 視頻監控系統架構

該系統采用樹型網絡拓撲結構，即核心層+匯聚層+接入層的結構形式，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。前端攝像機由監控中心統一管理，并負責視頻數據的存儲和顯示。后端顯示采用LED大屏幕顯示系統，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編碼標準連續保存；配置1臺管理終端服務器。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的選擇

以該系統中1臺滿配的8口接入層交換機為例，論證如何通過視頻監控系統的碼流來確定該交換機在滿足線速轉發的前提下，其上行端口帶寬、交換容量和包轉發率的下限值。根據表2中數值，本系統中單臺攝像機在H.264和H.265編碼標準下，碼流分別為8 Mbps、4.8 Mbps。網絡帶寬按照式（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根據式（5）進行計算：

式中：N表示該臺交換機同時被N個用戶訪問。

根據系統功能要求，系統存在大屏幕管理主機和管理工作站2個訪問用戶，企業管理者暫按1個訪問用戶考慮。通過公式（5）計算可得，本系統內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視的環境會出現移動物體等突發情況，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）所計算的結果代入式（3）中，可以計算出該交換機上行端口的線速包轉發率在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，根據式（1）和式（2）計算得出該臺接入層交換機在滿足線速轉發功能時，其交換容量不應低于3.6 Gbps，包轉發率不應低于2.7 Mpps的結論。同理，可以計算得出本視頻監控系統其它接入層和匯聚層交換機在滿足線速轉發的前提下，其上行端口帶寬、交換容量和包轉發率的下限值，其中匯聚層交換機上行端口均必須選擇萬兆端口。

3.3 核心層交換機參數的選擇

由于系統功能需求包括“企業管理者能通過辦公電腦訪問視頻監控系統內前端攝像機的數據”，而辦公電腦均接入在企業辦公局域網內，該網絡與視頻監控系統為兩套平行的網絡，因此該系統的核心層交換機必須工作在OSI網絡標準模型的第三層：網絡層，從而確定了本系統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量的確定。在計算核心層交換機的交換容量、背板帶寬、包轉發率之前，需先確定核心層交換機的端口數量。從圖1的系統架構可以看到，本系統的存儲、管理、視頻解碼上墻等設備均連接在核心交換機上。根據表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絡帶寬以及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絡帶寬。212路視頻圖像按1 080 P清晰度H.265編碼標準傳輸所需網絡帶寬為636 Mbps。暫按50%的帶寬利用率計算得出存儲設備網絡端口帶寬值為1 272 Mbps，則存儲設備所需的網絡端口數為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絡帶寬為128 Mbps，按50%的帶寬利用率計算得到大屏幕管理主機網絡端口帶寬值為256 Mbps。故大屏幕管理主機所需的網絡端口數為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；與辦公局域網互聯采用1個千兆端口，那么本系統核心層交換機所需要配置的端口數不得少于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。根據攝像機碼流和交換機端口數分別計算核心交換機的交換容量，并對計算結果進行比較。在H.264編碼標準下，核心層交換機需要同時處理212臺攝像機視頻數據所需的交換容量為1.696 Gbps。核心層交換機最小交換容量為90 Gbps。將兩個計算結果進行對比后發現，核心交換機在滿足系統需求和架構的同時，也能滿足對全網絡視頻數據的處理的需求。通過式（3）和式（5）的核算，能夠得出相同的結論。

4 結語

綜上所述，雖然在實際視頻監控系統建設過程中，交換機參數的選擇需要考慮安裝環境、應用行業、系統功能、網絡拓撲結構形式等其它因素的影響，但真正影響視頻監控系統延時和穩定性，以及視頻圖像的高清晰度的核心參數還是交換機的端口帶寬、交換容量、背板帶寬、包轉發率。通過本文的計算，以及總結出的判斷技巧，能夠便捷地確定視頻監控系統中各層級交換機端口帶寬、交換容量、背板帶寬、包轉發率的最低取值標準，幫助系統建設者通過優化交換機配置有效地控制系統建設成本。