鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)IPv6升級改造方案

趙 越，楊家田，王永崗，孫 強

(1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2. 中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段，合肥 230011）

1 概述

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術的出現(xiàn)，IPv4網(wǎng)絡地址資源匱乏問題逐漸成為限制互聯(lián)網(wǎng)技術進步的主要因素之一[1]。相較于IPv4，IPv6能夠提供更多的網(wǎng)絡地址資源，更高的路由效率和更好的服務質(zhì)量，因此向支持IPv6技術的網(wǎng)絡進行過渡是互聯(lián)網(wǎng)演進升級的必然趨勢。作為國家戰(zhàn)略性、先導性、關鍵性重大基礎設施[2]，鐵路率先推進IPv6網(wǎng)絡的升級改造和試點工作對其他行業(yè)的信息化建設具有十分重要的指導意義。

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為鐵路信息網(wǎng)的重要組成部分，在鐵路運輸生產(chǎn)和治安等方面發(fā)揮了巨大作用。隨著高速鐵路的持續(xù)建設以及現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的不斷改造，未來視頻監(jiān)控的規(guī)模仍會快速增長[3]，因此該系統(tǒng)對IPv6升級的需求將愈發(fā)迫切。

2 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀來制定適用的IPv6升級改造方案，該部分將從系統(tǒng)結構、主要設備情況和IP地址使用情況來進行詳細描述。

2.1 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個多級管理、多級轉(zhuǎn)發(fā)、多級存儲的大型網(wǎng)絡化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由視頻采集點、視頻匯聚點、視頻節(jié)點、承載網(wǎng)絡和視頻終端（視頻管理/監(jiān)控終端）組成，覆蓋了包括車站站房、站場、專業(yè)機房和區(qū)間線路在內(nèi)的主要區(qū)域。系統(tǒng)結構如圖1所示[4]。

2.2 主要設備情況

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要設備有IP攝像機、模擬攝像機、視頻編碼器、視頻解碼器、各類服務器以及監(jiān)控終端等。該系統(tǒng)的設備數(shù)量龐大且對IP協(xié)議的支持情況不同，具體情況如下。

1）視頻前端

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻采集所使用的攝像機為IP攝像機、模擬攝像機兩類。IP攝像機可以直接連接交換機傳輸視頻信息，且均支持IPv4配置，但只有2014年后生產(chǎn)使用的攝像機才開始兼容IPv6。模擬攝像機則是需要使用視頻編碼器進行信號編碼后再使用交換機傳輸視頻信息，該種方式要求視頻編碼器支持IP協(xié)議。

2）視頻服務器

視頻節(jié)點的服務器一般包括視頻存儲服務器、視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務器、視頻分析服務器、視頻管理服務器等。目前各級視頻節(jié)點的各類服務器大多支持IPv4、IPv6雙棧部署。

3）視頻終端

目前，各鐵路局及下屬部分客運專線所使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺為鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)V3.0，該軟件尚未對IPv6協(xié)議進行支持。

2.3 IP地址使用情況

截至2021年底，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)全路約有2 000個節(jié)點。視頻核心節(jié)點設立在中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”），數(shù)量為1個；視頻區(qū)域節(jié)點設立在各鐵路局，數(shù)量為18個；視頻接入節(jié)點設立在鐵路沿線的車間/站/段，根據(jù)管理需要分為I類和II類，其中I類視頻接入節(jié)點數(shù)量約為200個，II類視頻接入節(jié)點數(shù)量約為1 800個。此外，系統(tǒng)中還設置有視頻攝像機，數(shù)量約為20萬路，每年新增約3萬路。

該系統(tǒng)全部采用IPv4地址，已使用大約70萬個IP地址。由于IPv4地址的數(shù)量匱乏，繼續(xù)采用IPv4技術將無法對系統(tǒng)進行有效、統(tǒng)一的管理。未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設對IP地址的需求可能會超過100萬個，因而采用地址數(shù)量充足的IPv6技術來緩解這一現(xiàn)狀勢在必行。

3 IPv6發(fā)展需求分析

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于IPv6的需求，主要體現(xiàn)在外部系統(tǒng)互聯(lián)需求、視頻云存儲需求和一體化綜合視頻建設需求3個方面。

1）外部系統(tǒng)互聯(lián)需求

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)為鐵路調(diào)度、工務、車務、機務、客運等多個業(yè)務部門提供重要的視頻監(jiān)控服務[5]。未來鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)將與大量外部系統(tǒng)互聯(lián)，例如視頻會議系統(tǒng)、應急通信系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)、客/貨運服務系統(tǒng)、鐵路公安系統(tǒng)。

目前，鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)逐步推進IPv6建設，與鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在互通需求的上述系統(tǒng)正在陸續(xù)推進IPv6部署。為保證該系統(tǒng)與外部系統(tǒng)信息交互的高兼容性，有必要盡快對其實施IPv6的升級改造。

2）視頻云存儲需求

隨著鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，攝像機逐漸從模擬、數(shù)字向高清演進，系統(tǒng)中的視頻流量越來越大，視頻存儲時長的要求也普遍增加[6]。視頻云存儲作為新一代視頻存儲技術，具有強大的存儲能力與擴展能力。采用云存儲技術可以有效解決鐵路行業(yè)中視頻設備多、存儲容量大、維護成本高、升級擴容不便等問題[7]，支持IPv6的云存儲技術將成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流存儲技術，開展鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的IPv6建設對鐵路視頻存儲云化的發(fā)展意義重大。

3）一體化綜合視頻建設需求

一體化綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設從全接入，優(yōu)布局、大節(jié)點，延存儲，同協(xié)議，高可靠，便使用，提智能。重配套幾個方面進行推進。“全接入”將大大增加視頻終端和其他設備的總數(shù)，導致該系統(tǒng)對IP地址的需求大幅增多；“優(yōu)布局、大節(jié)點”則要求增大單節(jié)點接入規(guī)模，這會對每個節(jié)點所能分配的IP地址數(shù)量有很高要求，現(xiàn)IPv4的地址匱乏問題已經(jīng)非常嚴重，難以滿足未來設備大量接入的需求；“同協(xié)議”直接要求了該系統(tǒng)未來需要支持IPv6協(xié)議；“高可靠”“便使用”“提智能”和“重配套”提出未來要著眼于網(wǎng)絡安全的保障和智能化應用的研發(fā)，而IPv6因其具有的高安全性和高擴展性可以為之賦能。綜上所述，IPv6技術的引入現(xiàn)已成為一體化視頻發(fā)展的前提條件之一。

4 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)IPv6升級改造方案

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)IPv6升級改造方案分為設備改造方案、IP地址劃分方案和過渡技術方案。

4.1 設備改造方案

現(xiàn)網(wǎng)中的IP攝像機可根據(jù)使用情況來對僅支持IPv4的攝像機進行更換，模擬攝像機則不再進行IP改造，直接新建支持IPv6的網(wǎng)絡。現(xiàn)網(wǎng)中的主機和服務器等設備要求支持雙棧配置，對不支持雙棧技術的設備進行替換。目前系統(tǒng)中使用的視頻監(jiān)控平臺不支持IPv6，需要重新進行開發(fā)和部署。

4.2 IPv6地址劃分方案

鐵路IPv6地址長度為128位，由網(wǎng)絡前綴、子網(wǎng)ID和主機ID 3段組成，采用的是本地地址(Local IPv6 Unicast Addresses，ULA)。

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)IPv6地址分配方案如下。

1）網(wǎng)絡前綴

IPv6地址的從左至右第1～32位，共32位，其值固定為FD00::/32。

2）子網(wǎng)ID

IPv6地址的從左至右第33～64位，共32位，按照分層原則逐級劃分為4個級別標識[8]。

一級標識：第33～36位，共16個/36地址段，標識號0～F（二進制為0000～1111），用于標識地址所屬的信息網(wǎng)絡。鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的本級標識號十六進制為5，二進制為0101。

二級標識：第37～44位，共256個/44地址段，標識號00～FF（二進制為00000000～11111111），以每4位一組進行標識。本級標識按地址所屬的區(qū)域來進行分配，即該級標識用于標識國鐵集團和各鐵路局，如國鐵集團本級的標識號十六進制為00，二進制為00000000。

三級標識：第45～52位，共256個/52地址段，標識號00～FF（二進制為00000000～11111111）。鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)本級標識號的十六進制為06～0F，二進制為00000110～00001111。該級標識的具體分配方案如表1所示。

表1 三級標識分配方案Tab.1 Plan for the ID assignment of Level 3

四級標識：第53～64位，共4096個/64地址段，標識號000～FFF（二進制為000000000000～111111111111）。

根據(jù)鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)一體化建設中“優(yōu)布局、大節(jié)點”的要求，取消II類視頻接入節(jié)點，增大單節(jié)點接入規(guī)模。該級標識代表各鐵路局所轄區(qū)域內(nèi)的視頻接入節(jié)點，即各大車站、路段。視頻核心節(jié)點（國鐵集團）與視頻區(qū)域節(jié)點（鐵路局）該級標識號為000（二進制為000000000000），各個視頻接入節(jié)點（車站、路段）標識號為001～FFF（二進制為000000000001～111111111111）。該方案分配方式可支持每個視頻區(qū)域節(jié)點下最多接入4 095個視頻接入節(jié)點，完全可以滿足系統(tǒng)需求。

3）主機ID

從左至右第65～128位，共計64位為主機ID。鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用手工配置靜態(tài)地址。

4.3 過渡技術方案

1）方案1：雙棧+隧道技術

6VPE是一種承載IPv6的MPLS VPN技術，可以在保持原有BGP MPLS IPv4網(wǎng)絡不做大變動的情況下進行向IPv6的過渡，可以看成是在MPLS VPN技術基礎上針對IPv6進行了擴展[9]。使用6VPE技術，對現(xiàn)有鐵路網(wǎng)絡造成影響較小且實現(xiàn)較為簡單。

采用該方案時，將鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)在車站設置的三層交換機作為客戶側邊緣（Customer Edge，CE）設備接入鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的網(wǎng)絡側邊緣（Provider Edge，PE） 設 備。PE設 備 與 CE設備之間通過靜態(tài)路由協(xié)議交換路由信息。該方案中，只需要鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的PE路由器支持IPv4/IPv6雙棧技術和隧道技術即可。方案的系統(tǒng)組網(wǎng)方式如圖2所示。

2）方案2：雙棧+轉(zhuǎn)換技術

NAT64+DNS64是一種通過轉(zhuǎn)換的方式來實現(xiàn)IPv6 與IPv4網(wǎng)絡互通的過渡技術，NAT64執(zhí)行IPv6、IPv4間的地址轉(zhuǎn)換和協(xié)議轉(zhuǎn)換，DNS64執(zhí)行域名地址解析，二者需要結合起來使用[10]。

采用該方案時，需要將視頻接入節(jié)點的三層交換機與NAT64設備和DNS64設備連接，其中NAT64設備用于地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換，DNS64設備用于IPv6 DNS解析。該方案需要增加上述兩種設備（新增設備需要做冗余備份），方案的組網(wǎng)方式如圖3所示。在視頻區(qū)域節(jié)點和視頻核心節(jié)點之間，同樣采取視頻接入節(jié)點和視頻核心節(jié)點的組網(wǎng)方式部署NAT64和DNS64設備。

3）方案選擇

方案1的6VPE技術一般用于實現(xiàn)IPv6跨越IPv4網(wǎng)絡的通信，支持多點對多點的互聯(lián)，還可以提供IPv6 VPN隔離，技術成熟。采用方案1時，只需要隧道兩端的設備支持IPv4/IPv6雙棧即可，成本低，適合大規(guī)模部署。通過6VPE的配置，可以使現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡能夠承載IPv6協(xié)議封裝的音頻數(shù)據(jù)，也可以滿足過渡期間與外部系統(tǒng)互通的需求。相較于方案2，轉(zhuǎn)換技術不僅需要在系統(tǒng)接入端部署NAT64和DNS64設備，還需要解決防火墻等問題，成本較高，也較為復雜。此外，目前的鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻區(qū)域節(jié)點至視頻接入節(jié)點之間、I類視頻接入節(jié)點至II類視頻接入節(jié)點之間、視頻接入節(jié)點至車站視頻匯聚之間均采用MPLS VPN進行業(yè)務傳輸與隔離，通過6VPE進行過渡對系統(tǒng)改造較小，所以更加建議使用方案1。

對于現(xiàn)有鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，建議先進行視頻核心節(jié)點與視頻接入節(jié)點的IPv4/IPv6雙棧改造，然后再對視頻前端與視頻終端進行適應性改造，而對于新建的鐵路視頻系統(tǒng)則建議直接部署支持IPv4/IPv6雙棧的網(wǎng)絡。

5 總結

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的IPv6升級改造將是一個長期且復雜的過程。對于IP地址劃分，在地址段中標識出設備屬性可以大大提升地址可讀性和可管理性。對于過渡技術選擇，采取雙棧技術與隧道技術結合的方案可以在兼顧現(xiàn)網(wǎng)、保障業(yè)務的前提下，降低改造成本，利于分階段進行實施。隨著該系統(tǒng)IPv6升級改造的進行，將推動下一代鐵路視頻云存儲技術、一體化視頻以及“視頻＋業(yè)務”應用的發(fā)展，并為之帶來強大的技術支持。