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1000路大型监控系统该如何设计?如何选择交换机?
2019-08-16

   经常有朋友提到,大型监控项目该如何来设计?比如1000路监控该如何规划呢?本期我们主要从硬件配置的角度来探讨,如何实现1000路视频监控应用。

要实现1000路监控显示,主要有四个问题:
1、用什么摄像机?
2、1000路监控如何选择交换机?如何组网?
3、1000路如何合理安排存储?
4、1000路监控如何显示?
我们来逐一分析。

   如何选择摄像机,1000路大型监控项目中,可能用到的摄像机不止一种,需要根据环境会选择不同的摄像机,我们来看下各摄像机的用途。我们常用的会根据摄像机的外形进行分类。

1、枪式摄像机:吊装、壁装均可,室外安装一般要加配防护罩。一般安装在通道内,厂房或者停车场等室外区域。主要应用于没有灯光或照度低的地下库、仓库、监控城市道路、小区室外环境等。

2、球型摄像机:实际上就是“一体化机芯(变焦镜头+摄像机)+护罩+云台+云台协议解码器”,一般使用在室外或者室内面积比较大、范围比较广的场合。
3、半球形摄像机:安装方式是吸顶安装。大多用于室内小范围的监控场合,没有灯光或者灯光较暗的半公共区、酒店走廊、医院、小区、电梯、室内大厅等场所。
4、红外一体机:红外一体是一种具备红外夜视探照头的监控摄像机。 该摄像机已经广泛的应用于日夜及大范围摄像的环境,如:小区,超市,广场,银行,工厂,军营学校等场所。


   实际项目中,可根据应用场景来选择合适的摄像机。另外,摄像机有不同分辨率,对应码率也不一样,在实际选型的时候也需要注意,具体参照图2。

图2常见摄像机分辨率、码率关系对照参考表

   1000路的监控项目,其重点就是交换机的选择了,这里我们选用三层网络结构,网络结构为接入层‐汇聚层‐核心层。相对两层网络架构,三层架构网络组网规模更大,传输距离更远,网络可拓展性更强。


拓扑图如下:

图3  1000路视频传输系统拓扑图

那么各层交换机如何选择呢?
   1000路的大型监控系统,如果交换机分配不合理,时常会出现卡顿或掉线,甚至造成系统瘫痪。所以合理的选择和分配接入层、汇聚层、核心层交换机至关重要。


一、1000路监控接入层交换机的选择
   接入层是前端采集设备与传输系统的接口,交换机需易于使用和安装,同时兼具安全性,确保入口数据的安全。当然在设计上,主张使用性价比高的设备。接入层交换机选型设计注意要点如下:

  • 单个摄像机码流一般是按4Mbps计算,峰值是6-8M,选型的时候需要考虑到峰值。

  • 传输带宽利用率在60%左右,100M的也就60M左右。

  • 综上两点,一个百兆交换机一般可以带8路摄像机,8路以上摄像机需采用千兆上联交换机。

  • 根据前端的布局方式集中或者分散,可能会采用8到24不同口数的交换机。根据安装环境的不同,还可能会用到工业级交换机。

二、汇聚层交换机的选择

汇聚层承上启下,压力较大,需要考虑同时处理的监控查看的带宽。
条件1、交换机带宽,如果1000路摄像机,汇聚层有8台交换机的话,则每台需要同时处理 125 只摄像机的 4M 码流(125* 4M=500M),也就意味着汇聚层交换机需要支持同时转发500M以上的交换容量。 这样的话一般的千兆交换机可以说是比较充足的。

条件2、汇聚层交换机的背板带宽,每台汇聚层交换机至少会接入来自接入层的5台千兆交换机,我们为了保证带宽充足,则交换机背板带宽要求为:
  (5*1000M*2)/1000=10Gbps 的背板带宽。

条件3、包转发率:一个 1000M 口的包转发率为 1.488Mpps/s,汇聚层下接 则汇聚层的交换机交换速率为:5*1.488Mpps/s=7.44Mpps。


根据以上条件得出: 当有1000路摄像机接入网络时,汇聚层需要满足背板带宽不少于10Gbps,包转发率大于7.44Mpps。
   我们可以至少需要8口全千兆交换机,且背板带宽不少于10Gbps,包转发率大于7.44Mpps。


例如:这款24口全千兆交换机比较符合汇聚层要求。

交换机容量与包转发率都是比较充足的。



三、核心层交换机的选择
核心交换机主要承担数据转发和网络架构设置功能,对交换能力、网路管理功能、稳定性要求也更高。另外,因为存储设备是在核心层上,需要考虑交换机的交换容量以及到核心链路的带宽和高速转发能力。所以要满足以下条件:
 
带宽:1000路监控的带宽至少为1000*4Mbps=4000Mbps,核心交换机建议选择高带宽的千兆或万兆交换机,上联端口为万兆,才能使数据通畅。
 
背板带宽:核心交换机至少会有8个来自汇聚层的千兆接口、2个上联的万兆端口,以及4个可能接入其它的千兆端口,所以一共有12个千兆口与2个万兆口,为了保证带宽充足,则交换机背板带宽要求为:
(12*1000M*2+2*10000*2)/1000=64Gbps的背板带宽。
 
包转发率:一个千兆口的包转发率为1.488Mpps/s,一个万兆口的包转发率为14.88Mpps/s,为了保证能够线速转发,则至少会有12个千兆口与2个万兆口,则核心交换机交换速率为:
12*1.488Mpps/s+2*14.88Mpps/s=47.56Mpps。
 
根据以上条件得出:当有1000路摄像机接入网络时,核心层交换机至少需要满足背板带宽不少于64Gbps,包转发率大于47.56Mpps。

除此之外,核心交换机还需要考虑系统的可扩展性、插槽数量、模块类型、模块冗余、路由冗余等,才能保证1000路监控的数据高速交换。

   要解决1000路监控存储,光靠NVR和硬盘是不行的,这里面我们要用到IP SAN存储产品,IP SAN也算是SAN的一种,只是服务器和存储之间通过网络交换机互联,性能不算最好,但不受距离的限制。SAN是超大容量,可以接上百路,但价格很贵,所以我们选择ip SAN,它是以块作为存储的,你可以认为它是含阵列功能的硬盘,其实就是磁盘阵列+硬盘。

1、数据存储
那么,当涉及到1000 路全高清IP监控时,到底有多少数据需要存储呢?网络摄像机,每秒可产生约4Mb的30FPS的视频流。每台NVR有42路的实时视频流,1000路高清视频流全部传输到APT 双控10Gb磁盘阵列的话,每秒则产生4Gb的惊人数据量。


如何解决整体方案中的稳定性以满足7X24小时的不停工作。
一个码率为4M的摄像头一天的存储量为48G左右。


那么1000个7天的存储量为:
1000个摄像*48G*7=395136G=328T左右。
以市场上4T硬盘计算,它在电脑上显示约3700GB,h.265编码格式,则可以使用96块硬盘,完全够用。


如何利用这96块硬盘以满足24台NVR系统传来的视频流呢?
每几块硬盘组成一个RAID组,而不是将这96块硬盘组成一个巨大容量的RAID组。
因此,这96块硬盘可以每4块硬盘组成一个RAID5,组成24个RAID组。
我们采用16盘位的网络存储IP SAN磁盘阵列,6台可以解决。

而对于大型公共监控的要考虑其扩展性、易管理性,所以采用IP SAN的解决方案。

1000路监控如何显示,大型监控一般都会选择使用监控显示墙。

中心就要有管理平台,需要配置综合监控一体化平台,解码能力强,功能更强大,上墙预览的数量看需求,不需要全部上完,可以做轮巡。

图7 1000路视频监控显示

1000路监控还有一个关键点就是ip地址的分配与设置,这个后面会提到。

总的来说,1000路视频监控系统的设计原则是:以系统稳定可靠、拓展性强为前提,要求监控画面不卡顿、图像不中断,安全不泄密。在规划和架构网络系统时,要综合摄像机码流、网络带宽、传输数据量、具体网络环境,以及用户对监控系统的具体要求等因素,合理规划设计,并选择合适的监控设备。