视频监控系统中交换机核心参数的选择

刘帅

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

图像显示的清晰度、系统延时和稳定性问题是视频监控系统使用者最为关心的问题。随着IP技术引入视频监控系统，网络型数字化视频监控系统因其具有优异的实时性、清晰度、稳定性、兼容性和扩展性，成为当代视频监控系统建设的主流方案。网络型数字化视频监控系统主要由前端视频采集设备、中间传输设备、后端显示与控制设备三大部分组成，其中，中间传输设备（即交换机）的性能对系统延时和稳定性起到了重要作用。

1 交换机参数

交换机作为网络型数字化视频监控系统传输设备核心，其费用占整个系统建设投资的一半。因此选择合适的交换机是系统建设的重点，除了要考虑各层交换机的传输端口数量外，还必须考虑直接影响交换机传输能力的重要参数，如交换容量、背板带宽、包转发率、线速转发等。

1.1 交换容量/背板带宽

作为衡量交换机数据交换能力的重要指标，交换容量和背板带宽虽然都是指交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量，但是两者之间依旧有细微的差别。

1）交换容量（单位为Gbps）可根据式（1）计算：

式中：所有端口带宽均按每个端口的最大值来计算，“端口总容量×2”表示所有端口都按全双工配置。不难发现，交换机的交换容量是随着交换机端口配置的变化而变化的，因此可以根据系统配置进行调整。

2）背板带宽是模块化交换机上的概念，其数值主要由交换机所采用的交换芯片决定；是某一类型交换机出厂时就已经固化的参数，而固定端口交换机并不存在这个概念。目前，市面上所提供的固定端口交换机的背板带宽与其交换容量大小相等[1]。

1.2 包转发率

包转发率(单位为pps）是交换机另一个重要参数，其表示了交换机能同时转发的数据包数量，即交换机每秒可以转发多少百万个数据包(Mpps)[2]。一些资料上也把包转发率称为吞吐率，但吞吐率更多是出现在路由器的参数表内。交换机包转发率又有二层包转发率和三层包转发率之分。根据TCP/IP协议组，二层指代链路层（L2），三层指代网络层（L3），即只有具备路由功能的交换机才存在三层包转发率。作为一个企业内部视频监控系统网络，只有在需要与办公网或工业控制系统网络进行垮网段数据调用时，才会使用到三层交换机。

1台交换机在出厂时，生产厂家都会提供1个标称包转发率数值，但这个标称值并非该交换机的实际包转发率。实际包转发率可以通过式（2）计算：

式中：端口线速包转发率是指单位时间内发送64 byte数据包（最小包）的个数。而以太网中数据包的传送是以帧的形式进行发送，因此在实际计算中，还必须考虑8 byte的帧头和12 byte的帧间隙的固定开销。端口线速包转发率按照式（3）计算：

根据上述公式，可以计算出视频监控系统中常用的几种端口线速包转发率值(表1）。

表1 不同端口线速包转发率Mpps

1.3 线速转发

除交换机的交换容量、背板带宽和包转发率这3个直接影响视频监控系统数据传输速率的参数以外，还需要考虑交换机的另一个隐含因素——是否支持全端口满配线速转发。而判断1台交换机是否支持全端口满配线速转发，需要计算出1台交换机的实际交换容量和包转发率，并与交换机参数的标称值进行对比：当两个计算值均小于标称值时，该交换机支持全端口满配线速转发；反之该交换机是有阻塞的结构设计。

2 监控摄像机的码流

虽然交换机品牌供应商通常声称其品牌下全系交换机均支持全端口满配线速转发，但是通过仔细对比不难发现，即使端口配置相同的二层交换机，其交换容量、背板带宽和包转发率仍然存在差异。在实际工程建设中，要判断哪款交换机更适合，还需从监控摄像机的码流入手进行分析。

码流也称码率，是视频编码种画面质量控制中最重要的部分[3]，也是衡量视频文件传输的重要指标，其直接反映了视频文件在单位时间（1 s）内使用的数据流量[4]。为满足视频图像能在局域网和广域网中同时传输，高清摄像机会同时产生两个高低不同像素的码流，即主码流和子码流。主码流和子码流之和才是一路视频图像的真实码流值。其中，主码流主要在局域网中传输，适合本地高清存储；子码流因为降低了像素和分辨率，使得它更适合在广域网中传输，保证异地用户在访问前端摄像机时，获得更高的图像流畅度。

理论上，在分辨率相同的情况下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就会越高。但是大码流传输会带来传输网络的高负荷[5]。而随着摄像机清晰度和像素值的不断提高，为降低网络负荷，H.264和H.265视频编码标准已成为目前视频监控系统设备采用的主要编码标准。表2列举了目前市场上不同分辨率的HD摄像机在H.264和H.265视频编码标准下的码流理论值。

通过表2可知，在相同的分辨率下，通过H.265编码的视频码流比H.264编码的视频码流小接近40%。当然这只是一个理论值，在实际使用过程中，不同编码标准所带来的码流变化还受诸多其他因素的影响。

表2 H.264和H.265的码流对照

3 视频监控系统中交换机参数的选择

在实际工程项目中，由于视频监控系统的组网方式、建设规模和管理模式存在差异，系统中交换机的参数也随之存在多种选择方案。但无论选择哪种方案，交换机的交换容量、背板带宽、包转发率选择始终无法绕开视频监控系统的码流需求。下文以某工业企业视频监控系统为例，通过分析该系统中码流与交换容量、背板带宽、包转发率之间的联系，来确定该系统中交换机参数的选择。

3.1 系统功能和架构

某企业视频监控系统，见图1，主要是对生产操作和生产过程进行监控，辅助ERP、MES、APS、WMS、QIS等应用系统，使生产管理人员和企业管理人员能更直观地掌握生产过程中的生产环境信息和设备运行情况。

图1 视频监控系统架构

该系统采用树型网络拓扑结构，即核心层+汇聚层+接入层的结构形式，一级管理模式，接入层交换机水平布线半径按50 m进行设计。前端摄像机分辨率均为400万像素，全厂共有各类摄像机212台。前端摄像机由监控中心统一管理，并负责视频数据的存储和显示。后端显示采用LED大屏幕显示系统，支持16路4MP清晰度图像实时解码显示；存储采用磁盘整列（RAID），视频图像按1 080 P清晰度H.265编码标准连续保存；配置1台管理终端服务器。各层级交换机间干线采用单模光缆，接入层交换机至前端摄像机信号电缆采用UTP CAT.5e电缆。

3.2 接入层和汇聚层交换机参数的选择

以该系统中1台满配的8口接入层交换机为例，论证如何通过视频监控系统的码流来确定该交换机在满足线速转发的前提下，其上行端口带宽、交换容量和包转发率的下限值。根据表2中数值，本系统中单台摄像机在H.264和H.265编码标准下，码流分别为8 Mbps、4.8 Mbps。网络带宽按照式（4）进行计算：

通过式（4）可以计算出1台8口接入层交换机在不同的编码标准下带宽需求分别为64 Mbps和38.4 Mbps。这个带宽值仅是摄像机将视频信息上传到监控中心所需上行的最小限制带宽。而交换机的带宽利用率通常不超过理论值的80%，实际工程中交换机的实际带宽一般为理论值的50%～70%。因此1台满配的8口接入层交换机所需的上行带宽范围应根据式（5）进行计算：

式中：N表示该台交换机同时被N个用户访问。

根据系统功能要求，系统存在大屏幕管理主机和管理工作站2个访问用户，企业管理者暂按1个访问用户考虑。通过公式（5）计算可得，本系统内8口接入层交换机的上行带宽在H.264和H.265编码标准下的范围值分别为365.60～512.00 Mbps和219.44～307.20 Mbps。

考虑到前端摄像机所监视的环境会出现移动物体等突发情况，而导致视频码流瞬间提升的因素，因此8口接入层交换机的上行端口（WAN端口）至少选择千兆端口。利用式（5）所计算的结果代入式（3）中，可以计算出该交换机上行端口的线速包转发率在H.264和H.265编码标准的取值范围分别为：0.544～0.762 Mpps和0.326 4～0.457 2 Mbps，对照表1确定上行端口（WAN端口）至少选择千兆端口。在确定了该台交换机各端口带宽后，根据式（1）和式（2）计算得出该台接入层交换机在满足线速转发功能时，其交换容量不应低于3.6 Gbps，包转发率不应低于2.7 Mpps的结论。同理，可以计算得出本视频监控系统其它接入层和汇聚层交换机在满足线速转发的前提下，其上行端口带宽、交换容量和包转发率的下限值，其中汇聚层交换机上行端口均必须选择万兆端口。

3.3 核心层交换机参数的选择

由于系统功能需求包括“企业管理者能通过办公电脑访问视频监控系统内前端摄像机的数据”，而办公电脑均接入在企业办公局域网内，该网络与视频监控系统为两套平行的网络，因此该系统的核心层交换机必须工作在OSI网络标准模型的第三层：网络层，从而确定了本系统的核心层交换机必须采用三层交换机。

1）核心层交换机的端口数量的确定。在计算核心层交换机的交换容量、背板带宽、包转发率之前，需先确定核心层交换机的端口数量。从图1的系统架构可以看到，本系统的存储、管理、视频解码上墙等设备均连接在核心交换机上。根据表2和式（4），分别计算出212路视频图像按1 080 P清晰度H.265编码标准传输所需网络带宽以及16路4 MP清晰度图像在H.264编码标准下实时解码显示所需网络带宽。212路视频图像按1 080 P清晰度H.265编码标准传输所需网络带宽为636 Mbps。暂按50%的带宽利用率计算得出存储设备网络端口带宽值为1 272 Mbps，则存储设备所需的网络端口数为1个万兆端口或2个千兆端口。16路4 MP清晰度图像在H.264编码标准下实时解码显示所需网络带宽为128 Mbps，按50%的带宽利用率计算得到大屏幕管理主机网络端口带宽值为256 Mbps。故大屏幕管理主机所需的网络端口数为1个千兆端口。

管理工作站为1台PC机，暂定核心交换机为其配置1个千兆端口；与办公局域网互联采用1个千兆端口，那么本系统核心层交换机所需要配置的端口数不得少于4个万兆端口（用于连接汇聚层交换机）+5个千兆端口。

2）核心交换机的交换容量计算。根据摄像机码流和交换机端口数分别计算核心交换机的交换容量，并对计算结果进行比较。在H.264编码标准下，核心层交换机需要同时处理212台摄像机视频数据所需的交换容量为1.696 Gbps。核心层交换机最小交换容量为90 Gbps。将两个计算结果进行对比后发现，核心交换机在满足系统需求和架构的同时，也能满足对全网络视频数据的处理的需求。通过式（3）和式（5）的核算，能够得出相同的结论。

4 结语

综上所述，虽然在实际视频监控系统建设过程中，交换机参数的选择需要考虑安装环境、应用行业、系统功能、网络拓扑结构形式等其它因素的影响，但真正影响视频监控系统延时和稳定性，以及视频图像的高清晰度的核心参数还是交换机的端口带宽、交换容量、背板带宽、包转发率。通过本文的计算，以及总结出的判断技巧，能够便捷地确定视频监控系统中各层级交换机端口带宽、交换容量、背板带宽、包转发率的最低取值标准，帮助系统建设者通过优化交换机配置有效地控制系统建设成本。