Разработка логической и физической топологии системы видеонаблюдения
В компьютерных сетях расположение оборудования называют топологией сети, которая определяет требования к оборудованию, типу связи и т.д. Различают физическую и логическую топологию сети. Топологией логической сети называют топологию, которая определяет направления потоков между узлами связи и способы передачи данных. Топологией физической сети принято называть схему расположения оконечного оборудования, кабельных трасс и точек беспроводного соединения. Среди базовых топологий различают: «шина», «кольцо», «звезда». Для систем видеонаблюдения в основном применяются древовидное соединение, изображено на рисунке 3.6, и соединение типа «звезда», изображено на рисунке 3.7.
Рисунок 3.6 – Древовидное соединение сети
Рисунок 3.7 – Соединение типа «звезда»
В разрабатываемом проекте применяется древовидное соединение, которое позволяет структурировать системы в соответствии с функциональным назначением элементов сети. Логическая схема сети представлена на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8-Топология сети проекта
Топология логической сети разрабатывается на основе информации о 3 составляющих:
− величина максимального потока, создаваемого всеми видеокамерами системы видеонаблюдения;
− величина максимального потока, который способна транслировать сеть (пропускная способность);
− величина максимального потока на один порт, который способно обеспечить сетевое оборудование.
Для определения скорости информационного потока от каждой камеры воспользуемся таблицами 3.1 и 3.2.
Выбор кодека потокового (Н.264) или покадрового (MJPEG) сжатия, определим проведя их сравнение.
Суммарную скорость информационных потоков от всех IP-видеокамер определяем, как:
 | (3.1) |
где 
- суммарная скорость потоков от всех видеокамер;
- скорость j-го «потока» от i /-ой видеокамеры;
- общее количество «потоков», передаваемых камерой;
- общее количество IP-видеокамер.
Для увеличения надежности работы сети, в части предотвращения непредвиденных перегрузок от изменения интенсивности движения перед видеокамерами, целесообразно значение скорости потока увеличить на 30 %.
 | (3.2) |
Пропускная способность сети определяется выбранной средой передачи сигнала. В качестве среды передачи сигнала используются различные виды кабелей: коаксиальный кабель, кабель на основе экранированной и неэкранированной витой пары и оптоволоконный кабель.
Для разработки системы видеонаблюдения используется кабель сетевой FTP cat 5E 305m solid (AWG26) пропускной способностью до 1000 Мбит/с.
Исходя из суммарной скорости информационного потока от всех IP-видеокамер ( 
) выбранной пропускной способности сети (W), можно определить количество информационных подсетей, которые необходимо создать. Такое количество подсетей обеспечит доставку видеосигналов от видеокамер до сервера без видимых задержек.
 | (3.3) |
где 
– количество подсетей;
- суммарная скорость потоков от всех видеокамер;
- пропускная способность сети;
0,8 - коэффициент, характеризующий максимально допустимую загрузку сети (80%).
Таблица 3.1 - Скорость потока Мбит/с для кодека Н.264
| Разрешение камеры | Размер кадра (пиксель) | Частота кадров | ||
| 24 к/с | 12 к/с | 6 к/с | ||
| 1,9 Мп | 1600X1200 | 6,03 | 3,42 | 1,99 |
| 2,1 Мп | 1920X1080 | 6,51 | 3,69 | 2,15 |
| 3 Мп | 2048X1536 | 9,86 | 5,59 | 3,24 |
Таблица 3.2 - Скорость потока Мбит/с для кодека MJPEG
| Разрешение камеры | Размер кадра (пиксель) | Частота кадров | ||
| 24 к/с | 12 к/с | 6 к/с | ||
| 1,9 Мп | 1600X1200 | 67,53 | 33,97 | 17,05 |
| 2,1 Мп | 1920X1080 | 72,93 | 36,69 | 18,41 |
| 3 Мп | 2048X1536 | 110,62 | 55,64 | 27,92 |
При построении сети используется активное оборудование, предназначенное для разделения/объединения потоков и трансляции их от видеокамеры до сервера (серверов).
Разделение/объединение потоков осуществляют коммутаторы, которые бывают двух типов, изображены на рисунке 3.9 и на рисунке 3.10.
Рисунок 3.9- Простой коммутатор
Рисунок 3.10- Коммутатор с комбо-портом
Рисунок 3.11 – Определение максимального потока на порт
Максимальная загрузка порта коммутатора определена в его технических характеристиках. При загрузке всех портов коммутатора общий информационный поток не должен превышать значение максимальной пропускной способности коммутатора. Для выполнения этого условия нужно определить максимально допустимую скорость потока на каждый порт.
При использовании простого коммутатора в сети, когда ко всем портам кроме одного подключены видеокамеры, а оставшийся порт подключен к другому коммутатору, коммутатор № 2, изображен на рисунке 3.11, максимальный допустимый поток на один порт определяется как:
 | (3.4) |
Если оставшийся порт подключен к магистрали, коммутатор № 1, изображен на рисунке 3.11, то максимальный допустимый поток на порт определяется как:
 | (3.5) |
где 
- максимальная скорость для одного порта у коммутатора № 1 (2) (Мбит/с);
- общее количество портов;
- пропускная способность сети (Мбит/с);
0,8 - коэффициент, характеризующий максимально допустимую загрузку сети (80 %).
Если задействовать в коммутаторе комбо-порт, максимальная скорость через каждый порт может быть определена следующим образом:
 | (3.6) |
где 
- максимальная скорость для одного порта (Мбит/с);
- пропускная способность сети (Мбит/с);
- общее количество портов.
Из вышесказанного следует, что видеокамера должна быть настроена таким образом, чтобы ее поток не превышал расчетное значение скорости потока через порт коммутатора, к которому она будет подключена.
На основе всех выше описанных формул, рассмотрим построение топологии логической сети.
В нашей сети задействованы 32 камеры размером кадра 1920х1080 с частотой 24 к/с, также сравним кодеки H.264 и MJPEG, при построении используется коммутаторы с комбо-портом. Сеть строится на кабеле сетевом FTP cat 5E, пропускная способность которого 1000 Мбит/с [7].
Все расчеты логической топологии приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Расчет топологии логической сети
| Кодек H.264 | Кодек MJPEG | |
| Скорость потока для одной камеры | 6,51 Мбит/с | 72,93 Мбит/с |
| Общий поток от 32 камер | 32  6,51=208,32 Мбит/с | 32 72,93=2333,76 Мбит/с |
| Скорость потока порта коммутатора |  |  |
| Окончание таблицы 3.3 | ||
| Максимальная скорость для одного порта (см. формулу 3.6) |   | |
| Количество подсетей |   |  |
Исходя из расчетов, описанных выше можем сделать вывод о том, что для разрабатываемого проекта необходимо выбрать кодек H.264, так для всего здания будет необходимо построить одну подсеть. А также одним из аспектов, почему был выбран кодек H.264 является то что скорость потока порта коммутатора не превышает максимальную скорость.
Физическая топология сети жестко связана с местами установки видеокамер и путями прокладки кабельных коммуникаций до помещения серверной или мониторной поста охраны. В связи с этим, физическую топологию сети начинают проектировать, используя поэтажный план или план территории, где указаны места установки видеокамер.
Основные проблемы, которые возникают в процессе разработки физической топологии, следующие:
− длина от камеры до коммутатора превышает допустимые значения расстояний 80-100 метров;
− питание по POE ограничивается большими расстояниями или сеть не поддерживает использование POE.
Таблица 3.4 –Классы PoE
| Класс | Вт на порт PoE | Вт на устройство |
| 15,4 | от 0,44 до 12,95 | |
| 4,5 | от 0,44 до 3,84 | |
| от 3,84 до 6,49 | ||
| 15,4 | от 6,49 до 12,95 |
В реализуемой системе видеонаблюдения, основываясь на данных таблицы 3.4 и характеристик коммутатора, применяется оборудование 1 класса, так как потребляемая мощность видеокамеры равна 5 Вт, а коммутатора 15,4 Вт.
При длине от камеры до коммутатора больше 80-100 метров, прежде всего, нужно попробовать сгруппировать камеры по принципу минимального расстояния до мест размещения активного оборудования или перенести активное оборудование в другое место, ближе к видеокамерам.
На основе выше изложенного разработана физическая топология, приложение Б.