Использование коммутаторов при построении сети.
Проблема обеспечения передачи сигналов от видеокамер в сети является одной из ключевых при построении систем видеонаблюдения.
В современной литературе достаточно широко и подробно описаны способы получения видеосигнала, то есть, преобразования оптических сигналов в электрические. Также специалистам хорошо известны современные устройства, обеспечивающие обработку и хранение информации, — видеорегистраторы и серверы.
Однако есть еще необходимость передачи сигналов от видеокамер до устройств, обеспечивающих хранение и архивирование видеоинформации.
Как для аналоговых, так и для цифровых сигналов характерны одни и те же проблемы: затухание (потеря мощности сигнала, после того, как он пройдёт определённое расстояние), шумы и наводки.
Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный поток, характеризующийся изменением частоты и амплитуды. Когда сигнал затухает, его амплитуда должна быть увеличена. Усилитель повышает общий уровень сигнала в линии, в том числе, и уровень шумов. Каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал. В конце концов, наступает момент, когда усиливать больше нельзя, так как шумы становятся соизмеримы с полезным сигналом. Регенерировать аналоговые сигналы невозможно.
Обычно при передаче сигнала по коаксиальному кабелю из-за высокого значения коэффициента затухания требуется установка ретрансляторов через каждые 50-1000 м. При передаче сигнала по витой паре применяется следующее передающее оборудование:
— пассивное симметрирующее устройство, устанавливаемое на передающей стороне с дальностью передачи видеосигнала до 500м;
— активное устройство с размахом выходного напряжения до 3В и дальностью передачи до 1000 м;
— активное устройство с размахом выходного напряжения до 18В и дальностью передачи до 2000 м.
При создании видеосистем подобного типа сигнал от камеры по коаксиальному кабелю или витой паре для обработки передаётся на мультиплексоры или видеорегистраторы, имеющие, как правило, 8, 16 или 32 входа. Нетрудно посчитать, что стоимость ретрансляторов сигналов и проводов, особенно при создании систем видеонаблюдения протяжённых объектов (например, промышленных предприятий), составляет немалую часть стоимости всей системы.
Цифровые сигналы состоят из дискретных значений. Цифровой сигнал может принимать только два значения, при этом разрешены некоторые отклонения от этих значений. Для передачи цифровых сигналов на большие расстояния используются активные цифровые устройства – коммутаторы, которые передают сигнал дальше с уровнем исходного сигнала. То есть, имеется возможность регенерировать цифровой сигнал при каждом преобразовании.
Построение сети с помощью коммутаторов переводит её на новый, более высокий уровень. Ведь для организации резервирования передачи видеосигнала по направлению, что следует учитывать в высоконадежных системах видеонаблюдения, необходимо разделять видеосигнал, применять переключатели видеопотока, рассчитывать систему передачи видеосигнала таким образом, чтобы минимизировать потери данных при обрывах кабельных линий.
Коммутаторы не только улучшают качество сигнала, но и собирают сигнал от нескольких источников и обеспечивают его передачу на определённое расстояние по одному кабелю, а не по значительному количеству проводов, как в предыдущем примере.
При этом коммутатор не создаёт перегрузку сети. Он передаёт информацию из одного сегмента в другой, если только такая информация необходима, что повышает общую производительность передачи данных в сети и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным. Кроме того, коммутатор является маршрутизатором, осуществляя выбор маршрута передачи данных.
При этом коммутаторы поддерживают как традиционные Ethernet-протоколы, так и собственные.
В настоящее время широко известны и используются как стандартные: CISCO, D-LINK, Allied Telesyn, NORTON, ALCATEL, Edge-Core, так и промышленные комутаторы: HIRSCHMANN, RuggedCom, CTRLink, Korenix, N-Tron, Taiko Network, SixNet, Garrettcom и пр.
Рассмотрим подробно принципы передачи сигнала на примере отдельных коммутаторов каждого из классов.
Все современные коммутаторы обеспечивают маршрутизацию и резервирование по стандартной технологии Spanning Tree. Эта технология, определяемая стандартом IEEE 802.1d, осуществляет выбор наиболее рационального маршрута передачи данных. Коммутаторы, работающие по алгоритму Spanning Tree, автоматически создают древовидную конфигурацию связей без петель в компьютерной сети. Такая конфигурация и называется покрывающим деревом — Spanning Tree. Конфигурация покрывающего дерева строится между коммутаторами автоматически с использованием обмена служебными пакетами. Организован этот протокол следующим образом. Создание связующего дерева начинается с выбора корневого моста (root switch), от которого будет строиться дерево. Корневым мостом автоматически назначается коммутатор с наименьшим значением идентификатора. Но такой выбор может быть не самым рациональным. Тогда администратор сети, исходя из структуры сети, может вручную присвоить какому-либо коммутатору наименьший идентификатор. Это устройство и будет корневым мостом. Затем происходит выбор корневого порта (root port) для каждого из остальных коммутаторов сети. Корневой порт коммутатора – это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до корневого коммутатора. Потом происходит определение назначенных портов. Каждый сегмент в коммутируемой сети имеет один назначенный порт (designated port). Назначенный порт сегмента имеет наименьшее расстояние до корневого моста, среди всех портов, подключенных к данному сегменту.
При ретрансляции кадров каждый коммутатор для каждого своего порта запоминает минимальное расстояние до корня. При завершении процедуры установления конфигурации покрывающего дерева каждый коммутатор находит свой корневой порт, — это тот порт, который ближе других находится по отношению к корню дерева.
То есть, технология Spanning Tree обеспечивает поиск наиболее рационального пути от одной точки сети к другой. Классическая локальная сеть строится по древовидной структуре. К корневому коммутатору подключаются коммутаторы более низкого уровня, к ним — еще более низкого и так далее. При построении сложной локальной сети для повышения надежности используется не классическая древовидная схема, а структура с избыточными связями между сетевыми устройствами. Такую сеть обычно строят на коммутаторах с поддержкой стандарта IEEE 802.1d (Spanning Tree — покрывающее дерево). Они позволяют создать логическое дерево (структуру) сети и избежать логических петель.
На рис.1 представлена схема подключения коммутаторов Nortel
Стандарт IEEE 802.1p позволяет разделять трафик по степени важности и отправлять в первую очередь кадры, специально отмеченные как важные. Такая технология дает возможность передавать звук или видеоизображение при прямой трансляции без разрывов.
Стандарт IEEE 802.1s (Multiple Spanning Tree) позволяет строить логические деревья для нескольких виртуальных подсетей большой локальной сети.
Использование коммутаторов, поддерживающих этот стандарт, дает возможность повысить отказоустойчивость сети, а также сбалансировать ее.
Стандарт IEEE 802.1Q (VLAN — виртуальная локальная сеть) позволяет внутри одной физической сети строить независимые виртуальные (логические) сети. Данные в виртуальных сетях циркулируют независимо и не проникают из одной сети в другую.
Однако у технологии Spanning Tree есть и недостаток: если в сети имеется больше семи коммутаторов, то для восстановления связи может потребоваться до нескольких минут, чтобы обнаружить и обойти аварию линии связи. На это время все сетевые решения будут изолированы. Разумеется, подобное недопустимо при построении охранных систем.
В таких случаях целесообразно применение стандарта IEEE 802 1.w. При отказах в сети или обрыве соединений применяется протокол Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w), восстанавливающий работоспособность по резервным маршрутам за доли секунды. Протокол Spanning Tree Protocol разработан достаточно давно, в 1983 г. С тех пор он совершенствуется. Так для устранения ограничений STP, которые мешали некоторым функциям маршрутизации коммутаторов 3-го уровня, был разработан протокол IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Существенным отличием протоколов STP 802.1d и RSTP 802.1w является способ перехода портов в состояние продвижения.
В коммутаторах HIRSCHMANN фирмы Hirschmann Elektronics (Германия) дополнительно весьма успешно реализована технология кольцевого резервирования Hiper Ring. Эта технология обеспечивает продолжение трансляции сигнала в другом направлении при повреждении сети в какой-либо точке (рис 2.) При этом время полного восстановления без потери информации < 500 мс, одно кольцо может включать в себя до 50 коммутаторов, общая длина кольца составлять до 4000 км при работе как с Fast Ethernet, так и с Gigabit Ethernet.
В основу технологии HIPER-Ring положена концепция резервных соединений, и она значительно превосходит «офисную» технологию Spanning Tree. При реализации технологии HIPER-Ring коммутаторы соединяются друг с другом, образуя кольцо, в котором одно из соединений является резервным. Управляющий коммутатор рассылает тест-пакеты и проверяет исправность сети. В случае обнаружения сбоя, оно активизирует резервную связь и направляет данные по ней без потери информации.
Рис.2 Подключение коммутаторов Hirschmann по кольцевой технологии Hiper- Ring.
Время восстановления работоспособности сети при обрыве канала связи, имитируемом отключением патчкорда, при использовании технологии Hiper-Ring таково, что изменения в трансляции цифрового телевизионного видеосигнала, как правило, не фиксируются визуально или в архиве.
Для пояснения принципов организации технологии Hiper- Ring необходимо остановиться на следующих технических особенностях.
Так как Ethernet является шинной архитектурой, то в случае образования кольца или петли любой кадр Ethernet-вещания будет послан вокруг петли, что вызовет широковещательный шторм и приведет к остановке сети. Однако HIPER-Ring учитывает это ограничение. Кроме стандартных функций коммутаторы, работа которых основывается на этой технологии, могут создавать физическое кольцо путем соединения обоих концов традиционной Ethernet-шины. Хотя Ethernet-шина физически замкнута, коммутатор логически разрывает эту шину. Поэтому передающиеся кадры не будут зациклены петлей.
Логически у таких коммутаторов имеются две стороны (соединение между ними и есть резервная связь), каждая из которых по кольцу непрерывно передает другой стороне и принимает от неё в режиме реального времени диагностические сообщения. Необходимо отметить, что сообщениям о повреждении сети присваивается высокий приоритет по стандарту 802.1p.
Как известно, построение сетей на основе коммутаторов позволяет использовать приоритетную обработку трафика, независимо от технологии сети, если коммутаторы поддерживают протокол IEEE 802.1р. При этом коммутаторы буферизуют кадры перед их отправкой на другой порт. Коммутатор обычно ведет для каждого входного и выходного порта несколько очередей со своим приоритетом обработки. В результате коммутатор может быть сконфигурирован, например, так, чтобы передавать один высокоприоритетный пакет при передаче нескольких низкоприоритетных пакетов.
Высокий приоритет позволяет сообщениям о повреждении сети пройти наиболее быстрым путем через любой коммутатор в кольце, поддерживающий 802.1p стандарт. Так реализуется получение в режиме реального времени сообщения о фактическом состоянии сети в любой момент.
В случае сбоя в кольце, то есть когда выходят из строя узел или кабель, коммутатор все еще будет передавать на оба кольцевых порта, однако, из-за неисправности не все устройства в кольце получат диагностические сообщения. В этом случае обе стороны интерпретируют эту потерю диагностических данных как аварию в сети. При обнаружении аварии, коммутатор задействует внутреннюю связь, соединяя обе стороны, что возвращает сеть к полностью работоспособному состоянию. На обнаружение поломки и процесс «заживления» сети уйдет в среднем от 20 до 300 мс, в зависимости от размеров кольца.
Кроме того, система сама определит место неисправности и всю информацию о ней немедленно вышлет обслуживающему персоналу. Локализация поломки теперь займет намного меньше времени, а значит, сокращается и время ее устранения.
При применении коммутаторов HIRSCHMANN возможно использование технологии Dual Homing – резервирование связей (рис.4), которая обеспечивает время восстановления менее 3 сек., резервированное подключение сегментов сети к опорной магистрали, определение отказа оборудования, к которому осуществляется резервное подключение, определение выхода из строя (обрыва) кабельных систем каналов связи либо охватываемого участка сети.
Рис.4 Подключение коммутаторов Hirtschmann по технологии Hiper-Ring (Dual Homing)
Коммутаторы тайваньской фирмы Edge-Core могут быть 24/48 портовым 10/100/1000 Gigabit Ethernet автономными управляемыми коммутаторами. Эти коммутаторы реализует не только протокол IEEE802.1D (Spanning Tree), но также и являющиеся собственностью компании Edge-Core протоколы Fast Mode Spanning Tree, IEEE 802.1s* (Multiple Spanning Tree) и IEEE 802.1w* (Rapid Spanning Tree), а также поддерживают протоколы:
IEEE 802.1s Multiple Spanning Tree
IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree
Поддерживает являющиеся собственностью компании Accton функции управления виртуальными сетями в режиме Fast Forwarding на основе портов. Имеет также вход для резервного источника питания на задней панели для обеспечения отказоустойчивости питания, работают также при температурах -40С-+70С.
Схема подключения этих коммутаторов приведена на рис.5.
Рис.5 Схема построения локальной сети на основе коммутаторов Edge-Core.
Как видно из описания и из таблицы, протоколы кольцевого резервирования для коммутаторов различных производителей могут отличаться друг от друга.
Технологии резервирования eRSTP (Ruggedcom) и S-Ring (Garrettcom) способны восстановить «кольцевую» сеть за время меньшее, чем одна секунда, даже если устройства находятся в сотне километров друг от друга.
Компания Korenix нашла решение этой проблемы в своих промышленных управляемых коммутаторах серии JetNet 4500. Коммутаторы серии JetNet 4500 позволяют соединить в единую сеть коммутаторы с различными протоколами резервирования соединения и осуществлять резервирование получившейся цепи в целом через технологию Super Ring. Суть решения заключается в возможности соединения в единую сеть коммутаторов с различными протоколами резервирования соединения (таких как IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol и Super Ring), включая протокол Hiper-Ring от Hirschmann и осуществления резервирования получившейся сети в целом. Резервирование достигается соединением двух портов двух коммутаторов JetNet 4500, поддерживающих Super Ring, с двумя портами коммерческого коммутатора, использующего протокол RSTP. Один из портов в данном случае является активным и используется для обмена данными, второй же находится в состоянии ожидания. Ожидающий порт регулярно отслеживает состояние активного порта и в случае потери соединения на нем, в считанные секунды «перехватывает» управление на себя. При этом процесс смены на резервный канал остается «прозрачным» для конечных пользователей. На рис.6 приведены примеры построения сетей R.S.R и Dual Homming.
Рис.6 Примеры построения сетей с помощью коммутаторов Korenix по протоколам резервирования R.S.R и Dual Homming.
Программное обеспечение промышленных коммутаторов SixNet поддерживает технологию резервирования RSTP, QoS для установления приоритетов, VLANs для разграничения сети, IGMP для фильтрации трафика и др.
Таковы преимущества и возможности, которые предоставляет инсталляторам использование коммутаторов при трансляции цифровых видеосигналов.
Статьи по теме:
Видеонаблюдение
Советы домовладельцам по обеспечению безопасности
Три критических вопроса при выборе видеоаналитики для видеонаблюдения
FCC запрещает авторизацию оборудования для китайских телекоммуникаций и оборудования для видеонаблюдения, которое считается угрозой национальной безопасности
Перенос локального видеонаблюдения в облако
Hanwha Techwin переименовывается в Hanwha Vision
Перспективы использования цифровых систем передачи изображения по радиоканалу
Датчики нейроморфного зрения в смартфонах
Ambarella добавляет новую SoC с поддержкой искусственного интеллекта для камер безопасности
