Uso de conmutadores al construir una red.
El problema de garantizar la transmisión de señales de cámaras de vídeo en la red es uno de los claves a la hora de construir sistemas de videovigilancia.
La literatura moderna describe de manera bastante amplia y detallada métodos para obtener una señal de video, es decir, convertir señales ópticas en eléctricas. Además, los especialistas conocen bien los dispositivos modernos que permiten procesar y almacenar información, — DVR y servidores.
Sin embargo, todavía existe la necesidad de transmitir señales desde cámaras de vídeo a dispositivos que proporcionen almacenamiento y archivo de información de vídeo.
Tanto las señales analógicas como las digitales se caracterizan por los mismos problemas: atenuación (pérdida de potencia de la señal después de recorrer una cierta distancia), ruido e interferencias.
Una señal analógica es un flujo continuo caracterizado por cambios de frecuencia y amplitud. Cuando la señal se desvanece, se debe aumentar su amplitud. El amplificador aumenta el nivel general de la señal en la línea, incluido el nivel de ruido. Cada conversión, cada almacenamiento intermedio, cada transmisión por cable o radiodifusión degrada la señal analógica. Con el tiempo, llega un punto en el que ya no es posible amplificar, ya que el ruido se vuelve proporcional a la señal útil. No es posible regenerar señales analógicas.
Normalmente, cuando se transmite una señal por cable coaxial, debido al alto coeficiente de atenuación, es necesario instalar repetidores cada 50-1000 m. Cuando se transmite una señal por cable de par trenzado, se utiliza el siguiente equipo de transmisión:
&. #8212; balun pasivo instalado en el lado transmisor con un alcance de transmisión de señal de video de hasta 500 m;
— dispositivo activo con oscilación de voltaje de salida de hasta 3 V y rango de transmisión de hasta 1000 m;
— Dispositivo activo con oscilación de voltaje de salida de hasta 18 V y alcance de transmisión de hasta 2000 m.Al crear sistemas de vídeo de este tipo, la señal de la cámara se transmite mediante cable coaxial o par trenzado para su procesamiento a multiplexores o grabadores de vídeo, que suelen tener 8, 16 o 32 entradas. No es difícil calcular que el costo de los repetidores de señal y los cables, especialmente cuando se crean sistemas de videovigilancia para instalaciones extensas (por ejemplo, empresas industriales), constituye una parte considerable del costo de todo el sistema.
Las señales digitales constan de valores discretos. Una señal digital sólo puede tomar dos valores y se permiten algunas desviaciones de estos valores. Para transmitir señales digitales a largas distancias, se utilizan dispositivos digitales activos: interruptores que transmiten la señal al nivel de la señal original. Es decir, es posible regenerar la señal digital con cada conversión.
La construcción de una red mediante conmutadores la lleva a un nivel nuevo y superior. De hecho, para organizar la redundancia de la transmisión de la señal de video en una dirección que debe tenerse en cuenta en sistemas de videovigilancia altamente confiables, es necesario separar la señal de video, utilizar conmutadores de flujo de video y diseñar el sistema de transmisión de la señal de video de tal manera. manera que se minimice la pérdida de datos cuando se rompen las líneas de cable.
Los conmutadores no solo mejoran la calidad de la señal, sino que también recogen una señal de varias fuentes y garantizan su transmisión a una cierta distancia a través de un solo cable, y no a través de un número significativo de cables, como en el ejemplo anterior.
En este caso, el conmutador no crea congestión en la red. Transfiere información de un segmento a otro tan pronto como se necesita, lo que mejora el rendimiento general de la transmisión de datos en la red y reduce la posibilidad de acceso no autorizado a los datos. Además, el conmutador actúa como enrutador, seleccionando la ruta de transmisión de datos.
Al mismo tiempo, los conmutadores admiten tanto los protocolos Ethernet tradicionales como los propios.
Actualmente, son ampliamente conocidos y utilizados tanto los conmutadores estándar: CISCO, D-LINK, Allied Telesyn, NORTON, ALCATEL, Edge-Core como los industriales: HIRSCHMANN, RuggedCom, CTRLink, Korenix, N-Tron, Taiko Network, SixNet, Garrettcom, etc.
Consideremos en detalle los principios de transmisión de señales usando el ejemplo de interruptores individuales de cada clase.
Todos los conmutadores modernos proporcionan enrutamiento y redundancia utilizando la tecnología Spanning Tree estándar. Esta tecnología, definida por el estándar IEEE 802.1d, selecciona la ruta de transmisión de datos más eficiente. Los conmutadores que utilizan el algoritmo Spanning Tree crean automáticamente una configuración de conexiones en forma de árbol sin bucles en una red informática. Esta configuración se llama árbol de expansión — Árbol de expansión. La configuración del árbol de expansión se construye entre conmutadores automáticamente mediante el intercambio de paquetes de servicios. Este protocolo está organizado de la siguiente manera. La creación de un árbol de expansión comienza con la selección de un puente raíz a partir del cual se construirá el árbol. El conmutador con el valor de ID más bajo se designa automáticamente como puente raíz. Pero tal elección tal vez no sea la más racional. Luego, el administrador de la red, según la estructura de la red, puede asignar manualmente el identificador más pequeño a cualquier conmutador. Este dispositivo será el puente raíz. Luego se selecciona un puerto raíz para cada uno de los conmutadores restantes en la red. El puerto raíz de un conmutador es el puerto que tiene la distancia más corta a través de la red hasta el conmutador raíz. Luego se determinan los puertos asignados. Cada segmento de una red conmutada tiene un puerto designado. El puerto designado en un segmento tiene la distancia más corta al puente raíz entre todos los puertos conectados a ese segmento.
Al transmitir tramas, cada conmutador recuerda la distancia mínima a la raíz para cada uno de sus puertos. Cuando se completa el procedimiento de configuración del árbol de expansión, cada conmutador encuentra su puerto raíz, — Este es el puerto más cercano a la raíz del árbol.
Es decir, la tecnología Spanning Tree garantiza la búsqueda del camino más racional de un punto de la red a otro. Una red local clásica se construye mediante una estructura de árbol. Los conmutadores de nivel inferior están conectados al conmutador raíz y — incluso más bajo y así sucesivamente. Al construir una red local compleja, para aumentar la confiabilidad, no se utiliza un diagrama de árbol clásico, sino una estructura con conexiones redundantes entre dispositivos de red. Una red de este tipo suele estar construida sobre conmutadores que admiten el estándar IEEE 802.1d (Spanning Tree). Le permiten crear un árbol (estructura) de red lógica y evitar bucles lógicos.
La Figura 1 muestra el diagrama de conexión de los conmutadores Nortel
El estándar IEEE 802.1p le permite separar el tráfico por importancia y enviar primero las tramas que están marcadas específicamente como importantes. Esta tecnología permite transmitir sonido o vídeo durante la retransmisión en directo sin interrupciones.
El estándar IEEE 802.1s (Multiple Spanning Tree) le permite crear árboles lógicos para varias subredes virtuales de una red local grande.
El uso de conmutadores que admitan este estándar permite aumentar la tolerancia a fallos de la red, así como equilibrarla.
El estándar IEEE 802.1Q (VLAN — red de área local virtual) le permite construir redes virtuales (lógicas) independientes dentro de una red física. Los datos en las redes virtuales circulan de forma independiente y no pasan de una red a otra.
Sin embargo, la tecnología Spanning Tree también tiene un inconveniente: si hay más de siete conmutadores en la red, puede llevar varios minutos restablecer la comunicación para detectar y evitar una falla en la línea de comunicación. Durante este tiempo, todas las soluciones de red estarán aisladas. Por supuesto, esto es inaceptable cuando se construyen sistemas de seguridad.
En tales casos, es recomendable utilizar el estándar IEEE 802 1.w. En caso de fallas de red o conexiones rotas, se utiliza el protocolo Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w), restaurando la funcionalidad a lo largo de las rutas de respaldo en una fracción de segundo. El protocolo Spanning Tree se desarrolló hace bastante tiempo, en 1983. Desde entonces se ha mejorado. Por lo tanto, el protocolo de árbol de expansión rápida (RSTP) IEEE 802.1w se desarrolló para superar las limitaciones de STP que interferían con algunas funciones de enrutamiento de los conmutadores de capa 3. Una diferencia significativa entre STP 802.1d y RSTP 802.1w es la forma en que los puertos ingresan al estado de reenvío.
Los conmutadores HIRSCHMANN de Hirschmann Elektronics (Alemania) también implementan con gran éxito la tecnología de redundancia en anillo Hiper Ring. Esta tecnología garantiza que la señal continúe transmitiéndose en la otra dirección si la red se daña en algún punto (Fig. 2). Al mismo tiempo, el tiempo para una recuperación completa sin pérdida de información es <500 ms, un anillo puede Incluye hasta 50 conmutadores, la longitud total del anillo es de hasta 4000 km cuando se trabaja tanto con Fast Ethernet como con Gigabit Ethernet.
La tecnología HIPER-Ring se basa en el concepto de conexiones redundantes y es significativamente superior a la tecnología Spanning Tree de “oficina”. Al implementar la tecnología HIPER-Ring, los interruptores se conectan entre sí formando un anillo en el que una de las conexiones es redundante. El conmutador de administración envía paquetes de prueba y verifica el estado de la red. Si se detecta una falla, activa el enlace de respaldo y enruta los datos a través de él sin pérdida de información.
Fig.2 Conexión de interruptores Hirschmann mediante tecnología de anillo Hiper-Ring.
El tiempo para restaurar la funcionalidad de la red en caso de una falla del canal de comunicación, simulada desconectando el cable de conexión, cuando se utiliza la tecnología Hiper-Ring es tal que los cambios en la transmisión de una señal de video de televisión digital, como Por regla general, no se registran visualmente ni en el archivo.
Para explicar los principios de organización de la tecnología Hiper-Ring, es necesario detenerse en las siguientes características técnicas.
Dado que Ethernet es una arquitectura de bus, si se produce un anillo o un bucle, cualquier trama de transmisión de Ethernet se enviará alrededor del bucle, lo que provocará una tormenta de transmisión y detendrá la red. Sin embargo, HIPER-Ring tiene en cuenta esta limitación. Además de las funciones estándar, los conmutadores basados en esta tecnología pueden crear un anillo físico conectando ambos extremos de un bus Ethernet tradicional. Aunque el bus Ethernet está físicamente cerrado, el conmutador lógicamente interrumpe el bus. Por lo tanto, las tramas transmitidas no quedarán atrapadas en un bucle.
Lógicamente, estos conmutadores tienen dos lados (la conexión entre ellos es una conexión de respaldo), cada uno de los cuales transmite continuamente mensajes de diagnóstico a través del anillo al otro lado y recibe mensajes de diagnóstico en tiempo real. Cabe señalar que el estándar 802.1p otorga alta prioridad a los mensajes de falla de la red.
Como es sabido, la construcción de redes basadas en conmutadores permite el uso de procesamiento de tráfico prioritario, independientemente de la tecnología de la red, si los conmutadores admiten el protocolo IEEE 802.1p. En este caso, cambia las tramas del buffer antes de enviarlas a otro puerto. El conmutador suele mantener varias colas para cada puerto de entrada y salida con su propia prioridad de procesamiento. Como resultado, el conmutador se puede configurar, por ejemplo, para transmitir un paquete de alta prioridad mientras transmite varios paquetes de baja prioridad.
La alta prioridad permite que los mensajes de fallo de la red viajen por la ruta más rápida a través de cualquier conmutador del anillo que admita el estándar 802.1p. Así recibes mensajes en tiempo real sobre el estado real de la red en cada momento.
En caso de una falla del anillo, es decir, cuando falla un nodo o cable, el conmutador aún transmitirá a ambos puertos del anillo; sin embargo, debido a la falla, no todos los dispositivos en el anillo recibirán mensajes de diagnóstico. En este caso, ambas partes interpretan esta pérdida de datos de diagnóstico como un fallo de la red. Cuando se detecta una falla, el conmutador inicia una comunicación interna, conectando ambos lados, lo que devuelve la red a un estado completamente operativo. La detección de una avería y el proceso de “curar” la red tardará una media de 20 a 300 ms, dependiendo del tamaño del anillo.
Además, el propio sistema determinará la ubicación del mal funcionamiento y enviará inmediatamente toda la información al personal de servicio. La localización de una avería ahora llevará mucho menos tiempo, lo que significa que también se reducirá el tiempo para solucionarla.
Cuando se utilizan conmutadores HIRSCHMANN, es posible utilizar la tecnología Dual Homing: conexiones redundantes (Fig. 4), que proporciona un tiempo de recuperación de menos de 3 segundos, conexión redundante de segmentos de red a la red troncal, detección de fallas del equipo al que está conectado se realiza la conexión de respaldo, detección de falla (rotura) de los sistemas de cable de los canales de comunicación o de la sección cubierta de la red.
Fig.4 Conexión de interruptores Hirtschmann utilizando tecnología Hiper-Ring (Dual Homing)
Los conmutadores de la empresa taiwanesa Edge-Core pueden ser conmutadores gestionados independientes de 24/48 puertos 10/100/1000 Gigabit Ethernet. Estos conmutadores implementan no solo el protocolo IEEE802.1D (árbol de expansión), sino también los protocolos patentados Fast Mode Spanning Tree de Edge-Core, IEEE 802.1s* (multiple spanning tree) e IEEE 802.1w* (Rapid Spanning Tree).
Árbol de expansión múltiple IEEE 802.1s
Árbol de expansión rápida IEEE 802.1w
Admite las funciones de administración de red virtual Fast Forwarding basadas en puertos patentadas de Accton. También tiene una entrada para una fuente de alimentación de respaldo en el panel posterior para garantizar la seguridad ante fallas de energía y también funciona a temperaturas de -40 °C a +70 °C.
El diagrama de conexión de estos interruptores se muestra en la Fig. 5.
Fig.5 Esquema de construcción de una red local basada en Edge cambia el núcleo.
Como se puede ver en la descripción y en la tabla, los protocolos de redundancia de anillo para conmutadores de diferentes fabricantes pueden diferir entre sí.
Las tecnologías de redundancia eRSTP (Ruggedcom) y S-Ring (Garrettcom) son capaces de restaurar una red en “anillo” en menos de un segundo, incluso si los dispositivos están a cientos de kilómetros de distancia entre sí.
Korenix ha encontrado una solución a este problema en sus conmutadores industriales gestionados, la serie JetNet 4500. Los conmutadores de la serie JetNet 4500 permiten conectar conmutadores con diferentes protocolos de redundancia de conexión en una única red y proporcionar redundancia para la cadena resultante en su conjunto a través de Super. Tecnología de anillo. La esencia de la solución es la capacidad de conectarse a una única red de conmutadores con varios protocolos de redundancia de conexión (como IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol y Super Ring), incluido el protocolo Hiper-Ring de Hirschmann, y realizar la redundancia de red resultante en su conjunto. La redundancia se logra conectando dos puertos de dos conmutadores JetNet 4500 que admiten Super Ring a dos puertos de un conmutador comercial que ejecuta RSTP. En este caso, uno de los puertos está activo y se utiliza para el intercambio de datos, mientras que el segundo está en estado de espera. El puerto de escucha monitorea periódicamente el estado del puerto activo y, si se pierde la conexión, en cuestión de segundos «intercepta» autocontrol. Al mismo tiempo, el proceso de cambio a un canal de respaldo sigue siendo «transparente». para usuarios finales. La Figura 6 muestra ejemplos de construcción de redes R.S.R y Dual Homming.
Fig. 6 Ejemplos de construcción de redes utilizando conmutadores Korenix utilizando los protocolos de redundancia R.S.R y Dual Homming.
El software de los conmutadores industriales SixNet admite tecnología de redundancia RSTP, QoS para establecer prioridades, VLAN para delimitación de redes, IGMP para filtrado de tráfico, etc.
Estas son las ventajas y oportunidades que ofrece el uso de conmutadores proporciona a los instaladores para la difusión de señales de vídeo digital.