15 Сетевые технологии

11. Сетевыетехнологии

Эра информационных технологий

Современный мир, вне всякого сомнения, является миром информационных технологий, или, выражаясь более кратко, миром IT.

С помощью систем видеонаблюдения мы обычно получаем визуальную информацию о событии, злоумышленнике, позволяющую узнать, кто входил в здание до того, как случился пожар, какова была последовательность действий, выполняемых при операции на сердце, или какие автомобильные номера были на машинах, участвовавших в дорожно-транспортном происшествии.

Итак, как можно определить термин «информация», и почему это настолько важно?

Информацией является любая передача или представление сведений, таких, как факты, данные или мнения посредством любой среды или формы, включая текстовую, цифровую, графическую, картографическую, описательную или аудиовизуальную.

Познания людей растут экспоненциально, и достижения последних нескольких десятилетий, к примеру, намного превышают объем знаний, накопленных за предыдущие тысячи лет. Объем информации в каждой отдельно взятой сфере человеческой деятельности является настолько большим, что без должного понимания и управления такой информацией мы могли бы утерять то, что мы уже знаем, и даже основные направления развития науки.

Так как количество информации растет по экспоненциальному закону, то людьми была осознана потребность в появлении сферы информационных технологий (IT), которая имеет дело с такими большими объемами информации.

Информационные технологии являются частью более обширной предметной области, особенно интересной для нас в индустрии охранного видеонаблюдения, и имеют отношение к аппаратным и программным средствам, которые обрабатывают информацию, независимо от типов используемого оборудования, будь то цифровые видеорегистраторы, компьютеры, устройства беспроводной связи или что-либо другое.

Так как в нашей повседневной жизни производится запись огромного количества информации, то первостепенную важность имеет надежный, быстрый и эффективный доступ к такой информации.

Шкафы для хранения документов и горы бумаги уступили место компьютерам, которые хранят информацию и управляют данными в электронном виде. Коллеги и друзья, разделенные друга от друга тысячами километров, имеют возможность мгновенно обмениваться информацией так же, как сотни сотрудников одного учреждения могут одновременно анализировать данные исследований, хранящиеся в сети. Студенты, врачи, ученые могут проводить исследования и обмениваться информацией, находясь при этом на разных континентах. Компьютерные сети являются связующим звеном, соединяющим эти элементы между собой.

Огромное количество таких сетей формирует глобальную сеть, которую называют «Всемирной паутиной» или сетью Интернет. Начало этой сети было положено в 1980-е годы, немногим более 20 лет до написания данной книги, однако большую часть поиска данных для создания книги я выполнил с использованием сети Интернет.

Интернет, пожалуй, является одним из наиболее важных из всех достижений человечества.

Интернет — это поистине глобальная сеть, общность знаний и информации, к которой каждый может присоединиться без предъявления национального паспорта, независимо от цвета кожи, возраста, намерений или исповедуемой религии.

Для того чтобы понять некоторые принципы использования информационных технологий, сетей и цифровых технологий в современных системах видеонаблюдения, нам следует уделить несколько страниц основным сведениям о сетях.

Компьютерыисети

Перед тем как дать определение термину «сеть», необходимо назвать тот термин, которым определяется основное интеллектуальное устройство, являющееся главной частью любой сети. Таким устройством является компьютер. Компьютеры уже настолько укоренились в нашей повседневной жизни, что мы не только не можем обходиться без них, но они являются неотъемлемой частью всех сфер нашей обыденной деятельности, и именно поэтому так трудно дать их точное определение. Среди многочисленных определений компьютера имеется и такое: электронное устройство, предназначенное для получе-

ния цифровой информации (ввод данных), выполнения заданных математических или логических операций с высоким быстродействием (обработка данных) и выдачи результатов таких операций (вывод данных). Под такое определение вполне подпадает и цифровой калькулятор, возможно, оно и правильное, но в области видеонаблюдения термин «компьютер» используется нами для определения электронного устройства, состоящего из аппаратных средств (центрального про-

цессора, памяти и устройства вывода на дисплей) и программного обеспечения (операционной системы и приложений). При этом таким электронным устройством выполняется набор команд, заданных программным обеспечением.

на станциях мониторинга, на которых обрабатываются и регистрируются тысячи тревожных сигналов. В наши дни компьютеры используются во многих новых

продуктах сферы видеонаблюдения, предназначенных для оцифровки, обработки, сжатия и архивирования видеоинформации.

В подавляющем большинстве такими продуктами являются цифровые видеорегистраторы (DVR), однако и сетевые телекамеры, несмотря на свой малый размер, снабжены аппаратными и программными средствами, эквивалентными компьютеру по своей функциональности.

Все эти компьютеры способны работать автономно, но их реальная мощность наиболее эффективно проявляется в сетевой среде.

Проще говоря, сеть — это объединение между собой двух или более компьютеров.

Объединение в сеть позволяет одному компьютеру пересылать информацию на другой, а также самому получать информацию. Возможно, что мы даже сами не всегда осознаем, насколько часто мы обращаемся к информации в компьютерных сетях. Интернет является наиболее явным примером объединения компьютеров в сеть, связывая миллионы компьютеров по всему миру, а более мелкие сети играют свою роль в ежедневном доступе к информации. Многие библиотеки и книжные магазины заменили свои картотеки компьютерными терминалами, позволяющими клиентам производить поиск книг намного

быстрее и проще. Во многих компаниях обмен внутренней информацией осуществляется в рамках своей собственной локальной сети; рекламные материалы о продуктах и информация о проектировании систем видеонаблюдения рассылаются в электронном виде посредством сетей.

Факс-аппараты используются все реже. Многие поисковые службы сети Интернет помогают миллионам людей находить необходимую им информацию. В каждом из таких случаев объединение в сеть позволяет многочисленным компьютерам, расположенным в

разных точках, получать доступ к Рис. 11.2. Пример небольшой компьютерной сети

совместно используемым базам данных.

Компьютеры в видеонаблюдении занимают все более доминирующие позиции, независимо от того работают ли они на базе полнофункциональных операционных систем, таких, как Windows или Linux, или на базе встроенных ОС, размещаемых на микросхеме. Одной из основных и необходимых характеристик компьютеров является их способность соединяться с другими компьютерами по сети и совместно использовать информацию. В действительности, сети уже имеются во многих компаниях, организациях и даже в жилых домах. Устройство системы видеонаблюдения в рамках таких сетей сводится всего лишь к подсоединению сетевого кабеля к цифровому видеорегистратору, сетевой телекамере или к компьютеру, снабженному специальной платой видеоввода. После осуществления несложной настройки сети система видеонаблюдения может начать работать в течение очень короткого промежутка времени.

Легкость переоборудования и монтажа сети является одним из основных (но не единственных) привлекательных аспектов использования сетей для систем видеонаблюдения, не говоря уже о том, что современные сетевые системы видеонаблюдения достаточно часто используют уже существующую сетевую инфраструктуру. Впрочем, многие проектировщики систем создают отдельные параллельные сети, поскольку система видеонаблюдения становится более защищенной и, что важнее всего, не влияет на информационную нагрузку сети, предназначенной дляобычногоежедневного обмена данными.

Как только мы переходим на сетевую организацию системы видеонаблюдения, мы сталкиваемся со многими новыми проблемами и ограничениями, которые необходимо понять для дальнейшего усовершенствования или модификации нашей системы.

Далее в этой книге мы более детально остановимся на этих вопросах, но сначала имеет смысл ознакомиться с основами сетевой организации, а затем разъяснить некоторые из ключевых понятий и используемую терминологию.

Локальныеиглобальныесети

Существует несколько типов конфигураций и методов (протоколов) передачи данных по сети. Сюда относятся интерфейс для передачи распределённых данных по оптоволоконным каналам (FDDI), локальные сети кольцевой топологии с маркерным доступом (Token Ring) (стандарт IEEE 802.5) и

Ethernet (стандарт IEEE 802.3).

Из трех вышеназванных методов наиболее популярным является Ethernet, которому мы уделим наибольшее внимание.

нять устройства, расположенные в десятках километров друг от друга, одновременно повышая скорость и надежность глобальных сетей. Также уже размывается граница между глобальными сетями и сетью Интернет.

Интернет можно рассматривать в качестве самойкрупномасштабнойглобальнойсети.

Объединение в сеть позволяет пользователю получать доступ к данным, находясь в любой точке земного шара. Это означает, что сотруд-

ник какой-либо компании в городе А может отправлять (загружать в Рис. 11.4 удаленный компьютер) или получать (загружать из удаленного компьютера) файлы за несколько секунд, обмениваясь ими со своим коллегой, находящимся в городе Б. Такой файл может представлять собой документ с расценками на продукцию, рекламный листок, программу или цифровую фотографию.

В видеонаблюдении нас в основном интересует видеоизображение (видеокадры или последовательность сменяющихся кадров), но также может потребоваться и другая информация (аудиозаписи, списки тревожных событий и другие данные, зарегистрированные системой). Все это мы можем легко получить, так как при соответствующем уровне защиты и правильном пароле доступ ко всей информации, собранной цифровой системой видеонаблюдения,осуществляется из любой точки сети также, как отображение и копирование этой информации.

Очевидно, что если для видеонаблюдения используются традиционные аналоговые телекамеры, то видеосигнал сначала должен быть оцифрован, для того чтобы с ним могли работать сетевые компьютеры. Также можно использовать сетевые телекамеры, которые уже изначально предназначены для работы по сети.

Рис. 11.5. Пример локальной и глобальной сети

логию в мире. Многие проблемы, связанные с Ethernet, являются общими для многих сетевых технологий, поэтому понимание того, как эти проблемы решаются в сетях Ethernet, может послужить основанием улучшения общего понимания сетевых технологий.

Основные категории сетей Ethernet Ethernet

10 Мбит/с (стандарт IEEE 802.3)

Данная категория сети Ethernet имеет отношение к первоначальной технологии локальных сетей, работающих со скоростью 10 Мбит/с. Ethernet может работать в различной проводной среде передачи данных, включая витую пару и коаксиальный кабель. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с отличается от дру-

гих высокоскоростных технологий Ethernet, таких, как FastEthernet, Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet.

Взависимости от типа используемого кабеля различают следующие виды сетей 10 Мбит/с:

О10BaseT — Ethernet на базе витой пары

О10BaseF — Ethernet на базе оптоволокна

О10Base2 — Ethernet на базе тонкого коаксиального кабеля

О10Base5 — Ethernet на базе толстого коаксиального кабеля

Fast Ethernet (стандарт IEEE 802.3U)

Fast Ethernet включает в себя несколько спецификаций Ethernet 100 Мбит/с. Он обеспечивает десятикратное увеличение скорости передачи по сравнению со спецификацией 10BaseT Ethernet, сохраняя при этом такие качества, как формат фрейма данных, механизмы управления доступом к сетевой среде (MAC), а также максимальный размер передаваемого блока данных (MTU). Сходство между различными категориями сетей Ethernet позволяет использовать имеющиеся в наличии приложения 10BaseT и средства сетевого управления и в сетях стандарта Fast Ethernet.

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3Z)

Сетевая технология Gigabit Ethernet занимает высшую ступень среди протоколов семейства Ethernet, но здесь скорость передачи увеличивается уже в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet и достигает 1000 Мбит/с, или 1 гигабит в секунду (Гбит/с). За счет технологий Gigabit Ethernet клиентские машины в сети могут обмениваться между собой со скоростью 10/100 Мбит/с, а с сервером — со скоростью до

1000 Мбит/с.

За счет совместимости со стандартом Ethernet, а также с ранее инсталлированными коммутаторами и маршрутизаторами Ethernet и Fast Ethernet, сетевым администраторам нет необходимости переучиваться или повышать квалификацию специально для работы с новой технологией и обеспечения поддержки сетей стандарта Gigabit Ethernet.

Gigabit Ethernet для медного кабеля (IEEE 802.3AB)

Сетевая технология Gigabit Ethernet для медного кабеля (известная также как стандарт 1000BaseT) является расширенной версией стандарта Fast Ethernet. Данная технология предусматривает функционирование сетей Gigabit Ethernet на базе уже проложенных кабельных систем категорий 5е/6, тем самым создавая возможность для реализации высокоэкономичного технического решения. В результате большинство сетевых конфигураций Fast Ethernet, работающих по витой паре, могут также обеспечивать работу Gigabit Ethernet с использованием имеющейся сетевой инфраструктуры для значительного повышения производительности сети для особо требовательных к полосе пропускания приложений.

10 Gigabit Ethernet

10 Gigabit Ethernet является по существу более быстрой версией технологии Ethernet. В ней используется протокол доступа к сетевой среде (MAC) стандарта IEEE 802.3 и такие же формат и размер фрейма. 10 Gigabit Ethernet поддерживает полнодуплексную связь так же, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Так как 10 Gigabit Ethernet является развитием технологий Ethernet, он поддерживает все интеллектуальные сетевые службы, основанные на Ethernet, включая многопротокольную маршрутизацию с использованием меток (MPLS), коммутацию уровня 3, качество и класс предоставляемых услуг (QoS), кэширование, выравнивание нагрузки сервера и использование политик администрирования сетей.

Эта технология позволяет также минимизировать затраты на обучение пользователя за счет поддержки привычных средств управления и знакомой архитектуры. При скорости передачи данных в 10 Гбит/с, технология 10 Gigabit Ethernet предоставляет низкозатратное решение, одновременно удовлетворяя требования к высокой пропускной способности в локальных, региональных и глобальных сетях. Потенциальные сферы применения и рынок для 10 Gigabit Ethernet являются огромными, включая предприятия, университеты, поставщиков телекоммуникационных услуг и провайдеров услуг Интернет.

Беспроводная сеть Ethernet (стандарт IEEE 802.11)

Массовая популярность и практичность беспроводных коммуникаций между компьютерами, маршрутизаторами или цифровыми видеоустройствами делает такой вид связи все более распространенным, поэтому производители вынуждены выпускать все более совершенные и более дешевые устройства. После того как многие годы на рынке царили несовместимые между собой разработки отдельных компаний и малоэффективные стандарты, наконец, и для беспроводных сетей решили утвердить единый комплекс стандартов (серия стандартов IEEE 802.11). Эти относительно недавно принятые стандарты определяют принципы работы беспроводного Ethernet или беспроводных локальных сетей (WLAN), которые также называют Wi-Fi (Wireless Fidelity).

Основная масса продуктов относится к двум главным категориям. Первая имеет скорость передачи данных 11 Мбит/с, вторая — 54 Мбит/с. При этом большая часть этой продукции использует свободный диапазон частот 2.4 ГГц. Данная технология появилась относительно недавно, но уже завоевала большую популярность, поэтому в конце главы мы уделим больше места беспроводным сетям Ethernet.

Скорость передачи данных и типы сетевых кабелей

По определению Ethernet является технологией локальных сетей, то есть обеспечивает работу сетей, как правило, расположенных в пределах одного здания, соединяя близкорасположенные устройства. Первоначально в большинстве сетей Ethernet использовался коаксиальный кабель. Однако, витая пара категорий 3, 5 и 6 сейчас стала более предпочтительной передающей средой для небольших локальных сетей.

Ethernet использует шинную или звездообразную топологию (или их комбинацию) и поддерживает скорости передачи данных 10,100,1000 или 10000 Мбит/с. Вслед за базовой спецификацией Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (часто называемой 10BaseT с использованием витой пары) стали разрабатываться более новые и быстрые стандарты, среди которых особенно известными являются стан-

дарты 100 Мбит/с или Fast Ethernet, 1000 Мбит/с или Gigabit Ethernet, а также 10 Gigabit Ethernet,

разработка которого велась во время написания данной книги и уже была близка к завершению.

Стандарт Ethernet постепенно включает в себя новые технологии по мере совершенствования компьютерных сетей, но в основе каждой современной сети Ethernet лежат принципы из первоначального проекта Меткалфа. Изначально стандарт Ethernet характеризовался тем, что связь обеспечивалась по единому кабелю, совместно используемому всеми устройствами в сети. Как только устройство подключается к такому кабелю, оно может взаимодействовать с любым другим устройством, подключенным к этому же кабелю. Это позволяет наращивать сеть, подключая к ней новые устройства, при этом

устройства, уже имеющиеся в сети, не требуют никаких модификаций.

В таблице, приведенной выше, указывается приблизительное время, необходимое для загрузки файлов разного размера в сетях с различной пропускной способностью.

С какой скоростью происходит обновление видеокадров, передаваемых по сети, или сколько времени требуется на загрузку того или иного фрагмента архива — это один из наиболее часто задаваемых вопросов в современном видеонаблюдении.

Для того чтобы читатели смогли понять и рассчитать эти показатели, необходимо напомнить, что существует разница между битами (в английском языке пишется со строчной буквы «b» (bits)) и байтами (пишутся с прописной буквой «В» (Bytes)). Один байт состоит из 8 битов. Поэтому, делая приближенный расчет времени, требующегося для загрузки файла по какому-либо определенному каналу передачи данных, скорость передачи данных в Мбит/с должна быть сначала переведена в Мбайт/с посредством деления на 8. Кроме того, необходимо принять в расчет потери вследствие конфликтов сетевого трафика и помех, а эти потери могут составлять от 10 до 50%. Таким образом, при расчетах для большинства сценариев с наиболее неблагоприятными условиями, необходимо использовать величину в 50% от значения скорости передачи данных.

Например, если у нас имеется коммутируемое соединение с Internet с использованием типового модема со скоростью соединения 56 кбит/с, то максимальная скорость передачи будет составлять примерно 6-7 кбайт/с при наиболее благоприятном сценарии и приблизительно 3 кбайт/с — при наихудшем сценарии. При подключении к сети с помощью модема по обычной коммутируемой телефонной линии связи (PSTN) мы все еще используем методы аналоговой модуляции, качество которой может колебаться в весьма значительных пределах в зависимости от помех на линии, расстояния и качества аппаратуры, поэтому возможно, что в случае наихудшего сценария скорость передачи может быть даже ниже, чем 3 кбайт/с. Таким образом, при использовании модема со скоростью передачи 56 кбит/с не может быть гарантии, что установленная связь будет обеспечивать скорость в 56 кбит/с, однако, эта цифра представляет максимально достижимую скорость передачи данных при идеальных условиях. Возвращаясь к нашему примеру, если нам необходимо загрузить, скажем, файл размером 1 Мбайт, то на это уйдет не менее 150 секунд (1024 килобайта делим на 7 кбайт/с) при условии наличия качественной связи по коммутируемой телефонной сети. Для передачи того же файла по Интернет-каналу ADSL, имеющему скорость соединения 512 кбит/с, понадобится гораздо меньше времени, но не менее 16 секунд (512 кбит/с = 64 кбайт/с; 1024 кбайт делим на 64 кбайт и получаем 16 секунд), а может, понадобится даже и 32 секунды, при плохом качестве аппаратуры или линии. И тем не менее, это намного быстрее по сравнению с более чем 2.5 минутами при соединении через модем, рассчитанный на 56 кбит/с.

При расчетах, подобных приведенным выше, необходимо учитывать тот факт, что самая высокая скорость загрузки файла будет равна самой низкой скорости, обеспечиваемой конкретной линией.

Это означает, что если компьютер, с которого вы загружаете файл, имеет ограниченную скорость передачи, гораздо меньшую, чем скорость загрузки на вашем компьютере, то этим и будет определяться ваше время загрузки.

Те же принципы в расчетах скорости передачи данных применимы к различным устройствам сетевой связи и хранения данных. Каждый компонент компьютера и сети накладывает свои собственные ограничения на систему в целом. Очень важно не забывать об этом, особенно при проектировании современных цифровых систем видеонаблюдения, предъявляющих растущие требования для более быстрой передачи данных, записи с большего количества телекамер, а также большего числа кадров в секунду.

Все компоненты в такой цепи потокового видео оказывают влияние на общую производительность сети. Проблема «узких мест» не всегда создается самой сетью. Если, допустим, у нас име-

ется сеть Gigabit Ethernet (с соот-

ветствующими сетевыми адаптерами, сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами), то может оказаться, что компьютер, выполняющий роль цифрового видеорегистратора, использует интерфейс жесткого диска АТА66, максимальная скорость которого ограничена 520 Мбит/с, то есть он является более медленным, чем сама сеть, и сам уже становится «узким местом» при воспроизведении изображений с нескольких телекамер на нескольких операторских пультах.

Четкое представление о цифровой сетевой системе в целом и о каждом ее отдельном компоненте является ключевым условием для успешной реализации этой новой технологии в областивидеонаблюдения.

Рис. 11.7. График иллюстрирует пропускную способность в отношении различных типовых устройств и стандартов