Пропускная способность сети для видеонаблюдения

Пропускная способность — это наиболее фундаментальный элемент сети для систем видеонаблюдения. Поскольку видеонаблюдение может генерировать огромное количество трафика, а различия в нагрузке на пропускную способность сети камер наблюдения могут быть очень значительными, понимание сути пропускной способности для сетей видеонаблюдения имеет решающее значение.

В этом подробном руководстве мы рассмотрим следующие пункты:

• Измерение пропускной способности
• Биты против байтов
• Кило, Мега и Гига
• Битрейт
• Сжатие и пропускная способность
• Пропускная способность на камеру
• Постоянная или переменная скорость передачи данных (CBR или VBR)
• Факторы потребления пропускной способности камеры
• Практические примеры использования расчета пропускной способности
• Изменение пропускной способности через время
• Пропускная способность и рекордеры
• Клиентский просмотр: многопотоковая передача и транскодирование
• Симметричные и асимметричные сети
• Пропускная способность сети
• ЛВС против глобальной сети
• Определение размеров сети для видеонаблюдения
   

Измерение пропускной способности

Пропускная способность обычно измеряется в битах (например, 100 Кбит/с, 1 Мбит/с, 1000 Мбит/с и т. д.). Бит — это фундаментальная единица пропускной способности и хранения данных.

Вы можете посмотреть пропускную способность в вашей сети открыв диспетчер задач, как показано ниже:

На вашем компьютере обычно отображается скорость получения и скорость отправки информации(т.е., когда вы смотрите видео на YouTube, вы получаете информацию, когда вы отправляете электронное письмо, вы передаете информацию). Они также известны как скорости скачивания и закачивания соответственно.

Иногда нам может потребоваться узнать, какая пропускная способность реализована в конкретной камере, сервере VMS или NVR. То, как это выполняется, различается от системы к системе и от камеры к камере, поэтому пользователям следует обратиться к документации оборудования при расчете общей нагрузки на сеть.

Биты против байтов

Пропускная способность обычно измеряется в битах, но иногда используют и байты, что приводит к путанице. 8 бит равны 1 байту, поэтому и тот, кто говорит “40 мегабит в секунду”, и другой человек, говорящий “5 мегабайт в секунду”, говорят об одном и том же. Но использование широкой терминологии вносит путаницу, особенно для новичков и далеких от сетевых технологий людей.

Биты и байты используют одну и ту же букву для обозначения. Единственное отличие состоит в том, что в битах используется строчная буква «б», а в байтах — заглавная буква «Б». Легко запомнить это, вспомнив, что байты «больше», чем биты. Например, 100 Кб/с и 100 КБ/с, последняя в 8 раз больше первой. 
(Примечание переводчика: в России используется наименование единицы без сокращения, например Мбит/с или Мбайт/с., но в англоязычной литературе будет именно вышеуказанное обозначение.) 

Мы рекомендуем использовать биты при описании пропускной способности системы видеонаблюдения, но помните, что некоторые люди, часто со стороны сервера/хранилища, будут использовать байты. Поэтому будьте бдительны и убедитесь в том, что собеседник и вы говорите об одном и том же.

Кило, Мега и Гига

Для отправки видео требуется много битов (или байтов). На практике у вас никогда не будет видеопотока со скоростью 500 бит/с или даже 500 байт/с. Видео обычно требует как минимум тысячи или миллионы бит. Агрегированные видеопотоки часто требуют миллиардов бит.

Распространенными выражениями/префиксами для обозначения большой пропускной способности являются:

• Килобиты— это тысячи, например, 500 Кбит/с равно 500 000 бит/с. Отдельный видеопоток в килобитах имеет тенденцию иметь либо низкое разрешение, либо малое количество кадров, либо высокое сжатие (или все вышеперечисленное).
• Мегабиты— это миллионы, например, 5 Мбит/с равно 5 000 000 бит/с. Видеопоток отдельной IP-камеры обычно имеет однозначные мегабиты (например, 1 Мбит/с, 2 Мбит/с или 4 Мбит/с — довольно распространенные диапазоны). Скорость отдельного видеопотока более 10 Мбит/с встречается реже, хотя и не является невозможной для моделей со сверхвысоким разрешением (4K, 20MP, 30MP и т.д.). Однако для одновременной потоковой передачи со 100 камер обычно может потребоваться скорость 200 Мбит/с или 300 Мбит/с и т.д.
• Гигабиты— это миллиарды, например, 5 Гбит/с равно 5 000 000 000 бит/с. Для видеонаблюдения редко требуется пропускная способность более гигабита, если только у вас нет очень крупномасштабной системы наблюдения, передающей все видео на центральный узел.
   

Битрейт

Пропускная способность аналогична скорости автомобиля. Это скорость с течением времени. Так же, как вы могли бы сказать, что ехали со скоростью 96 км/ч, вы могли бы сказать, что пропускная способность камеры составляет 600 Кбит/с, т. е. что за секунду было передано 600 килобит.

Скорость передачи данных — битрейт - всегда выражается как данные (биты или байты) за секунду. Поминутные или часовые значения неприменимы, прежде всего потому, что сетевое оборудование рассчитано на то, что устройство может обработать в секунду. 

Сжатие и пропускная способность

По сути, все видео, передаваемое по сети, сжатое. Камеры наблюдения могут создавать несжатое видео (например, аналоговое), но оно все равно почти всегда сжимается перед отправкой по сети. Теоретически, можно отправлять несжатое видео наблюдения по сети, но огромная скорость передачи даже одного потока (1000 Мбит/с+) делает это непрактичным и неоправданным, а еще его очень сложно хранить.

Пропускная способность на камеру

Пропускная способность обычно измеряется для каждой камеры, и ширина пропускной полосы, необходимый каждой камере, может значительно различаться.

Можно и нужно суммировать потребности в полосе пропускания каждой камеры в сети, чтобы определить общую нагрузку. Например, если у вас в сети 10 камер и 3 из них используют скорость 4 Мбит/с, 4 из них используют 2 Мбит/с и 3 из них используют 1 Мбит/с, общая нагрузка на сеть для этих 10 камер составит 23 Мбит/с. с.

Постоянная, переменная и максимальная скорость передачи данных (CBR, VBR и MBR)

Объем полосы пропускания, необходимый камере в любой момент времени для поддержания определенного уровня качества, меняется со временем, иногда существенно. Например, камере может потребоваться 1 Мбит/с для пустого школьного коридора в воскресенье днем, но для того же места в понедельник утром может потребоваться 4 Мбит/с.

Есть три способа справиться с этим:

• Переменный битрейт (VBR), при котором скорость передачи данных изменяется, чтобы поддерживать качество на заданном уровне независимо от активности в кадре.
• Максимальный битрейт (MBR), также называемый VBR с ограничением, при которой скорость передачи данных изменяется, но не более, чем заданный пользователем максимум.
• Постоянный битрейт (CBR), при котором скорость передачи данных камеры неизменна, даже если сцена меняется.

Знание того, какой тип управления битрейтом использует камера, имеет решающее значение, поскольку это существенно влияет на нагрузку в сети.

(Примечание переводчика: на данный момент устоялось понятие VBR с лимитом вместо MBR, однако в англоязычной литературе встречаются оба варианта)

Факторы потребления пропускной способности камеры

Не существует установленного стандарта ограничения скорости IP-камеры. Но на примере транспортного средства на шоссе вы можете разумно оценить, что почти все автомобили будут двигаться со скоростью от 80 до 110 километров в час, тогда как по узким городским улочкам скорость будет уже от 40 до 60 километров в час.

И подобно разным автомобилям на шоссе, видеопотоки с камер будут потреблять разный объем пропускной способности сети, в зависимости от типа камеры: некоторые имеют скорость всего 50 Кбит/с (0,05 Мбит/с), а другие обычно в 300 раз выше (15 000 Кбит/с) и 15 Мбит/с.

Вот несколько распространенных факторов влияющих на загрузку сети:

• Разрешение: при прочих равных, чем больше разрешение, тем больше нагрузка на сеть;
• Частота кадров: при прочих равных условиях, чем больше частота кадров, тем больше нагрузка на сеть;
• Сложность сцены: чем больше активности в сцене (много машин и людей, движущихся, либо отсутствие света), тем большая пропускная способность требуется;
• Приглушенный свет: ночное время часто, но не всегда, требует большей пропускной способности из-за шума камер;
• Аналитика и другое: некоторые модели в зависимости от наличия аналитики, тревог, сухих контактов и прочих опций могут сильно изменять объем трафика с камеры.
   

Практические примеры использования расчета пропускной способности

В качестве примера того, насколько может варьироваться полоса пропускания, приведенные ниже измерения взяты из различных тестов. Это реальные показатели пропускной способности, полученные в результате нашего тестирования в реальных условиях.

• Перекресток 720P 30FPS: 4 Мбит/с
• Конференц-зал 1080p 10FPS: 0,5 Мбит/с
• Конференц-зал 1080P 10FPS: 0,625 Мбит/с
• 1080P 30 кадров в секунду ИК на перекрестке: 5 Мбит/с
• Панорамный офис 5MP 15FPs: 3,5 Мбит/с
• Прекресток 4K 30FPS: 7 Мбит/с
• 4K 10 кадров в секунду ночью на улице: 24 Мбит/с

Обратите внимание, что эти цифрыне предназначены для того, чтобы дать усредненные примеры измерений битрейта в этих сценах, а просто показать, насколько может варьироваться потребление пропускной способности.

Пропускная способность и рекордеры

Видеонаблюдение потребляет пропускную способность сети в одном из следующих двух типичных сценариев:

• Камера/энкодер-рекордер: видео обычно генерируется на одном устройстве, а записывается на другом (например, камера генерирует видео, а сервер DVR/NVR/VMS записывает его). Между ними необходимо передать видео. Если подключение осуществляется через IP-сеть (например, от IP-камер к NVR/VMS), то потребляется пропускная способность.
• Регистратор-клиент: по статистике, люди просматривают очень низкий процент видео. Часто человек смотрит на ином устройстве в IP-сети, нежели то на котором было записано. Например, записывающее устройство может находиться в стойке в ЦОД, а средство просмотра (т. е. клиент) находится на ноутбуке, мобильном телефоне или станции мониторинга. Такой сценарий потребляет значительно меньше пропускной способности, но его тоже следует учитывать при расчете.

Что касается аналоговых камер ( NTSC/PAL, аналоговые HD, HD SDI), обычно не потребляют пропускную способность сети, если видео не отправляется клиентам, поскольку каждая камера имеет кабель, напрямую подключенный к рекордеру.

Для всех типов камер относительное физическое размещение рекордера рядом с камерой существенно влияет на потребление пропускной способности. Например, представьте себе 1000 камер, по 100 камер в каждом из 10 зданий жилого комплекса. Если в каждом здании есть записывающее устройство, требования к пиковой пропускной способности будут примерно на 90% ниже, чем в случае, если для записи имеется только одна площадка (т. е. для каждого здания, записывающего свою собственную запись, может потребоваться сетевое подключение только со скоростью ~ 200 Мбит/с по сравнению с ~ 2 Гбит/с). У каждого подхода есть свои плюсы и минусы, но знание того, где вы разместите записывающие устройства, имеет большое значение.

ЛВС против глобальной сети

LAN, как следует из названия, относится к сетям, локальным для здания, жилого комплекса или микрорайона. Напротив, глобальные сети (WAN) — это сети, которые «широко» соединяются между городами, странами и т. д.

Условно говоря, пропускная способность в локальных сетях дешевле и проще, чем в глобальных, поскольку трафик в локальных сетях часто не лимитирован.

Пропускная способность сети

В локальных сетях существуют три наиболее распространенные характеристики пропускной способности сети:

• 100 Мбит/с
• 1 000 Мбит/с
• 10 000 Мбит/с

В частности, для современных сетей вполне обычными являются соединения со скоростью 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с.

Сети со скоростью ниже 100 Мбит/с в локальных сетях являются пережитком прошлого. Они могут существовать в сетях, установленных много лет назад, но сегодня никто не устанавливает сети LAN со скоростью ниже 100 Мбит/с.

Глобальные сети могут обеспечить такую ​​же или большую пропускную способность, что и локальные сети, но затраты, как правило, значительно выше (порядка в 10 или 100 раз дороже за бит), поскольку эти сети должны прокладываться на большие расстояния и преодолевать множество препятствий. Конечно, можно обеспечить 1-гигабитное WAN-соединение, но вероятность того, что это будет сделано для видеонаблюдения, очень мала, учитывая затраты, которые обычно это влечет.

Симметричная и асимметричная пропускная способность

Многие сети/соединения WAN имеют асимметричную пропускную способность, что является проблемой для удаленного мониторинга или записи видео.

• Симметричная полоса пропускания означает, что полоса пропускания одинакова «туда» и «сюда», т. е. канал может передавать тот же объем трафика, что и принимать (классическим примером является 100 Мбит/с вверх и 100 Мбит/с вниз).
• Асимметричная полоса пропускания означает, что пропускная способность вверх и вниз не одинакова. В частности, полоса пропускания «вверх» часто намного ниже, чем полоса пропускания «вниз». Это часто встречается в жилых домах и сетях бытовых провайдеров.

Асимметричные соединения обеспечивают достаточную скорость нисходящего потока для видео и общего использования, но могут обеспечить лишь часть скоростей, необходимых для передачи видеопотока. Пропускная способность нисходящего канала при обычных кабельных модемных соединениях может составлять 50 Мбит/с, 100 Мбит/с, 300 Мбит/с или более. Однако эти же соединения чаще всего рассчитаны только на скорость 5 Мбит/с или выше 15 Мбит/с, что может стать проблемой для тех, кто пытается передавать потоковое видео через эти соединения.

Определение размеров сетей для видеонаблюдения

Объединив эту информацию, чтобы определить размер сети для видеонаблюдения, вам необходимо знать:

• Сколько трафика генерирует каждая камера, в зависимости от ее разрешения, частоты кадров, кодека и места установки.
• Насколько близко (или далеко) рекордер или сервер будет расположен к подключенным к нему камерам, какое количество камер требуется установить в подсеть.
• Какова пропускная способность этих сетевых подключений и какую уже существующую нагрузку должны поддерживать эти сети — это особенно актуально, если вы строите видеонаблюдение на основе существующей ЛВС, где добавление даже нескольких камер существенно замедлит работу всей сети. 
  
  

Перевод статьи IPVM, оригинал по этой ссылке.