视频系统网络架构和相关计算

内容简介

这里只关注视频系统的网络架构和存储。关于经典三层架构的网络交换机的选择，不同摄像机的码流是多少，他们对存储容量计算的影响是什么。再比如若干个摄像机，如果要上传到上级，多少兆的宽带够用，如何计算。

一、视频系统的经典架构

关于经典三层视频系统架构，即接入层、汇聚层、核心层。接入层直接连接摄像机设备，汇聚层起到中间汇聚作用，核心层一般直接与存储、显示设备连接。

注： 图片来自网络，核心层使用了热备份，是为了提高可靠性。

1.1 不同交换机

（1）二层交换机： 二层交换机位于 OSI 模型的第二层，即数据链路层。它主要通过物理地址（MAC 地址）来转发数据帧，并且通常不理解或处理 IP 地址。它的转发速度很快，适合大规模的数据流转发。
（2）三层交换机： 三层交换机位于 OSI 模型的第三层，即网络层。它能够理解 IP 地址和进行基本的 IP 路由功能，因此可以实现不同子网之间的通信。它结合了路由器和交换机的特点，具有高速的数据转发和路由功能。它们还可以用于配置虚拟局域网（VLAN）来隔离不同类型的视频流。
（3）网管型交换机： 网管型交换机通常是二层或三层交换机，但具有更高级网络管理和控制功能。它们可以用于配置 VLAN、配置和监控网络参数、进行质量服务（QoS）设置、实施安全策略、以及进行远程管理等，这些功能对于大规模的视频系统和对网络性能要求较高的应用非常重要。

关于交换机的类型这里还不是特别清楚，一个粗浅的认识就是二层交换机是普通交换机，实现子网内部通信（基于MAC地址）；三层交换机可以实现不同子网之间的通信，还可以实现配置VLAN、进而限制广播风暴；网管型交换机也可以实现配置VLAN，而且相比三层交换机，具有更高级网络管理和控制功能，自我理解是反正三层网管型交换机比三层交换机功能更多。

1.2 推荐（仅参考）

接入层使用二层交换机，汇聚层使用三层交换机（可以划分VLAN，限制广播风暴），核心层使用三层网管型交换机。

二、摄像机编码方式

2.1 摄像机码流值

摄像机编码方式、像素和码流的关系如下表所示：

编码方式	像素	码流	备注
H.265	200W	2M	1080P
	300W	3M	3MP
	400W	4M	4MP
H.264	100W	2M	720P
	130W	2M	960P
	200W	4M	1080P
	300W	6M	3MP
	400W	8M	4MP

## 2.2 帧率 摄像机的另一个参数是帧率，表示的是一秒钟显示多少张图像，比如常见的25fps，以上的参考码流就是使用的25fps，如果使用的帧率为50bps，则码流需要×2。 像素决定每张图片的清晰度，而帧率决定视频的流畅度。

三、交换机带宽选择

3.1 接入层交换机

（1）交换机带宽的选择其实跟摄像机的码流有关，选择百兆交换机满足下式
$$摄像机数目\times 单个摄像机码流\le 100M\times 60\%$$
否则需要选择带千兆口（上行）的交换机或者全千兆交换机。
比如选择接入层交换机接入2M码流的摄像机，可以接入的摄像机个数理论上可达30个（30×2M=60M），那么24口的百兆交换机接22个摄像机没问题。
注： 一般认为利用率为50%~70%交换机可以稳定工作。
（2）根据现场情况选择交换机电口和光口数量。比如若需要组接入层光纤环网，则至少需要2个千兆光口+若干百兆口（根据现场摄像机数量）。

3.2 汇聚层交换机

若每个接入层交换机（百兆口）连接15个摄像机（摄像机按照2M码流），每个汇聚层交换机连接4个接入层交换机，则汇聚层交换机上行口至少=2M×15×4=120M，因此上行口需要千兆口，比如选择2个千兆口+6个百兆口交换机或者全千兆交换机。

3.3 核心层交换机

选择全千兆交换机。

四、存储容量的计算

关于码流，关于byte和bit的关系，关于计算公式

4.1 带宽、网速、流量区分

带宽的统计单位：比特/秒（比特率 bps）
网速是数据传输的速度，单位是字节/秒（B/s）
流量是用户上网发送和接收的数据量的总和，单位：字节（Bytes）

4.2 视频存储容量

比特（bit）是信息的最小单位，也叫做位，1字节（Bytes）=8比特（bit），或者1B=8b，因此1B/s=8bps（比特率）

码流大小(即：比特率÷8)×3600(单位：秒；1小时的秒数)×24(单位：小时；一天的时间长)×30(保存的天数)×数量(监控点要保存摄像机录像的总数)×1.1(磁盘格式化的损失10%空间)=所需存储空间的大小。

因此，简化为：
容量（TB）=视频路数×(码流大小/8)×每天录像时间(24h)×保存天数(30天)×3600(秒)×1.1。

五、上传宽带

最开始有过疑问，宽带和摄像机码流的单位是一样的，都是bps，那么10个摄像机不就得20M的宽带才够了，20个摄像机就需要40M了，但实际上我们并不会真使用这么高的宽带。

5.1 双码流技术

主码流与子码流是为了解决在网络情况不好时为了满足远程预览的流畅性降低码率，而不影响本地录像提出的双码流技术，即一路视频进入NVR后，NVR可以编码提供两种码流，主码流和子码流，主码流分辨率高于子码流，主码流用来录像，子码流用来网传。【参考文章: 主码流与子码流】

比如用于计算存储容量的主码流为2Mbps，而子码流一般是可以自己手动设置的，比如设置为0.5M、1M，也有产品子码流根据带宽限制等因素智能调节。

如果视频数目较大，上监控显示大屏的时候也可能会用到子码流，另外还有智能编码或者动态编码之类的技术，在数据传输压力比较大的时候，也会自动切换子码流。

5.2 用户读取数目

如果有多个用户需要远程预览视频，要乘相应的倍数。只有用户远程预览视频画面时，这部分带宽才被利用到，否则其实是闲置的。

5.3 计算参考

比如子码流为0.5Mbps，10个摄像机，2个用户远程读取，那么理论上带宽至少=0.5Mbps×10×2=10M