安防防爆網絡好大的坑，竟然是交換機
發布者：hgx2021yx 發布時間：2021-05-26 16:26:57
安防自模擬轉IP之后，網絡在安防的應用越來越重要，也越來越復雜。筆者在安防網絡領域從業多年，發現行業內的技術人員走了很多彎路，無論是安防廠商、集成商還是最終用戶，對交換機如何選型及視頻卡頓的原因存在不少誤解。
市面傳的很多所謂選型經驗和文檔，其實都是滿滿的坑，比如某篇《一個交換機到底能帶幾臺攝像頭》……，所以，今天我把這些常識性錯誤簡單總結一下。
誤區1：盲目根據交換容量計算攝像機帶機數量
這種算法，就是把交換機的交換容量簡單除以攝像頭的碼流，然后計算出帶機數量。
如果根據這個理論，一臺24口全千兆非網管交換機每個端口速率都是1000Mbps，下連端口只要合計接入不超過250路4M碼流的攝像機就沒有問題，那整臺交換機就可以帶幾千路?
估且按所謂的實際性能一般只有理論值的 60~70%，那每個下連端口也可以合計接入不超過150路就沒有問題，整機怎么著也可以帶1000多路?
可實際情況是這樣嗎?
照這個邏輯，千兆傻瓜機和網管機帶機能力也沒啥區別了。當我們按照這個理論去分析視頻卡頓的網絡原因，會分析到你懷疑人生。
最后發現，網絡的各個節點的帶寬設計完全沒有問題，流量根本不存在瓶頸，交換機運行狀態看起來很正常的，可視頻就是卡卡卡，馬賽克花花花，怎么解釋?
誤區2：交換機的實際性能一般只有理論值的 60~70% ?
很多人，甚至是交換機廠家的售前，會在做安防方案的時候，跟你說，交換機實際轉發性能只有理論值的60%~70%，所以，計算待機數量要留余量。
實際上一般的芯片公司推出的某一款芯片的實際性能(交換容量)都能達到理論值，至少筆者從事安防領域數十年，在從業期間還從未見過哪家公司沒能達到理論值的。
24口全千兆交換芯片，交換容量必須≥48Gbps【24(24個端口)X1G(1000M)X2(全雙工)=48G】，否則就達不到線速轉發，我想沒有哪一家芯片設計公犯這種低級的常識性錯誤，也沒有哪一家正規交換機廠商會把一款達不到線速轉發性能的交換機推向市場(機箱式交換機線卡存在阻塞比另當別論)。
如果你真遇到過交換機的交換容量達不到理論值，只有60~70%的性能，那恭喜你，你成功購買了一臺次品，這種次品正規廠商想做都做不到，因為只有研發設計或者生產制程有缺陷，并且沒有經過專業測試就直接市場銷售的才有可能出現這種產品。同理，包轉發率也是如此。
誤區3：根據經驗進行交換機選型
目前各個網絡設備廠商在涉足安防網絡項目時，除了按端口規格選型，按交換容量選型，還有最重要的一個手段，就是根據以往的項目經驗選型。
可是我們常常遇到這樣的情況，同一款交換機在不同項目中，并且這些項目網絡規模差不多，攝像機數量及碼流也差不多，組網方案也是一樣的。
A項目是好的，B項目也是好的，可是C項目就會出現卡頓，WHY?
立馬聯系廠家換一臺，一換就好了，嗯，看來真是運氣不好。可是過段時間又出現卡頓了，WHY?
不斷的換設備，重啟設備，調整網絡結構等。反復折騰，也許好了，也許還是會隨機卡頓，搞的筋疲力盡，最終也無法定論，甚至一線網絡品牌廠家也給不出一個準確原因。
首先，我們先來簡單的剖析一下視頻流傳輸的基礎原理：
視頻流是由I幀和P幀組成，其中I幀為超大幀，在網絡傳輸的過程，I幀的任何一個報文的丟失，就會導致視頻無法成像，同時，由于視頻的實時性要求，一般采用UDP的傳輸機制，即丟包不重傳，所以，基本上網絡只要出現丟包，就會卡頓。
其次，再來簡單介紹一下交換機的交換原理：
當某個100M端口向另一個100M端口傳輸1M的數據流時，是以100M的速率傳輸了1/100秒。如果這1/100秒時有另外一個100M端口也向同一個100M端口傳輸1M的數據流，雖然兩個端口加起來數據流只有2M，遠沒有達到100M的帶寬瓶頸，但也會擁塞。
同理，1000M端口在同一時間點只能接受一個1000M端口傳輸數據，但可以同一時間點接受10個100M端口傳輸數據，但超過10個，也會擁塞。
所以，流量(帶寬)與速率是二個概念，不能混為一談。無論傳輸的數據流有多大，傳輸的速率都是100M或1000M，只是不同數據流大小傳輸所需的時間長短不同罷了。當速率相同的情況下，兩個及以上的端口在同一時間點向同一端口傳輸時，就會擁塞。此時緩存如果能夠存放下擁塞的數據流，就不會丟包，如果緩存存放不下，就會丟包。
通過以上兩點的簡單分析，我們可以明白，當交換機傳輸經過的視頻流路數越多，瞬間并發的可能性就越大，那么擁塞的概率就越高，這也是為什么匯聚層或核心層更容易擁塞的原因，尤其是核心層，傳輸經過的視頻流路數是最多的，整個網絡幾百路上千路都要經過核心交換機進行傳輸。
這里要再次重點強調，安防網絡中，卡頓丟包多數是因為這種擁塞而導致的，而不是轉發性能導致的，這是兩個完全不同的概念。
備注：很多客戶會將延時和卡頓混淆，延時指的是圖像數據從前端的網絡攝像機采集后到用戶端的監視設備觀看到圖像的時間差。攝像機采集后的圖像通過壓縮編碼、網絡傳輸、解碼輸出顯示等處理，這些過程雖然很短暫，但我們仍然可以感覺顯示的圖像有滯后，這個滯后就是圖像延時。但延時只要不超過1S，是很難直觀感覺到，并且多數場景也不影響應用。除非是一些特定的工業領域，需要依據視頻的分析做出毫秒級的處理的，那延時就比較關鍵了。延時并不會產生圖像丟失，也不會丟包。而卡頓則會造成圖像丟失，是因丟包引起的。
除了擁塞丟包外，還有一種原因就是因為布線工程的質量引起的，比如線路老化，水晶頭氧化，水晶頭沒有做好等，這些情況都會導致類似于FCS錯誤幀而引起丟包。嚴格意義上，這跟交換機沒有關系，在此就不細說。
1、根據攝像機的碼流和數量做好交換機規格選型，并設計好組網方案。
隨著網絡在安防的普及，從業人員的技術能力逐步加強，因規格選型和組網方案導致的網絡故障會越來越少。如果因為這個原因導致帶寬瓶頸，確實太低級了。某網絡共有XX臺X碼流的攝像機，接入層該選多少臺什么樣端口規格(端口數量和端口速率)的交換機，匯聚層該選多少臺什么樣端口規格的交換機，核心層該怎么選，這類簡單的知識我就不在這里浪費筆墨去寫了，網上很多。
同時，為了應對突發流量，在選型和設計方案時，交換機端口的帶寬使用率建議不要超過70%，控制在60%以內。注意：并不是因為實際性能只有理論值的 60~70%，而是為了預防突發流量，不建議使用率過高。轉發性能是步要保證的，然后再去考慮避免擁塞。
2、盡可能選用緩存大的網管型交換機。
緩存是可以減少擁塞導致的丟包，理論上，如果緩存足夠大，丟包為零，視頻也不會因網絡原因卡頓。曾經有客戶問過筆者，那該怎么計算XX路XX碼流的攝像機該用多大緩存的交換機?理論上是可以計算的，但實際上你計算完了之后，發現地球上目前還沒有能滿足這個緩存需求的交換機。
擁塞是有概率性的，不可能每個端口都會同時擁塞，所以芯片公司不會這樣去設計緩存，因為緩存的成本太高。正常情況下，越高端的交換機，業務特性越豐富的交換機緩存越大。這也就是為什么當我們選擇網管型，或者三層交換機，丟包卡頓的概率會低一些。同樣24口千兆交換機，非網管的緩存可能只有幾百K，而三層交換機緩存可能有幾十M。
所以，當預算足夠，成本可以接受的時候，盡可能選擇緩存大的網管型交換機，因為這是芯片公司設計芯片時的規律。普及一個小知識，同樣24口千兆非網管芯片與24口千兆三層芯片，交換容量是一樣的，不一樣的是各種表項容量，緩存大小，業務特性(功能)等。對于設備廠商來說，研發交換機時，只能盡可能選擇緩存大的芯片，并不能更改緩存的大小，這是芯片的硬件特性。
可是，無論交換機怎么選型和組網設計，目前沒有任何一家廠商敢保證他的產品和方案在任何安防項目中永遠都不會出現卡頓。因為攝像機碼流的傳輸是動態的，擁塞的可能性隨時存在，而交換機的緩存大小又不可能完全解決所有攝像機擁塞的需要。
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