疏而不漏——腾讯如何编织数据中心视频监控网络？（组网架构与资源计算）

NVR（网络视频录像机）的选择

在过去的模拟摄像机时代，视频监控的架构基本上是模拟摄像机+DVR/DVS的模式，DVR要负责进行“模拟到数字信号”的转化和编码等工作。

而当前的组网模式逐渐过渡到网络摄像机（IPCamera）+NVR（Net Video Recorder），网络摄像机集成了编码的和数字化的功能，而NVR的主要功能是对网络音视频数据进行集中存储和检索。它和网络摄像机一样，是当前网络视频监控方案的核心硬件。

对NVR的选择主要需要考虑如下的因素：

NVR的接入能力

接入路数、分辨率支持和接入带宽这3个指标综合表明了NVR的接入能力。

接入路数即“NVR可以接入的摄像头路数上限”。图1中的摄像头最高可以接入32路，但前提是在码率合适的情况下。假设每个摄像头均为8M的1080P码流，而图1中的NVR视频接入带宽为200Mbps，所以8M码流实际上只能最高支持到25路。目前市面上主流的接入数量有4路、8路、16路、32路，最高有256路的NVR设备。

分辨率支持即“NVR可以支持最大多少分辨率的摄像头接入”，通常分辨率越高，摄像头的码率也越高，受限于接入带宽，能够接入的路数相应减少。

接入带宽很好理解，常见的NVR视频的接入带宽有从几十到几百Mbps不等。

总之，接入路数越多，接入带宽越宽，分辨率的支持越高，表明NVR的接入能力越强。用户在选择时需要根据自己的应用场景，选择合适路数、分辨率支持及接入带宽的NVR产品。

图1    NVR接入路数及分辨率支持举例

NVR的解码能力

NVR的解码能力决定了NVR的输出能力，即NVR在本地外接显示器时，显示器上可以同时显示最大多少特定分辨率的画面。图1中，该NVR支持4路1080P的解码，意味着它可以直接支持4路1080P分辨率的实时视频查看/回放。当然，用户也可以通过对输出视频流的分辨率的配置，来提高NVR的视频输出路数。

NVR的存储能力

存储视频是NVR的主要功能之一，用户在选择NVR时需要关注NVR最多可以支持多少路硬盘（即多少路Sata接口）、每一路最高支持到多少TB的硬盘，它们共同决定了NVR最高的存储容量。另外在选型时，还要明确NVR是否支持磁盘整列功能，网络渠道购买的大多数NVR都是不支持Raid的通用产品，如果需要支持磁盘整列，需要认准针对工业的NVR型号。

NVR其他需要考虑的性能

NVR其他需要考虑的性能，还包括NVR的输出接口（如VGA、HDMI），以及对协议（如ONVIF）的支持等。

视频系统的组网架构

视频监控系统通过多年的发展，在组网架构上已经日益简单：1.编码被集成到IP 摄像机中2.NVR/EVS等自带存储和管理功能3.用户可自行选择存储盘位、是否自带解码上墙等功能。一个典型的IP Camera组网图如下所示：

图2    典型网络架构图

前端的网络摄像机直接通过POE交换机供电，同时进行网络数据的传输。POE传输的好处是在同一根网线上解决了摄像头的供电和网络传输问题，方便工程施工。后端NVR直接配置需要接入和存储的网络摄像机IP，抓取对应摄像机的视频流进行存储。数据中心行业根据审计的要求，目前通常需要存储不少于3个月的原始视频数据。

用户还可以自主选择集中式或者分布式的网络架构。对于腾讯的微模块架构，为了便于产品化，一直采用的是分布式架构。我们选择了较小容量的NVR，并对每个微模块的多路视频进行收敛，在每个MDC独立存储。对于T-Block或大型园区，可以利用大容量的NVR/EVS进行集中存储管理。相对来讲，集中式架构颗粒度大，冗余可靠性低，但是成本更低、可管理性更高，用户需要自行平衡。

分辨率、码流、帧率

分辨率是指摄像机的像素密度，它代表了摄像机图像的清晰程度。

而码流指视频文件在单位时间内使用的数据流量，码流决定了如何选择网络带宽和存储。

帧率代表每秒钟传输多少帧图像，帧率太低导致图像卡顿，太高则占用过多带宽，通常按25帧考虑。

要理清分辨率、码流、帧率之间的关系，首先我们需要考虑最基础的图片空间占用问题。比如一张1920*1080P的BMP真彩色图片，在没有压缩的情况下，需要占用多少空间？

公式1

BMP真彩色图片每个像素点由RGB共3色组成，每个像素点占用8bit位。代入上述计算公式可以得到空间占用（Byte）=1920*1024*8*3/8 =6075KB=5.93MB。在完全不进行压缩的情况下，如果我们要传输基于BMP真彩色的25帧1080P视频，其码流为：

公式2

显然148MBps的码流会占用巨量的传输带宽，在进行视频传输时是不可能被接受的，为此工程师们设计了各种视频的编码技术来对码流进行压缩，将数据中的冗余信息去掉。目前最常用的视频编码技术，是由ITU[国际电传视讯联盟]主导的H.264/H.265编码制式。一般一个1080P，200万像素H.264的摄像头码流在4Mbps左右。另外当前主流的摄像头还有主码流和副码流的区别，分别对应不同的接入地址，本地局域网通常带宽比较充足，可以选择接入分辨率和码流都较高的主码流，对于远程视频接入可以选择副码流。

存储空间资源计算

视频监控的存储容量和码流有密切的关系。单个摄像头每天录像容量的计算公式为：

公式3

在计算前，我们需要了解摄像机的码流设置。图3、图4为一台典型网络摄像的码流配置界面。可以看到同样的分辨率下，用户可以自行选择固定码流或变码流，如果选择变码流，摄像机可以根据数据量的大小自动调节带宽，遇到图像变化较快，颜色丰富的场景分配的带宽就大一些；图像变化较慢，颜色较不丰富时，分配的带宽就小一些。同时也可以设置变码流的上限。在选择固定码流的情况下，用户也可以自行选定码流，一般对于1080P的摄像头，选择4096Kb/S就能获得较好的效果。

图3    可变码流选择    |    图4    固定码率选择

假定选择了4096Kb/s的码流，将数据代入到上述公式3中可以得到：

经过计算可以得出，1台1080P的摄像机，如果采用4096Kb/s的固定码流，每天需要占用42.2GB的存储空间，用户只要将该数据乘以整体的摄像头数量，就可以计算出整个数据中心每天需要的存储容量，从而选择合适的硬盘配置。需要说明的是，NVR在配置硬盘时为了做到冗余通常需要做磁盘阵列，Raid5技术为每组盘有1块硬盘空间不可用，Raid6技术为每组硬盘2块硬盘空间不可用，在计算时需要扣除。

交换机选择计算

前文提及了主流的视频监控组网架构，那么如何选择合适的POE交换机，避免造成网络拥塞，也需要进行充分的考虑。以下计算假定每台摄像机的码流均为4Mbps。

接入层交换机选择

接入层交换机的选择相对简单。目前主流的接入层交换机每个端口都达到了100M以上，在接入层也不必考虑交换机级联的问题，如果将每个摄像机直接接入到POE接入层交换机的端口，在端口层面是完全没有问题的。但是需要关注接入层交换机的上联端口，如果接入层交换机为24口，在全部插满摄像头的情况下，其整体带宽将达到24*4=96M，考虑到网络开销，建议选择1000M的上行端口。因此对于接入层的交换机，我们只需要选择100M的下行端口，1000M的上行端口就能满足主流1080P摄像头部署需要。

汇聚层交换机选择

要汇聚多台接入层交换机，就需要关注更多的交换机参数——上行带宽、背板带宽和包转发率。这里我们假定汇聚交换机的端口为24口，每个端口均为1000M口，并且下挂满载24个摄像头的接入层交换机。此时汇聚层的流量为：

4Mbps×24×24=2304Mbps。

因此汇聚交换机的上行端口必须选择万兆端口。

交换机的总交换能力，是交换机处理器、接口卡和数据总线配合在一起能够处理的最大数据容量，通常单位为Gbps。一台交换机的背板带宽越大，对数据的交换处理能力就越强。我们通常希望交换机是线速交换机，保证所有的端口都不限速工作，也就是所有端口都全双工工作时，背板带宽仍然能提供无阻塞的包交换。背板带宽的计算公式：

公式4

假定这台汇聚交换机为24个千兆口，4个万兆上行口，则该交换机的背板带宽需求为：

下图为某公司某系列交换机的选型参数表格，可以看到其交换容量为336Gbps，属于线速交换机，在背板容量上不存在瓶颈。

图5    交换机选型表格截图

包转发率则标识了交换机转发数据包的能力，单位一般为Mpps（百万包每秒），通常和交换机的背板带宽成正比。对于万兆以太网，一个线速端口的包转发率为14.88Mpps；对于千兆以太网，一个线速端口的包转发率为1.488Mpps；100M以太网则为0.1488Mpps。交换机的包转发率的计算公式为：

公式5

仍然假定选择的这台汇聚交换机为24个千兆口，4个万兆上行口，其包转发率为：

因此用户可以根据计算的包转发率在图5中选择合适的交换机型号。

其他需要注意的问题

如果有核心层的交换机，可参考汇聚层交换机的计算方式进行选择。需要注意的是，以上计算只考虑了视频实时存储的需要，也就是每个摄像头实时只有一路码流输出。如果每个摄像头除了在实时存储以外，还有另外的客户端在实时查看，则需要相应的附加上这个部分的带宽。另外对NVR接入带宽的选择也需要根据NVR接入的摄像头数量，参考交换机的计算方式进行相应的选择。

总结

天网恢恢疏而不漏，至此，我们已经从“设备选型与布局”和“组网架构与资源计算”两个方面，为大家介绍了腾讯是如何编织数据中心视频监控网络的，这也是腾讯数据中心安防产品“腾讯觅踪”的技术基础。