HD IP KAMERA SİSTEMLERİ İÇİN ENDÜSTRİYEL NETWORKLERİN OPTİMİZASYONU

Özet
Son yapılan piyasa araştırmalarındaki artan sayıdaki IP kamera kullanımı, analistlerin tahmin ettiği gibi mega piksel çözünürlüğün gelecekteki IP kamera sistemlerinin temel gereksinimi olacağı tahminlerini doğru çıkardı.

Güvenlik kamerası networkleri genişledikçe ve güvenlik sektörü işletmecileri HD kamerası uygulamaları için daha yüksek çözünürlük talep ettikçe, temel bir problem network dizayncılarını ve sistem yöneticilerini rahatsız etmeye devam etti: bant genişliği. Yalnızca yeterli veri depolamasına ve yeterli bant genişliğine sahip olan iyi dengelenmiş bir altyapı dizaynı yüksek performanslı bir kamera sistemini ve gelişmiş network ölçeklenebilirliğini, uygunluğunu, verimliliğini ve güvenliğini sağlayabilir. Bu makalede yüksek hızlı tren istasyonu için gereken HD IP kamera sistemi networkunun detaylı analizi tanımlandığı gibi, dayanıklı bir HD IP kamera sisteminin temel değerlendirmeleri de tanımlanmaktadır.

hd-ip-kamera

Genel Bakış
Video güvenlik kamerası endüstrisindeki günümüz trendlerinde analog CCTV sistemlerinden, HD IP kamera networklerine giderek artan sayıda geçiş olduğu görülmektedir. Analistler (IMS araştırması) ayrıca 2015 yılına kadar bütün network kameralarının %70'inden fazlasının mega piksel çözünürlük kapasitesiyle satışa sunulacağını rapor etmektedirler. Güvenlik endüstrisindeki bu değişimi tanımlama ile ilgili Amerikan İç Güvenlik Departmanı (USDHS) bir kitapçık yayınlamıştır, bu kitapçık en iyi dizayn uygulamaları rehberi, video kamera sisteminin seçimi ve uygulanması (VSS) ile ayrıca altyapı cihazları ve bileşenleri için minimum gereksinimleri kapsamaktadır. USDHS ayrıca HD formatının yüksek renk doğruluğu sunduğunu, çözünürlüklü ve çerçeve oranı standardizasyonu tek mega piksel alt kümesi olduğunu belirterek mümkün olduğu anda HD güvenlik kamerası sisteminin kullanımını tavsiye etmektedir.

Video güvenlik kamerası uygulamaları hacim olarak genişledikçe ve daha yüksek çözünürlüklere ihtiyaç duyuldukça, network tıkanıklığından kaçınmak amacıyla video trafik yönetimi ve network kaynak paylaşımının en uygun düzeyde olması zorunlu hale gelmiştir. HD IP kamera sistemlerinin yayılma planı değerlendirmesinde gelecekteki genişleme gereksinimleri için network ölçeklenebilirliği de önemli bir faktördür.

İzleme networkunun ihtiyaç duyduğu bant genişliği miktarı ve depolaması belirlenirken video güvenlik kamerası sisteminin tipinin tanımlanmasına ihtiyaç duyulur. USDHS ayrıca video uygulamalarının üç adet servis sınıflandırmasından bahsetmektedir; gerçek zamanlı gözleme (canlı izleme), adli inceleme (olay kayıt) ve tanımlama (akıllı video analizi). Bu sınıflandırmaların her biri bant genişliği ve depolama gereksinimlerini direk olarak etkileyecek farklı network kaynağı talebinde bulunacaklardır. Bir video güvenlik kamerası sisteminin bir taneden fazla sınıflandırma tipine ihtiyaç duyması mümkündür, bu durumda ilave network kaynakları gerekecektir.

Bant Genişliği ve Depolama Hesaplaması
Gerek var olan bir networkun yükseltilmesinde, gerekse IP kamera sistemi için yeni bir altyapı kurulumunda video kamera takip sisteminin ihtiyaçlarına ilişkin anahtar bilgilendirme örneğin kamera sayısı, video çözünürlüğü, FPS oranı, görüntü karmaşıklığı ve sıkıştırma tipi bant genişliği ve depolama ihtiyaçları belirlenmeden önce tespit edilmiş olmalıdır. IP kamera sistemlerinin bant genişliği ihtiyaçlarını hesaplamak için pek çok araç mevcuttur.

Bununla birlikte bu sayılar sadece tahmini hesaplamadır ve yalnızca referans için kullanılır.

Bant genişliği 10 15 kameradan oluşan bir network için (her birisi 72p çözünürlükteki bant genişliğinin yaklaşık 3 Mbps'sini kullanır) genelde 100 Megabit network yeterli olurken, 30 adetten fazla kameraya sahip büyük ölçekli bir network video iletimi için muhtemelen Gigabit omurgaya ihtiyaç duyulacaktır.

Şekil 1 aşağıda iki uzak yerleşimli tipik bir güvenlik kamerası sistemi gösterilmektedir. Kontrol merkezindeki görüntüleme istasyonları sürekli olarak aktiftir ve A ile B yerleşimlerindeki her bir HD kamera 3 Mbps'lik network trafiği üretir. A yerleşimi için var olan görüntüleme istasyonu A yerleşiminden 25 video akışı gösterir. A/B yerleşimi için olan izleme istasyonları toplamda 45 video akışını gösterir, bunun 25 tanesi A sitesine, 20 tanesi B sitesine aittir. Bütün izleme istasyonlarındaki video kalitesini garanti etmek ve network ölçeklenebilirliğini geliştirmek için bir Gigabit network omurga bu HD güvenlik kamerası sistemi networküne yerleştirilmelidir.

hd-ip-kamera-bant-genisligi

Depolama

Depolama gereksinimleri büyük ölçüde çözünürlük, kamera sayısı, çerçeve oranı, sıkıştırma tipi ve depolama günü süresi gibi faktörlere bağlıdır. H.264 ve Motion JPEG sıkıştırma formatları için örnek depolama formatları aşağıda gösterilmiştir.

MJPEG depolama formülü = Ortalama Çerçeve Boyutu X Çerçeve Oranı X Süre

Örnek: Saniyede 15 çerçeve oranlı, %100 kaliteli, 4CIF video akışlı 8 saatlik bir arşiv için

depolama gereksinimi :

100 KB X 15 fps X 3600s = 5,400,000 KB/saat

= 5.4 GB / saat X 8 saat

= 43.2 GB

H.264 depolama formülü = Bit Oranı (kbps) X Süre

Örnek: 3M bps (375 KB) hedef bit oranlı 8 saatlik video akışı için depolama

gereksinimi:

375 KB X 3600s = 1,350,000 KB / saat

= 1,35 GB / saat X 8 saat

= 10.8 GB

Network Bant Genişliği Tüketimi ve Depolama İhtiyaçlarının Azaltılması

Sürekli görsel izleme gerektirmeyen takip uygulamalarında, dağıtımı yapılan video kaydı ve IVA, güvenlik işletmecilerinin bir olay olduktan sonra görüntüleme amacıyla video kaydına girmelerine imkan tanır ve network bant genişliğini yalnızca gerekli olduğu zaman kullanır.

Dağıtılmış Depolama

Lokal SD kartları veya networke ekli depolama cihazları (NAS) üzerine video kaydının depolanması, ayrıca dağıtılmış depolama olarak ta bilinir, geleneksel merkezi depolama platformu ile kıyaslandığında bant genişliği tüketimini ciddi biçimde azaltır; video verisi lokal olarak depolanır ve bir kullanıcı tarafından talep edilmedikçe merkezi kontrol odasına geri iletilmek zorunda değildir. Dağıtılmış depolama kullanmanın bir diğer avantajı ise merkezi network kullanım dışı olduğunda bile yerel güvenlik personeli video verisi girişi yapabilmektedir. Video güvenlik kamerası networkleri, merkezi network omurgası bant genişliği gereksinimleri üzerinde direk etki yapmaksızın hızlı bir şekilde genişleyen dağıtılmış depolama platformu kullanırlar.

Akıllı video analizleri

IVA bir olay tetikleyicisine izin verir bu video kaydına ve güvenlik personelinin uyarısına dayalıdır, örneğin bir izinsiz giriş veya önceden belirlenmiş bir değişken durumunda depolama/bant genişliği kaynaklarının tüketimi minimize edilir. Ayrıca IVA, video güvenlik kamerası sistemini görsel olarak izleyen güvenlik personelinin gereksinimini sayı olarak azalttığından işletme maliyetini önemli bir şekilde düşürür.

Video Sıkıştırma Etkili bir sıkıştırma formatının kullanılması bant genişliği ve depolama gereksinimlerini oldukça azaltır. Günümüzde kullanılan en etkili sıkıştırma standardı H.264’tür, bu standart (MPEG 4’e kıyasla) %50’ye kadar ve (MJPEG’e kıyasla) %80’e kadar ortalama bit oranını azaltmak için gelişmiş bir dahili öngörü şeması kullanır.

Multicast IP Multicasting

protokolleri bir kameranın her bir veri iletisinin yalnızca bir kopyasının bir multicast gurubu için belirlenen adresine akışının yapılmasına izin verir, burada her bir veri iletisinin kopyaları bu multicast gurubunun her bir abonesine yönlendirilir. IGMP mesajlarını izleyerek multicast trafiğinden network taşmasını önlemek için IGMP trafik gözetleme layer 2 switch’leri tarafından kullanılır. Multicast ve IGMP gözetleme IP güvenlik kamerası networku üzerindeki bant genişliği ihtiyaçlarını önemli ölçüde azaltır. Multicast filtrelemenin faydalarına şunlar dahildir:

Kaynak (örneğin kamera) üzerindeki yükün minimize edilmesi; video verisinin yalnızca

bir kopyasının iletilmesine ihtiyaç duyulur.

Network bant genişliğinin etkili kullanımı ve multicast gurup üyelerinin sayısı arttıkça

networkun ölçeklenebilir olması.

Multicast Filtrelemesiz Network

Bütün hostlar multicast trafiğini alırlar, hatta veri talep etmemişlerse de alırlar.

ip-kamera-multicastsiz

Multicast Filtrelemeli Network

Hostlar yalnızca aynı guruba ait oldukları diğer hostlardan veri kabul ederler.

ip-kamera-multicast-filtreli

IP Güvenlik Kamerası Sisteminde Kesintisizliği Garanti Eden Yüksek Performanslı Network

Ulaşılabilirlik

Network ulaşılabilirliği direk olarak sonucu etkiler ve her network dizaynında temel gereksinim olmak zorundadır. Operasyon devamlılığı ve sistemin kullanım dışı olmasını minimize etmek için, hem kablolu, hem kablosuz Ethernet cihazlarında milisaniye seviyeli network yedeklemesi kullanımını tavsiye ediyoruz.

Altyapı

Kenardan merkeze katmanlı bir yapı (kenar, dağıtım ve merkez) network esnekliğini, ölçeklenebilirlik ve yönetilebilirliği geliştirecektir ve bunlar işletmecilerin kolayca depolama planı yapmasını, bant genişliğinin ve yedekleme gereksinimlerinin hızlı bir şekilde gelecekteki güvenlik kamerası network yayılmalarında uygulanmasını sağlayacaktır.

Güvenlik

Siber güvenlik her network altyapısı için bir meseledir. Yetkisiz girişlere izin vermemek amacıyla güvenlik duvarı/VPN sağlamak için kullanılan güvenli routerlere ilaveten, 802.1x veya port tabanlı kimlik doğrulama yüksek güvenlik gereksinimleriyle IP güvenlik kamerası uygulamalarında kullanılabilir.

Verimlilik

Network verimliliğini artırmak için VLAN’lar ve QoS (quality of service) IP güvenlik kamerası networkunde uygulanmalıdır.

VLAN’lar geleneksel networklerden çok daha esnek bir network bölümlendirmesi sağlar ve bunun faydaları şunlardır:

Vlan’lar network üzerindeki cihazların yer değiştirmesini kolaylaştırır

Bir VLAN üzerindeki host’lar aynı fiziksel network üzerinde olmak zorunda değildir, hatta farklı uzak lokasyonlara bile konuşlandırılabilirler. VLAN’lar network yöneticilerinin network düğümlerini fonksiyonellik ve/veya hizmet tipine göre mantıklı bir şekilde guruplaştırmalarına imkan tanır.

VLAN’lar ekstra güvenlik sağlar

Bir VLAN içerisindeki cihazlar yalnızca aynı VLAN içerisindeki diğer cihazlar ile iletişim kurabilirler. Eğer A Vlan’ı üzerindeki bir cihaz B Vlan’ı üzerindeki bir cihaz ile iletişim kurmak gereği duyarsa, veri yönlendirici bir cihazdan veya bir Layer 3 switch’ten geçmek zorundadır.

VLAN’lar network trafiğinin kontrolüne yardımcı olur

Geleneksel networklerde, yayın trafiğinin neden olduğu sıkışıklık bütün network cihazlarına yönelir. VLAN’lar networkun verimliliğini arttırır çünkü her bir VLAN yalnızca birbirileriyle iletişim kuracak olan cihazları kapsayacak şekilde düzenlenir.

QoS

önceliği, veri önceliğine imkan tanır, böylece zaman hassasiyetli ve kritik sistemli paketler işlenebilir ve belirli bir performans seviyesini garanti etmek için network boyunca hızlı bir şekilde minimum gecikmeyle gönderilir. QoS paket tipine veya porta dayalı olarak uygulanabilir, bu uygulamanın/ servisin ve network yapısının karmaşıklığına bağlıdır, gecikmeyi ve sapmayı önlemek amacıyla yapılır.

Dizayn ve Uygulama Örnek Çalışması:

Tren İstasyonu İzlemek İçin HD Güvenlik Kamerası Networku

Asya’daki ulusal bir demiryolu şirketi, başkentlerinde yapımı yeni tamamlanmış olan bir istasyonu izlemek için 200’den fazla kameraya sahip bir veri yoğun IP güvenlik kamerası networku uygulamayı planladı. PINS (Profesyonel Endüstriyel Network Hizmeti) ekibindeki mühendislerden yüksek performanslı 720p (1280 x 720) güvenlik kamerası sistemi dizaynı için destek sağlanması talep edildi.

Proje Gereksinimleri

200’den fazla HD IP kameralı üç katlı terminal istasyonunda, canlı görüntüleme, kayıt ve playback ve hatta bütün kameralar birlikte çalışarak H.264 formatında 720p videoyu 30 FPS’de kontrol merkezine geri gönderdiklerinde güvenlik kamerası networku yüksek kaliteli videoyu destekleyecek yüksek hızlı video iletimine ihtiyaç duyacaktır.

Bekleme salonlarının, dinlenme alanlarının ve tren platformlarının lokal izlenmesi için yapılan çoklu izleme istasyonlarına ilaveten, bir ana kontrol merkezi bütün kameralara izleme networku üzerinden terminal istasyonunun tam ölçekli izlemesini yürütmek üzere giriş yapma hakkına sahiptir.

Gelecekteki ilave terminal istasyonu servislerine yapılacak olan kümeleşmeler ve/veya genişlemeler, örneğin yolcu bilgilendirme sistemleri (PIS) ve dijital audio yayını (DAB) için network ölçeklenebilirliği gereklidir.

Ön Değerlendirmeler

Bu projenin temel zorluğu kesintisiz canlı görüntü ve HD video playback’in maksimum performans ile güvenilir ve sistem çalışma zamanı sağlayacak, optimize edilmiş izleme networkunun uygulanmasıdır.

Yüksek bant genişliği network dizaynı için gereken temel elementtir.

Dayanıklı ürün süresi ile milisaniye seviyeli yedekleme, güvenlik kamerası networkunde uygulanan temel standarttır.

Kolay işletim ve bakım proje yatırımı için en iyi değeri kazandırır.

Yönlendirme protokolleri, örneğin OSPF (Open Shortest Path First) pek çok kenar saplama alanı ve bir omurga alanından oluşan iki seviyeli hiyerarşik bir networkun yapımında kullanılacaktır. OSPF yönlendirme iz bilgisini tutar ve network ölçeklenebilirliğini geliştirmek ve topoloji değişikliklerini hızlı bir şekilde adapte etmek için omurga ile saplama alanları arasındaki yönlendirme bilgisini değiştirir.

Her bir HD IP kamera 100 Mbps’deki bir giriş switch’ine bağlanır.

Her bir kenar switch bir kümeleşme switch’ine 720p (1280 x 720) video akışı dağıtımı yapar, bu switch trafiği toplar ve omurga alanına yönlendirir.

Turbo halka topolojisi her beş adet kenar switch’i ve bir kümeleşme switch’i için var olan saplama alanını tanımlamada kullanılır.

Her kümeleşme switch’i bütün video verisini merkez switch’lere layer 3 yönlendirmesiyle bağlar ve saplama alanı ile omurga alanı arasında Gigabit hızında bağlantı switch’lemesini yapar.

Her layer 3 merkez switch yönetim platformlarına ve kümeleşme switch’lerine Gigabit ve 10 Gigabit Ethernet bant genişliği sağlar buna NVR (network video kayıt cihazı) ve endüstriyel network yönetim yazılımı da dahildir – yüksek performans ile güvenilir network bağlantısı ve HD IP video görüntüleme ile kayıt için kullanılır.

Network sıkışma riski görüntüleme istasyonlarının ve NVR’lerin, kayıtlı videoların görüntülenmesi anında video verisinin networkten dönüşünü engellemek için direk olarak merkez switch’lerine bağlanması ile minimize edilebilir.

Çözüm uygulaması

ip-kamera-cozum-uygulamasi

PoE HD IP kameralar, IEEE 802.3af standartlarıyla uyumludurlar, güç kablosu kurulumu için ilave maliyeti ortadan kaldırmak ve hızlı bir şekilde uygun güç inputu sağlamak amacıyla bu ölçekten çıkıp, izleme networku için seçilmişlerdir. IVA (akıllı video analizi) için düzenlenen bütünleşik yazılım ile, bu kutu tipi 720p HD IP kameralar, çevresel etki veya alarm tetiklenmesine bağlı olarak, güvenlik faaliyetinin verimliliğini artırmak ve daha hızlı sürede tepki verilebilmesi için güvenlik personeline pop up videoları iletir.

Bant genişliği gereksinimleri kenar katman bağlantısı için PoE switch seçilmeden önce belirlenmek zorundadır. IP kamera çıkışının, port yoğunluğunun, arka plan kapasitesinin ve uplink gereksinimlerinin değerlendirilmesine ilaveten, özel network dizayn değerlendirmelerinde ölçeklenebilirlik, izolasyon ve düşük maliyet göz önünde bulundurulmalıdır. Yaklaşık 3,5 Mbps çıkışlı her bir IP kamera 8 portlu bir switch’e bağlanacaktır. Kenar switch’ine iliştirilen 8 kamera ile, bir 5 switch saplama alanındaki her bir 8 port switch yaklaşık 28 Mbps video trafiği üretecektir, bunun anlamı her bir saplama alanı video beslemesinin 40 kanalını üretmesidir ve omurga alanına (merkez switch) doğru en az 140 Mbps’lik toplam uplink bant genişliğine ihtiyaç duyacaktır.

Yönetilen PoE/PoE+kenar switch'leri, her biri 8 10/100 Mbps portlu, 2 Gigabit uplink portları ve 5.5 Gbps arka planda mevcuttur, dağıtım switchine bağlantı için yeterli bant genişliği sağlayacaktır. Yönetilen PoE/PoE+ switchler, yönetilen PoE olmayan switchlerden başlangıçta daha maliyetlidir, fakat uygulama rahatlığı, kurulum tasarrufları ve akıllı güç yönetimi toplam maliyeti düşürecektir.

24 port tam Gigabit dağıtım switch’leri en kısa network yolunu belirlemek için OSPF kullanarak her bir saplama alanından omurga alanına (merkez switch) IP video akışlarının 40 kanalının tümünü kümeleştirecektir. Yüksek port yoğunluğu ve layer 3 kapasiteleriyle, bu rafa montajlı switchler topoloji değişikliklerine kolayca adapte olabilirler ve gelecekteki network genişlemeleri ve servisleri için yeterli bant genişliğini rezerve ederler.

VLAN network bölünmesi network sıkışmasını azaltmak için kullanılır. Kenar katman video trafiğinin çoğunu HD IP kameralardan üretir ve eğer trafik kontrolü düzgün biçimde yönetilmezse, network cihazları arasındaki yayın trafiği ciddi network sıkışıklığına sebep olur. Trafik yayınını kontrol etmek, performansı geliştirmek ve güvenlik girişini sağlamlaştırmak için, OSPF network alt ağlarını ve VLAN segmentlerini kullanarak muhtelif IP kamera gurupları, medya sunucuları ve görüntüleme istasyonları arasında izolasyonu kurar.

Network yedekleme tren istasyonu işletmecileri için temel bir meseledir. Tren istasyonu görüntülemesini kesintisiz olarak sürdürebilmek için, network katman 3 yönlendirme yolu yedeklemesi için OSPF protokol ve katman 2 switch’leme yolu yedeklemesi için Turbo Ring protokol kullanır. IP kameralar ile kayıt sunucuları arasındaki yedekleme yolu hızlı hata onarımı ve yük dengeleme için iyi hesaplanmak zorundadır. Kenar ve kümeleşme switch’leri arasındaki switch’leme ve yönlendirme linkleri, kümeleşme ve merkez switch’leri ile merkez switch’ler arasında yedekleme için alternatif bir yol olmalıdır.

Merkez switch’ler dağıtım switch uplinkleri için olan 24 Gigabit portlar ile ve masif omurga veri ulaştırma için 2 10 Gigabit portlarla görüntüleme istasyonlarına gerçek zamanlı video akışı sağlarlar. Bir link arızası durumunda alt 50 milisaniye network onarımını garanti etmek için merkez katman switch’leme linklerine Turbo Halka yedekleme uygulanır. Kaynak varış noktası çiftleri arasındaki yönlendirme yolları hızlı bağlantı yüklenmesini temin etmek üzere OSPF desteği ile pekiştirilir. Merkez switch’lerin yüksek port yoğunluğu ayrıca gelecekteki genişleme için esneklik sağlar.

Network yönetimi de bu boyuttaki izleme networku için önemli bir bileşendir. Tipik izleme sistemleri network yönetim yazılımı/aletlerine sahip değildirler. Kameralar/görüntüler erişilemez olduğunda güvenlik işletmecileri problemi çözmek için uzak lokasyona bakım personeli göndermek zorundadırlar. Akıllı network yönetim yazılımı ile, güvenlik işletmecileri network üzerindeki her SNMP etkin cihazın konumuna (switch’ler ve IP kameralar da dahil) gerçek zamanlı giriş yapabilirler, hizmeti hızlı bir şekilde eski durumuna getirmek için arızanın yerini (link/düğüm/cihaz) hemen tanımlama kapasitesine sahiptirler.

HD Güvenlik Kamerası Networku Dizaynı ve Uygulanması Rehberi

Orta ölçekliden, büyük ölçekliye HD IP güvenlik kamerası sistemleri için tipik olarak tavsiye edilen yeni bir networkun kurulması amacıyla kapsamlı bir sistem planlaması, network dizaynı ve önemli derecede yatırım gerekir. Bununla birlikte, HD IP kamera sistemi için tahsis edilmiş bir network en geniş çeşitli fonksiyonellikleri, sistemin birlikte çalışabilirliğinin geliştirilmesini, networkun güvenilirliğinin teminini, ölçeklenebilirliğin geliştirilmesini ve düşük bir sahip olma maliyeti sunar. Her bir HD IP güvenlik kamerası sistemi networku farklı sistem gereksinimlerine ve dizayn değerlendirmelerine sahiptir. Bununla birlikte, bir izleme networkunu katmanlara bölmek en üst düzeyde performansı geliştirecek, ölçeklenebilirliği geliştirecek ve yönetimi basitleştirecektir. Optimize edilmiş bir HD IP güvenlik kamerası networku yapımı için muhtemel değerlendirmeler aşağıda listelenmiştir.

HD IP Güvenlik Kamerası Sistemi İçin Network Değerlendirmeleri

Performans