Speicher- und Bandbreiten-Engineering für CCTV-Netzwerke

Für ein IP-Kameranetzwerk gehören Bildqualität, Datenrate, Aufbewahrungsdauer und nutzbarer Speicher in eine gemeinsame Planung. Die Datenrate bezeichnet die Datenmenge pro Sekunde. Ein Codec legt fest, wie Video komprimiert und wieder in Bilder umgewandelt wird. Die Auflösung allein bestimmt den Bedarf nicht: Bewegung, Bildrauschen, Beleuchtung, Codec und Bildrate verändern die Datenmenge. Die folgende Rechnung verwendet 16 Kameras und 30 Tage ausschließlich als technisches Beispiel. Eine allgemeine gesetzliche Pflicht zur 30-tägigen Speicherung besteht nicht.

1. Die Datenrate zuerst messen

H.265 kann gegenüber H.264 bei vergleichbarer wahrgenommener Qualität weniger Daten benötigen. Eine feste Halbierung von 12 auf 6 Mbit/s ist jedoch keine zugesicherte Eigenschaft eines 4K-Streams. Kamera, Szene, Encoder und Wiedergabesoftware müssen zusammenpassen. Vergleichsaufnahmen bei Tag, Nacht, Regen und Bewegung zeigen, ob Gesichter, Kennzeichen und andere benötigte Details ausreichend erkennbar bleiben.

Herstellerfunktionen wie H.265+ oder Axis Zipstream können zusätzlich sparen. Das sind unterschiedliche Verfahren mit modellabhängigen Eigenschaften. Zipstream kann weniger relevante Bildbereiche stärker komprimieren, Abstände zwischen Schlüsselbildern verlängern und die Bildrate dynamisch anpassen. Eine feste Ersparnis ohne Qualitätsverlust ist nicht garantiert; lange GOP-Intervalle können außerdem Wiedergabe und Suche beeinträchtigen. GOP bezeichnet eine Bildgruppe zwischen Schlüsselbildern, an denen die Dekodierung neu beginnen kann.

VBR bedeutet variable Bitrate: Die Datenmenge pro Sekunde richtet sich nach der Szene. Eine maximale Bitrate begrenzt Spitzen, kann unter hoher Bewegung aber Bildqualität oder Bildrate reduzieren. Eine durchschnittliche Zielbitrate dient dagegen der längerfristigen Speicherplanung. Die Bezeichnungen unterscheiden sich je Hersteller. Auch eine ruhige Nachtszene kann wegen Bildrauschen viel Datenrate benötigen. Obergrenze und Mittelwert werden deshalb getrennt geprüft.

2. Videovolumen, Reserve und RAID getrennt rechnen

Für Daueraufzeichnung mit dezimalen Einheiten gilt: GB = mittlere Mbit/s × 86.400 × Tage × Kameraanzahl ÷ 8.000. Ein TB entspricht hier 1.000 GB. Die Rechnung betrifft den aufgezeichneten Videostream; Audio, Container, Metadaten und zusätzliche Aufzeichnungen kommen bei Bedarf hinzu. Netzwerkprotokoll-Overhead gehört zur Bandbreitenplanung und nicht automatisch in gleicher Höhe auf den Datenträger.

• Eine Kamera mit 6 Mbit/s: 64,8 GB pro Tag.
• 16 Kameras über 30 Tage: 31.104 GB = 31,104 TB reine Videodaten.
• Ein beispielhafter Zuschlag von 20 % ergibt 37,3248 TB benötigtes Datenbudget nach RAID. RAID verbindet mehrere Laufwerke zu einem Verbund. Parität sind zusätzliche Informationen, mit denen fehlende Daten wiederhergestellt werden können. Dieser Zuschlag ist keine Norm und deckt den Platzbedarf für RAID-Parität nicht ab.
• 20 % Zuschlag auf den Bedarf bedeutet rund 16,7 % freien Anteil am Ergebnis. Sollen 20 % der Kapazität frei bleiben, lautet die Rechnung 31,104 ÷ 0,8 = 38,88 TB, ebenfalls vor weiteren erforderlichen Zuschlägen.

Sechs gleich große 10-TB-Platten ergeben nominal 60 TB brutto. RAID 6 liefert davon 40 TB, RAID 10 nur 30 TB. Acht 10-TB-Platten in RAID 10 liefern 40 TB. Dateisystem, Recorder-Reservierungen und weitere Verwaltungsdaten verringern den tatsächlich verfügbaren Platz. Ein Hot Spare ist ein Ersatzlaufwerk, das für den Ausfall eines Laufwerks bereitsteht. Die Datenkapazität erhöht sich dadurch nicht. TB rechnet mit Potenzen von 1.000, TiB mit Potenzen von 1.024. Daher entsprechen 40 TB etwa 36,38 TiB; diese andere Anzeige ist keine verlorene Kapazität.

3. Ausfalltoleranz und Laufwerke passend auswählen

RAID 6 toleriert den vollständigen Ausfall zweier beliebiger Laufwerke innerhalb des Arrays. Ein klassisches RAID 10 aus Zweier-Spiegelpaaren toleriert einen Ausfall je Paar; der Ausfall beider Mitglieder desselben Paars kann das Array zerstören. Zusätzliche Lesefehler, Controllerprobleme, Dateisystemschäden, Stromausfälle oder Fehlbedienung sind damit nicht ausgeschlossen. RAID ersetzt keine getrennte Sicherung wichtiger Aufnahmen.

Eine allgemeine Grenze von 24 TB, oberhalb der RAID 5 grundsätzlich unbrauchbar wird, gibt es nicht. Entscheidend sind Laufwerkszahl, Kapazität, Fehlerrisiko, Wiederherstellungszeit und tolerierbarer Ausfall. Ein Rebuild stellt nach einem Laufwerkstausch die fehlenden Sicherungsinformationen oder Kopien wieder her. Rebuild und laufende Aufzeichnung belasten das System gleichzeitig. Ein Spiegel-Rebuild kann andere Datenlaufwerke weniger beanspruchen, teilt aber weiterhin Controller, Bus und Rechenleistung; eine feste schnellere Wiederherstellung ist nicht garantiert.

Ein NVR ist ein Netzwerkvideorecorder, der Kameradaten empfängt und speichert. Geeignete Laufwerke sind anhand der NVR-Kompatibilitätsliste, Dauerbetriebsfreigabe, zulässigen Jahreslast, Aufzeichnungstechnik und unterstützten Gehäusegröße auszuwählen. Surveillance-, NAS- oder Enterprise-Laufwerke können je System passen. Desktop-Laufwerke fallen nicht zwangsläufig sofort aus, bieten aber möglicherweise nicht das passende Lastprofil. Vibrationssensoren und Firmwareeigenschaften sind modellabhängig. Die Rechnung ergibt rund 378,4 TB eingehende Videodaten pro Jahr für das gesamte System; die Last je Platte hängt zusätzlich von RAID, Wiedergabe, Rebuild und Verwaltungszugriffen ab.

4. Netzwerk und Stromversorgung dimensionieren

16 Streams mit durchschnittlich 6 Mbit/s ergeben 96 Mbit/s beziehungsweise 12 MB/s Videonutzlast am Recorder. Bei 8 Mbit/s je Kamera sind es 128 Mbit/s beziehungsweise 16 MB/s. Hinzu kommen Audio, Protokolle, Liveansichten, weitere Streams und Exporte. Ein 100-Mbit/s-Uplink ist für das Spitzenbeispiel zu klein. Ein korrekt ausgelegter Gigabit-Link bietet für diese Videolast Spielraum; die tatsächlichen Engpässe und Reserven sind trotzdem zu messen. Eine pauschale Mindest-Backplane von 50 Gbit/s folgt daraus nicht.

Ein Kamera-VLAN bildet ein eigenes logisches Netz. Rundsendungen an alle Geräte bleiben innerhalb dieses Netzes. ACL bedeutet Zugriffskontrollliste. Zugriffsschutz entsteht zusätzlich durch passende Firewall- oder ACL-Regeln: nur benötigte Verbindungen zu NVR, Verwaltung, Zeitdienst und gegebenenfalls DNS oder Updatezielen freigeben. Ein VLAN ist weder automatisch unroutbar noch eine Garantie gegen Überlastung. Schleifenschutz und bei Bedarf Storm Control bleiben eigene Aufgaben. PoE versorgt Geräte über eine geeignete Ethernet-Verbindung mit Strom. Standard, Leistung je Anschluss und Gesamtbudget müssen auch Nachtbetrieb, Infrarotbeleuchtung (IR), Heizung, motorisiertes Schwenken, Neigen und Zoomen (PTZ) sowie Startlast abdecken.

Die IP-MTU ist die größte IP-Paketgröße auf einer Verbindung, angegeben in Byte. MTU 1500 ist ein sinnvoller Ausgangspunkt. Jumbo Frames sind Ethernet-Rahmen oberhalb der üblichen Größe. Diese Rahmen sind optional und bringen nur auf durchgängig kompatiblen Verbindungen mit entsprechend großen Paketen einen messbaren Nutzen. Eine allgemeine 80-prozentige CPU-Ersparnis gibt es nicht. IP-MTU 9000 und Ethernet-Rahmengröße sind unterschiedliche Angaben; Ethernet- und gegebenenfalls VLAN-Header kommen hinzu. Eine Änderung gehört in einen geprüften Wartungsablauf, nicht pauschal auf alle Kameraports.

ping -4 -M do -s 8972 -c 3 192.0.2.10

Die Beispieladresse ist durch das freigegebene Testziel zu ersetzen. 8972 Byte Nutzlast plus 20 Byte IPv4- und 8 Byte ICMP-Kopf ergeben eine IP-Paketgröße von 9000 Byte ohne IP-Optionen. Der Test setzt eine passende lokale MTU voraus. Ein Erfolg belegt diesen ICMP-Pfad, aber keine ausreichende NVR-Leistung. Ein Fehlschlag kann auch von einer ICMP-Sperre stammen. Zu große Layer-2-Rahmen können still verworfen werden; Router können je Protokoll und Konfiguration Fehlermeldungen senden. Der Befehl ändert keine MTU-Einstellung.

5. Aufbewahrung und Abnahme

Die zulässige Speicherdauer ist aus Zweck, Erforderlichkeit und geltendem Recht abzuleiten. Der Europäische Datenschutzausschuss fordert bei längerer Speicherung, insbesondere über 72 Stunden, eine stärkere Begründung. Daraus folgt weder eine allgemeine 72-Stunden-Grenze noch eine 30-Tage-Pflicht. Ein dokumentiertes Löschkonzept bestimmt die Planung; beweisrelevante Ereignisse können eine gesonderte, begründete Sicherung erfordern.

Die Abnahme prüft reale Tagesvolumina, nutzbare Kapazität, Wiederauffindbarkeit und Export einer Aufnahme, Recorder-Grenzen und Alarmierung bei fehlenden Streams oder vollem Speicher. Kontrollierte Ausfall- und Rebuildtests gehören auf ein geeignetes Testsystem. Codec und VLAN senken bestimmte Risiken, garantieren aber keine lückenlose Aufzeichnung.

Quellen

Frigate NVR: Dokumentation

• Axis: Steuerung der Datenrate
• Axis Zipstream
• RAID-Kapazität
• Laufwerkslast und Modellspezifikationen
• MTU und Jumbo Frames
• EDSA-Leitlinien 3/2019: Videogeräte