Inżynieria pamięci masowej i przepustowości dla sieci CCTV

Plan sieci kamer IP powinien łączyć jakość obrazu, bitrate, retencję i dostępną przestrzeń. Bitrate oznacza ilość danych na sekundę, a retencja czas przechowywania nagrań. Kodek określa sposób kompresji i odkodowania wideo. Sama rozdzielczość nie wyznacza zapotrzebowania: ruch, szum, oświetlenie, kodek i liczba klatek wpływają na ilość danych. Poniższe 16 kamer i 30 dni stanowią wyłącznie przykład techniczny. Nie istnieje ogólny prawny obowiązek przechowywania wszystkich nagrań przez 30 dni.

1. Najpierw pomiar bitrate

H.265 może wymagać mniej danych niż H.264 przy porównywalnej odczuwanej jakości. Stała redukcja z 12 do 6 Mb/s nie jest jednak gwarantowaną właściwością strumienia 4K. Kamera, scena, enkoder i odtwarzacz muszą być zgodne. Próbki z dnia, nocy, deszczu i ruchu pozwalają sprawdzić czytelność twarzy, tablic rejestracyjnych i innych potrzebnych szczegółów.

H.265+ oraz Axis Zipstream mogą dodatkowo zmniejszać zapis, lecz są to różne funkcje producentów, zależne od modelu. Zipstream może silniej kompresować mniej istotne obszary, wydłużać odstępy między klatkami kluczowymi i dynamicznie zmieniać liczbę klatek. Stała oszczędność bez utraty jakości nie jest gwarantowana. GOP to grupa obrazów między klatkami kluczowymi, od których można ponownie rozpocząć dekodowanie. Długie odstępy GOP mogą również utrudnić odtwarzanie i przewijanie.

VBR oznacza zmienny bitrate: ilość danych na sekundę zmienia się zależnie od sceny. Maksymalny bitrate ogranicza szczyty, lecz przy intensywnym ruchu może obniżyć jakość lub liczbę klatek. Średnia wartość docelowa służy planowaniu dłuższego okresu zapisu. Nazwy trybów różnią się między producentami. Spokojna scena nocna może generować dużo danych z powodu szumu, dlatego średnia i maksimum wymagają osobnych prób.

2. Oddzielne obliczenia wideo, rezerwy i RAID

Dla nagrywania ciągłego w jednostkach dziesiętnych: GB = średnie Mb/s × 86 400 × dni × liczba kamer ÷ 8 000. Jeden TB oznacza tutaj 1 000 GB. Wzór obejmuje zapisany strumień wideo; audio, kontenery, metadane i dodatkowe nagrania wymagają osobnego uwzględnienia. Narzut protokołów sieciowych dotyczy pasma i nie musi w tej samej wielkości trafiać na dysk.

• Jedna kamera przy 6 Mb/s: 64,8 GB dziennie.
• 16 kamer przez 30 dni: 31 104 GB = 31,104 TB wideo.
• Przykładowy dodatek 20% daje 37,3248 TB potrzebnej przestrzeni na dane po RAID. RAID łączy kilka dysków w macierz. Parzystość to dodatkowe informacje umożliwiające odtworzenie brakujących danych. Ten dodatek nie jest obowiązkową normą i nie pokrywa miejsca na parzystość RAID.
• Dodanie 20% do zapotrzebowania pozostawia około 16,7% wyniku jako wolne miejsce. Zachowanie 20% wolnej pojemności wymaga natomiast 31,104 ÷ 0,8 = 38,88 TB, jeszcze przed pozostałymi potrzebnymi narzutami.

Sześć równych dysków 10 TB daje 60 TB brutto. RAID 6 udostępnia nominalnie 40 TB na dane, a RAID 10 tylko 30 TB. Osiem dysków 10 TB w RAID 10 daje 40 TB. System plików, rezerwacje rejestratora i dane administracyjne zmniejszają faktycznie dostępne miejsce. Hot spare to dysk zapasowy gotowy do zastąpienia uszkodzonego dysku. Nie zwiększa pojemności danych. TB używa potęg liczby 1000, a TiB potęg liczby 1024. Dlatego 40 TB odpowiada około 36,38 TiB; inna jednostka wyświetlania nie oznacza utraty pojemności.

3. Odporność i dyski dopasowane do obciążenia

RAID 6 toleruje całkowitą awarię dowolnych dwóch dysków macierzy. Klasyczny RAID 10 z parami lustrzanymi toleruje awarię jednego dysku w każdej parze; utrata obu dysków tej samej pary może zniszczyć macierz. Dodatkowe błędy odczytu, awarie kontrolera, uszkodzenia systemu plików, brak zasilania i pomyłki pozostają możliwe. RAID nie zastępuje oddzielnej kopii ważnych nagrań.

Nie istnieje uniwersalna granica 24 TB, powyżej której RAID 5 staje się bezużyteczny. Znaczenie mają liczba i pojemność dysków, ryzyko błędów, czas odbudowy oraz tolerowana przerwa. Odbudowa odtwarza brakujące informacje zabezpieczające lub kopie po wymianie dysku. Odbudowa i nagrywanie obciążają system jednocześnie. Odbudowa lustra może angażować mniej dysków z danymi, ale nadal współdzieli kontroler, magistralę i procesor; szybsze odzyskanie redundancji nie jest gwarantowane.

NVR to sieciowy rejestrator wideo, który odbiera i zapisuje strumienie z kamer. Dobór dysków zależy od listy zgodności NVR, dopuszczonej pracy ciągłej, rocznego obciążenia, techniki zapisu i obsługiwanej wielkości obudowy. Zależnie od systemu odpowiednie mogą być dyski surveillance, NAS lub enterprise. Dyski desktopowe nie muszą natychmiast ulec awarii, lecz mogą nie mieć właściwego profilu obciążenia. Czujniki drgań i funkcje firmware zależą od modelu. Przykład daje około 378,4 TB przychodzącego wideo rocznie dla całego systemu; obciążenie pojedynczego dysku zależy dodatkowo od RAID, odtwarzania, odbudowy i operacji administracyjnych.

4. Sieć i zasilanie

16 strumieni o średniej 6 Mb/s daje 96 Mb/s, czyli 12 MB/s danych wideo przy rejestratorze. Przy 8 Mb/s na kamerę wynik wynosi 128 Mb/s, czyli 16 MB/s. Audio, protokoły, podgląd, dodatkowe strumienie i eksporty zwiększają ruch. Uplink 100 Mb/s jest za mały dla tego przykładu szczytowego. Poprawnie zaprojektowane łącze gigabitowe zapewnia zapas dla tej ilości wideo, ale rzeczywiste ograniczenia i rezerwy nadal wymagają pomiaru. Z tych liczb nie wynika ogólne minimum 50 Gb/s dla magistrali przełącznika.

VLAN kamer tworzy oddzielną sieć logiczną. Wiadomości rozgłoszeniowe skierowane do wszystkich urządzeń pozostają w tej sieci. ACL oznacza listę kontroli dostępu. Dodatkową kontrolę dostępu zapewniają reguły zapory lub ACL, dopuszczające potrzebne połączenia do NVR, zarządzania, czasu oraz odpowiednich usług DNS lub aktualizacji. VLAN nie staje się automatycznie nieroutowalny i nie gwarantuje braku przeciążenia. Ochrona przed pętlami i ewentualny storm control pozostają osobnymi zadaniami. PoE dostarcza zasilanie przez zgodne połączenie Ethernet. Standard, moc portu i łączny budżet muszą uwzględniać oświetlenie podczerwone (IR), grzałki, mechaniczny obrót, pochylenie i zoom (PTZ), tryb nocny oraz rozruch.

IP MTU oznacza największy rozmiar pakietu IP na połączeniu, wyrażony w bajtach. MTU 1500 stanowi rozsądny punkt wyjścia. Jumbo Frames to ramki Ethernet większe od typowego rozmiaru. Są opcjonalne i pomagają tylko przy zgodnych urządzeniach oraz całej trasie przenoszącej odpowiednio duże pakiety. Nie istnieje ogólna 80-procentowa oszczędność procesora. IP MTU 9000 i długość ramki Ethernet to różne wartości; dochodzą nagłówki Ethernet oraz ewentualnie VLAN. Zmiana wymaga sprawdzonej procedury serwisowej zamiast zbiorczego ustawienia na portach kamer.

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

Adres dokumentacyjny wymaga zastąpienia zatwierdzonym celem testu. 8972 bajty danych plus 20 bajtów IPv4 i 8 bajtów ICMP tworzą pakiet IP 9000 bajtów bez opcji IP. Lokalny MTU musi obsługiwać próbę. Sukces potwierdza tę trasę ICMP, a nie wydajność NVR. Niepowodzenie może również wynikać z blokowania ICMP. Zbyt duże ramki warstwy 2 mogą być odrzucane bez komunikatu; routery mogą zgłaszać błędy zależnie od protokołu i konfiguracji. Polecenie nie zmienia ustawień MTU.

5. Retencja i odbiór systemu

Dopuszczalny okres zapisu wynika z celu, konieczności i właściwego prawa. Europejska Rada Ochrony Danych wymaga mocniejszego uzasadnienia dłuższego przechowywania, szczególnie ponad 72 godziny. Nie jest to uniwersalna granica 72 godzin ani obowiązek 30 dni. Udokumentowana polityka usuwania wyznacza plan pojemności; materiał związany z konkretnym incydentem może wymagać osobnego, uzasadnionego zabezpieczenia.

Odbiór obejmuje zmierzoną objętość dzienną, dostępną pojemność, odnalezienie i eksport nagrania, limity rejestratora oraz alarmy brakujących strumieni lub pełnego dysku. Kontrolowane testy awarii i odbudowy należą do odpowiedniego systemu testowego. Kodek i VLAN ograniczają określone ryzyka, lecz nie gwarantują ciągłości nagrań.

Źródła

Frigate NVR: dokumentacja

• Axis: kontrola bitrate
• Axis Zipstream
• Pojemność RAID
• Obciążenie dysków i specyfikacje modeli
• MTU i Jumbo Frames
• Wytyczne EROD 3/2019: urządzenia wideo