湖北三峽職業技術學院互聯網教研室主任
中船重工七一〇研究所高級工程師
宜昌市夷陵區政務服務和大數據管理局網絡工程師
摘 要
目前，視頻監控網絡應用的場景越來越廣泛，並不侷限於公共安全，已拓展至智慧交通、可視化管理、物聯網及相關行業應用等廣大領域，覆蓋公共區域、樓宇、園區等諸多場景。
隨著PON產業鏈的不斷成熟，基於PON組網的網絡解決方案已經在各個視頻監控場景中開始應用，“企圖”全面替代現有的交換機組網解決方案。視頻監控網絡和傳統普通網絡還存在一定的區別，筆者和大家一起探討交流下，在視頻監控網絡在系統組網規劃設計中，究竟是選擇傳統的交換機組網，還是PON組網的方式。
PON（Passive Optical Network：無源光纖網絡）是一種點到多點的無源光纖網絡組網技術，是指ODN（Optical Distribution Network：光分配網絡）中不含有任何電子器件及電子電源，全部由POS（Passive Optical Splitter：無源分光器）等無源光器件組成，和傳統的交換機組網方式區別是ODN中不需要有源電子設備。
PON網絡包括一個安裝於中心控制站的OLT（Optical Line Terminal:光線路終端），以及一批配套的安裝於用戶場所的ONUs（Optical Distribution Network:光網絡單元），在OLT與ONU之間的ODN
光配線網絡包含了光纖以及無源分光器或者耦合器等,如圖1所示。
圖1 PON網絡
按承載的內容，PON主要分為以下三種：基於ATM的無源光網絡（APON），基於Ethernet(以太網)的以太無源光網絡（EPON），基於GFP(通用成幀規程)的吉比特無源光網絡（GPON）。
目前廣泛使用的PON技術主要是EPON和GPON，兩種技術各有千秋，不管是EPON還是GPON，與使用傳統的交換機組網技術相比，PON組網技術的優勢主要體現在以下幾個方面：
（1）傳統使用以太網交換機組網方式構建的網絡一般分為核心層、匯聚層和接入層三層架構，與之相比，PON組網可以通過OLT、ONU替換匯聚層和接入層的交換機，從而在邏輯上把匯聚層和接入層合併成為一個用戶接入層，如圖2所示。因此從網絡架構層數上來看，PON組網方式的扁平化網絡管理更為簡單，同時藉助於無源分光器，通過對光信號的耦合、分支和分配，使PON網絡擁有了不錯的擴展能力，所以網絡比較容易擴展和升級。
圖2 交換機組網與PON組網對比
（2）PON組網採用的是點對多點（P2MP）的無源光網絡，如圖3所示，和點對點的光纖組網方式中光纖收發器需要提供穩定可靠的電源輸入對比，只有局端的OLT設備為有源設備，中間設備均為無源設備，由於在局端與用戶端之間不需電源，沒有有源電子器件，因此減少了線路和外部設備的故障率，簡化了供電配置和網管複雜度，提高了系統可靠性，節省了維護成本。同時PON組網方式得益於無源設備無需取電，沒有發熱的優勢，不用考慮配套的空調製冷設備，從而降低了系統的整體能耗，更加綠色節能和環保。
（3）PON組網採用的是一種點到多點（P2MP）的網絡結構，可以通過分光器一級分光或是二級分光，以扇形的結構來節省有限的主幹光纜資源，來服務於數量眾多的終端用戶，所有的信號處理功能均在交換機和用戶端設備完成，終端用戶通過共享局端設備和光纖的方式，有效的節省了項目的整體投資。PON組網方式的傳輸距離雖然比有源光網絡（點對點光纖組網方式）傳輸距離要短一些，覆蓋的範圍要小一些，但是它的總體造價低，橋架管孔利用率高，網絡設備集中放置,無須另外建設機房，故障點少,網絡建設和維護相對容易一些。
圖3 點對點光纖組網與點對多點PON組網方式對比
（4）PON組網是光介質網絡，與傳統的銅纜介質網絡相比，不受外部電磁信號的干擾，能有效的避免電磁干擾和雷電影響，更適合在自然條件惡劣的地區和場景中使用，同時光介質網絡不存在信號的洩漏，具有較好的保密性，信息不易被竊聽或截取。
（5）視頻監控類項目一般終端數量從多且分佈廣泛，隨著高清化、智能化、網絡化、數字化以及多方頻繁共享視頻流的需求，同時部分用戶有高清（4K/8K）視頻會議、無線投屏（瞬間投屏高帶寬）的需求，對網絡上、下行帶寬的要求越來越高。PON組網方式可以提供較大的帶寬，EPON可以提供上下行對稱的1.25Gb/s的帶寬，並且隨著以太技術的發展可以升級到10Gb/s，GPON可以提供2.5Gb/s的帶寬，最新的XGSPON可以做到OLT上單端口10G上下行對稱，符合視頻監控大帶寬、高質量和高穩定的海量多場景接入需求。
（6）PON組網方式的業務透明性較好，可適用於多種制式和速率的信號，包括傳統業務（普通舊式電話服務POTS、模擬電視）和寬帶業務（IP語音傳輸、IP數字電視、網絡電視、視頻監控網絡等），都可以共享一個網絡接入（包括物理層和協議層），不必使用不同的接入網分別為他們提供服務，因而為複雜場景的網絡應用減少了接入網的數量。
雖然相比交換機組網，PON組網的確在網絡大規模部署、防雷防干擾及能耗節約方面有一定優勢，但實際還有很多特殊場景的需求PON組網方式還是不能滿足，存在著許多不足之處：
（1）POE的支持力度：在視頻監控網絡施工中，為了減少佈線成本以及更加方便快捷，越來越多的視頻監控系統集成商在使用POE攝像機，各個視頻監控設備廠商都推出了多種型號的POE攝像機。針對一些高品質視頻監控場景的監控設備，已不滿足於常規的POE（802.3af）支持，大部分高速高清攝像頭需要PoE+（802.3 at）支持，更有部分高清旋轉攝像頭需要POE++（802.3 bt）支持。交換機組網方式能夠更好的支持PoE/PoE+/PoE++，滿足多種15W、30W、60W多種功耗輸出，支持多場景下靈活連接POE攝像頭、AP及其它POE供電設備。若採用PON組網方式，GPON ONU支持POE/POE+產品類型有限，同時ONU端口密度一般較低（4/8/16口），不支持MultiGE口，特別是針對一些設備功耗超過30W需要POE++供電，PON組網方式將無法提供很好的支持。
（2）網絡的可維護性：隨著視頻監控網絡規模的擴大與前端點位數的增多，運維團隊壓力越來越大，網絡的運維與管理的自動化勢在必行，但PON組網方式中分光器由於是無源設備，遠程故障檢測和定位比較困難，很多情況下只能派遣人員到現場進行維護。雖說華為全光視頻監控解決方案中有eSight可視化運維繫統，但只有運營商客戶會毫不猶豫的使用，一般客戶在設計方案時不得不考慮其成本。交換機組網方式不僅支持Ethernet OAM、MPLS OAM、NQA等多種OAM故障檢測和故障定位手段，而且還支持端到端VxLAN，讓WLAN、LAN和WAN網絡可以在一個平臺下自動化管理，運維效率提升80%以上，同時支持Netconf/Yang，支持SDN，結合控制區可以實現業務配置策略統一下發，實現真正的業務隨行。在PON組網方式中，有很大的可能是PON設備廠商自己的一套網管系統，而其他網絡設備使用的是另外一套網管系統，很難實現統一管理，同時PON組網方式不能較好的支持VxLAN，無法和上層網絡包括網管和業務控制器互動，形成網絡孤島，業務管理分段。
（3）網絡上下行帶寬：隨著視頻監控技術的進步，支持4K&8K的高清攝像頭將呈現出爆發性的增長，部署場景無處不在，這對於視頻監控網絡的上下行帶寬提出了更高的要求，例如實現千兆到桌面、萬兆上行等等。從目前實際情況來看，GPON處於向10G PON演進的初期，40G PON技術還尚未成熟，同時PON組網方式是一種帶寬共享技術，以GPON為例（下行帶寬2.5G、上行帶寬1.25G），考慮共享帶寬資源的特性，使得平均上下行帶寬會降低，以1:32分光計算，平均帶寬分別僅有78Mbps和29Mbps。相比之下，10GE接入交換機早已成熟部署，甚至連單端口40G、100G也已成熟部署，再加上交換機組網方式獨佔帶寬的特性，可以輕鬆實現用戶對於平均上下行帶寬1Gbps的要求，提供千兆到桌面的業務。
（4）網絡帶寬的調整與擴容：GPON組網方式網絡帶寬的分配和擴容缺乏靈活性，不同監控設備或者用戶的帶寬需求有可能是不一樣的，而且經常根據需求來進行調整。在GPON組網規劃設計時，對每一個用戶的距離和帶寬都要做好規劃（規劃過度，會造成初始成本浪費；規劃較少，後期擴容又會增加成本），例如網絡初期規模不大，1:4或1:8級分光即可滿足，但一旦增加監控點位或擴容，就需要升級到1:32級分光。而在交換機組網方式中，不同用戶之間是相互獨立，因此可以通過動態下發規則，對用戶分配不同的帶寬及權限，如果出現端口不夠的情況，則可通過級聯或者堆疊方式進行方便擴容。
（5）網絡可靠性：高可靠性的網絡不但涉及到網絡架構、設備選型、協議選擇、業務規劃等技術層面的問題，還受用戶現有網絡狀況、網絡投資預算、用戶管理水平等影響，因此在規劃可靠性網絡時需要因地制宜，綜合考慮各方面的影響因素。基於PON的網絡拓撲一般為星型拓撲，一旦其中某個核心組件（OLT、ODN等）出現問題，就會導致整個網絡癱瘓。雖然目前PON組網方式中有Type A（主幹光纖冗餘保護）、Type B（OLT PON口、主幹光纖冗餘保護）、Type C（全保護：OLT PON口、主幹光纖、分光器，配線光纖冗餘保護）、Type D（全保護：OLT PON口、主幹光纖、分光器，配線光纖冗餘保護、ONU PON口）四種冗餘保護模式技術，但到了Type C、Type D模式就需要購置兩臺OLT設備，成本就會顯著提升。與之相比，交換機組網方式可進行環形或者雙歸組網來提升網絡的可靠性，也可採用堆疊技術，既方便了管理，又提高了業務可靠性和可擴展性，成本相對較低。
（6）網絡兼容性：考慮到視頻監控網絡設備很難是單一品牌的產品，因此設備間的兼容性和互通性非常重要。在PON組網方式中不同品牌的OLT和ONU/ONT實現對接的難度較大；而交換機組網方式則有著成熟的標準協議，不同品牌的網絡設備可以比較容易實現對接。
（7）網絡安全性：有部分金融、政府、大企業等行業客戶，對帶寬訴求非常大，安全性要求也很高，有加密需求。PON組網方式上行數據不加密，並不適用於金融、政企等對於安全性要求較高的場景。而交換機組網方式提供MACsec（Media Access Control Security，MAC安全）數據安全通信特性，可為用戶提供端到端網絡安全的MAC層數據發送和接收服務，包括用戶數據加密、數據幀完整性檢查及數據源真實性校驗。
從筆者近三年接觸到的相關項目來看，大中型規模視頻監控網絡在規劃設計時使用的PON組網方式較多，例如某副省級城市及所轄縣市雪亮工程、某國家重點大型發電站圖像監控系統、某三甲醫院綜合樓安防系統等，中小型規模視頻監控網絡在規劃設計時也有使用的PON組網方式的，例如某縣職教中心安防監控系統，但很明顯使用數量及比例少於交換機組網方式，筆者分析主要原因是還是成本的問題。
其實交換機組網方式和PON組網方式在技術上不存在誰優誰劣的問題，只有在具體的業務場景中誰更合適的問題。在規劃設計視頻監控網絡系統時，除了考慮網絡的實用性、前瞻性、可擴展性、可靠性、兼容性、安全性等因素之外，還要考慮網絡建設的成本、運維等方面諸多的因素。
PON組網方式主要是運營商使用的較多，生態圈較為封閉，相關設備提供商較少（國內主要有華為、中興、烽火等），在網絡成熟度、業務支撐顯得略有不足，但在大中型規模視頻監控網絡項目中，PON組網的無源適應性、星型網絡的擴展性和多業務承載能力等優勢就得到很好的體現。交換機組網的生態圈可以說是經歷了這麼多年的發展比較成熟，不僅渠道體系完善，商業模式豐富，同時主流設備製造商不僅提供了豐富的產品，還能通過開放API和SDK，實現與第三方對接，從而打造更多業務創新，以滿足視頻監控技術高速發展的新需求。所以可以預見，未來的視頻監控網絡將會呈現出PON組網與交換機組網“優勢互補”的局面，視頻監控網絡也將因此變得更加精彩！
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