Дитя двух революций
Вам стали привычными сокращения IP, RTP, QoS, DiffServ, PoE? Похоже, вы присматриваетесь к перспективе внедрения в свою систему видеонаблюдения IP-устройств. Что ж, вы в этом не одиноки. По всему миру происходит массовая миграция от аналоговых камер к цифровым, передающим видеосигналы по IP-сетям.
По сути, в настоящее время происходит вторая революция в идеологии построения систем видеонаблюдения. Первая революция заключалась в переходе от хранения видео в аналоговом виде к цифровому. Выгоды от такого преобразования специалисты оценили быстро: поиск в видеоархивах, ранее требующий дней работы, стал осуществляться почти моментально. Может быть, преимущества второй революции не так заметны, но все же они являются достаточно существенными для того, чтобы предметом спора в настоящее время являлся лишь срок полного исчезновения аналоговых решений.
Кажется невероятным, но еще всего лишь пять лет назад необходимо было доказывать актуальность передачи видео по IP-сетям. «Безопасники» говорили: «А зачем нам это нужно?», администраторы опасались перегрузок своих сетей. Многие интеграторы того периода вообще не считали информационную безопасность привлекательной областью финансирования.
На страницах профессиональных журналов развертывалась ожесточенная дискуссия. Как отмечалось в то время, проблема заключалась в неосведомленности специалистов в смежных областях: «ИТ-компании знают, как устроены сети, но область безопасности считают уделом узких специалистов, телекоммуникационные компании знают всё о передаче данных, компании, занимающиеся безопасностью, прекрасно знают, как она важна, и знают способы ее обеспечения. Но для успешного внедрения технологий IP для обеспечения безопасности они должны тесно сотрудничать». Можно сказать, что IP-системы видеонаблюдения, инсталлируемые в последние годы, как раз и являются результатом такого сотрудничества.
Попытаемся рассказать о том, что такое IP-видеокамера, рассмотрим основные преимущества передачи видео по IP для систем видеонаблюдения, используемые при этом технические решения.

Что такое IP-видеокамера
Современная сетевая камера – это, по сути, объединение цифровой видеокамеры и специализированного компьютера. Цифровая камера может быть самого разного класса. Например, разрешение регистрируемого изображения варьируется от 640 х 480 до 2050 х 1550 и более. Существуют камеры, предназначенные для дневной съемки и для работы в условиях плохого освещения и т. д. Большинство камер оборудуются аналоговым выходом.
Наибольший интерес представляет компьютерная часть IP-видеокамер. Прежде всего это сетевые возможности: в камерах обычно присутствует порт Ethernet, встроенный веб-сервер, FTP-клиент, e-mail клиент, поддержка сетевых протоколов TCP/IP, ARP, HTTP, FTP, SMTP, NTP, PPPoE, DHCP, DNS, DDNS. При подключении к сети ей всего лишь остается присвоить веб-адрес. В камерах обычно реализована технология multicast: видеоизображение может передаваться одновременно десяткам потребителей. И по остальным показателям камеры похожи на специализированный компьютер с неплохими возможностями: обычно в них реализованы изменение алгоритма сжатия, разрешения, частоты кадров регистрируемого видео, различные операции цифровой обработки, такие как изменение уровней яркости, контрастности, насыщенности, резкости и оттенка, масштабирование, поворот и зеркальное отражение изображения. Добавим к этому возможные встроенный датчик движения и шифрование передаваемых видеоданных и поразимся весу типичной сетевой видеокамеры – примерно 100 г (!).
Кстати говоря, не совсем верным является распространенное мнение о громоздкости цифрового видеопотока. На самом деле все зависит от качества изображения и частоты кадров. Так, в стандарте MPEG-4 предусмотрены скорости передачи видео вплоть до 4,8 кбит/сек.

Одни только плюсы…
Рассмотрим преимущества для систем видеонаблюдения сетевых камер перед аналоговыми решениями.
1. Наверное, наиболее важным следствием перехода на цифровые видеокамеры является интеллектуализация системы видеонаблюдения. Пользователям предлагаются новые, принципиально невозможные ранее услуги, приводящие в итоге к новому качеству системы. К таким услугам относятся возможность записи только по обнаружению движения, детектированию оставленных предметов, встроенные средства хранения информации. Появляется возможность масштабирования отдельных участков изображения, распознавания объектов и т. д.
2. Возможность питания по сетевому кабелю также является существенным конкурентным преимуществом IP-видеокамер. При этом отпадает необходимость прокладки отдельного кабеля питания, как в случае с аналоговой камерой. Кроме того, использование технологии электропитания PoE (Power over Ethernet – стандарт IEEE 802.3af) позволяет обеспечивать бесперебойное питание централизованно. Правда, при этом может возникнуть проблема. Дело в том, что видеокамеры зачастую находятся в удаленных местах, а ограничением технологии PoE является расстояние в 100 м между аппаратной и потребителем питания. Но тут на помощь приходят медиаконвертеры, которые предназначены обычно для соединения оптоволоконных и медных кабелей. В этом случае от центра до медиаконвертера прокладывается оптоволоконный кабель, в конвертере сигналы преобразуются для передачи по медному кабелю, а последний вместе с подсоединенным питанием разворачивается до IP-видеокамеры. Естественно, что возле медиаконвертера должна быть «розетка» электропитания.
3. Несомненным преимуществом IP-видеокамер является более высокое разрешение по сравнению с аналоговыми. Максимальное разрешение ТВ-сигнала (при соотношении сторон 4:3) составляет 833 х 625 при частоте смены кадров 25 Гц. Разрешение цифровой камеры может быть более чем в 10 раз выше. Это позволяет иногда использовать одну сетевую видеокамеру вместо нескольких аналоговых.
4. Цифровое изображение более четкое, чем аналоговое. Особенно явно преимущество прогрессивной развертки сетевых камер проявляется при съемке движущихся объектов, которые получаются четкими. Чересстрочная же развертка аналоговых камер приводит к размытию перемещающихся участков изображения. Если учесть, что прогрессивная развертка применяется также и в ЖК-мониторах, то она становится вне конкуренции.
5. Внедрение цифровых видеокамер повышает надежность системы в целом. Ведь в случае применения аналоговых камер отказ цифрового видеорегистратора приводит к недоступности информации сразу с нескольких камер. В случае же цифровой камеры такого «бутылочного горла» не существует.
6. При использовании IP-видеокамер система видеонаблюдения становится легко управляемой, расширяемой и модернизируемой. Тем более что, как правило, можно использовать имеющиеся кабельные сети, а в качестве видеоархивов – имеющиеся компьютеры.

Многообразие протоколов и решений
Передаваемое в реальном времени видео предъявляет очень серьезные требования к каналу связи. Это требования и по пропускной способности, и тпо допустимой задержке сигнала. Казалось бы, что оптимальным решением для передачи видеосигнала должен быть выделенный канал передачи, обеспечивающий синхронную связь. Однако мейнстрим в данной области оказался совершенно в другом направлении: для передачи видеосигнал разбивается на пакеты малого размера, и те передаются в асинхронном режиме. При этом не гарантируется, что пакет с номером N придет к приемнику раньше, чем пакет с номером N + 1. В этом и заключаются особенности протокола IP. Наверное, студент, предложивший подобное решение для передачи видео лет 30 назад, получил бы твердую и заслуженную двойку.
Для транспортировки пакетов используется не ориентированный на установление соединения протокол UDP. Его особенностью является отсутствие контроля потерянных в процессе передачи пакетов и их повторной передачи – ведь в случае видео это привело бы к неприемлемым задержкам.
Конечно, сами по себе протоколы IP и UDP не могут обеспечить качественную передачу видео. Для этого применяются другие решения, отдельные из которых мы и рассмотрим.
Для передачи трафика реального времени, чувствительного к задержкам, был разработан протокол RTP. В рамках этого протокола для каждой дейтаграммы определяется тип данных, проставляются порядковый номер и временная метка. Все это помогает осуществить правильную сборку сигнала на приеме, регулировать время задержки.
Однако надо иметь в виду, что и RTP в одиночку не гарантирует качественной и своевременной доставки видео (т. е. должного качества обслуживания – QoS). Для этого применяется протокол управления протоколом RTP – протокол RTCP. Если провести аналогию с системами связи, то пакеты RTCP – это служебные сигналы, периодически или по мере возникновения проблемы пересылаемые по сети. Они обеспечивают обратную связь от приемника к передатчику. Например, при возрастании нагрузки (следовательно, ухудшении качества прохождения пакетов RTP) IP-видеокамера может увеличить степень сжатия видеосигнала.
Естественно, что в организациях не строят IP-сети только для передачи видео. Основным видом трафика являются данные, не требующие реального времени доставки. А раз так, то возникает идея расстановки приоритетов: трафик реального времени должен быть передан в первую очередь. Эта идея привела к появлению протокола резервирования ресурсов RSVP, позволяющему резервировать сетевые ресурсы для получения необходимого QoS для трафика реального времени (модель интегрированного обслуживания – IntServ). Прежде всего RSVP реализуется в маршрутизаторах, но IP-видеокамеры тоже должны знать, как резервировать необходимую полосу пропускания. В случае большой IP-сети протокол RSVP обладает рядом недостатков, которые вынудили организацию IETF разработать иные принципы обеспечения заданного QoS – модель дифференцированного обслуживания (DiffServ). В этой модели введено понятие класса обслуживания на основе простановке в заголовке IP-пакетов поля «тип сервиса» (ToS). Например, подобный подход реализован в технологии мультипротокольной коммутации на основе меток (MPLS), которая сейчас рассматривается как основа создания сетей следующего поколения (NGN). Однако оборудование MPLS пока достаточно дорого, поэтому в случае небольшой по размеру сети предприятия лучше ориентироваться на RSVP с различными расширениями.

IP or not IP?
И все же стоит ли тратить деньги на переход на новую технологию? На мой взгляд, однозначного ответа дать нельзя. По большому счету в данном случае необходимо выполнить оценку рисков, оценить вероятность и размер ущерба из-за нарушения работы прежней системы видеонаблюдения и сравнить результат с затратами на новую систему. Кроме того, надо учесть возможное уменьшение «наблюдателей» (а, следовательно, и фонда оплаты их труда) с переходом на IP.
По всей видимости, если система аналого-цифрового видеонаблюдения была создана недавно, нареканий к ее работе нет, расширения не планируется – то целесообразно продолжать ее эксплуатировать. При этом не забывать отслеживать новинки IP-видео, ведь рано или поздно придет момент, когда жить по-старому будет уже невозможно.
Если же система видеонаблюдения создается с нуля или подлежит существенному расширению – то альтернативы перехода на технологии IP, на мой взгляд, нет. Кстати, дополнительным эффектом такого перехода может стать еще и модернизация компьютерной сети предприятия.