TV przemysłowa / CCTV

Systemy alarmowe

Kontrola dostępu

Kamery sportowe

Partnerzy LC Security

Kamery online

Pomoc techniczna

Transmisja i zasilanie w CCTV IP

Wszystkie współczesne sieciowe systemy telewizji przemysłowej bazują na podstawowym protokole sieciowym IP (Internet Protocol). To właśnie dzięki protokołowi sieciowemu IP możliwa jest komunikacja między poszczególnymi elementami sieci oraz transmisja danych. Podstawową zaletą protokołu internetowego IP jest jego skalowalność, która pozwala na budowę zarówno małych, jak i bardzo rozległych systemów monitoringu CCTV IP. Protokół IP jest obecny w sieciach komputerowych praktycznie od samego początku, i to właśnie ta długa historia sprawia, że jest on obsługiwany przez szeroką gamę bardzo wydajnych, tanich i sprawdzonych w praktyce urządzeń i technologii. Poniższy artykuł został poświęcony zagadnieniom związanym z transmisją danych w sieciowych systemach telewizji przemysłowej CCTV IP.

Sieć Ethernet

Ethernet to zaawansowana technologia, w której są zawarte wszystkie standardy, wykorzystywane w budowie lokalnych sieci komputerowych. Obecnie sieć Ethernet jest obecna praktycznie w każdym nowopowstającym obiekcie. W przypadku obiektów biurowych sieć komputerowa jest podstawą komunikacji między poszczególnymi komputerami. Ethernet korzysta z powszechnego protokołu TCP/IP, który obecnie jest obsługiwany przez każde urządzenie sieciowe. Warto również wspomnieć, że praktycznie każdy współczesny komputer standardowo wyposażany jest w interfejs Ethernet w postaci karty sieciowej NIC (ang. Network Interface Card).

Wyróżniamy kilka rodzajów sieci Ethernet:

• Ethernet 10 Mb/s – podstawowy rodzaj sieci Ethernet, który obecnie ze względu na małą przepustowość wychodzi z użytku. Ponadto, ze względu na małą wydajność nie nadaje się do zastosowania we współczesnych sieciowych systemach monitoringu wizyjnego. Podstawową topologią sieci Ethernet 10 Mb/s jest 10BASE-T, która bazuje na czterożyłowych przewodach miedzianych kategorii 3 lub 5. W centrum sieci 10BASE-T znajduje się przełącznik sieciowy (switch) lub koncentrator, który posiada porty komunikacyjne dla każdego węzła sieci. W przypadku nowszych sieci w których komunikacja i transmisja danych odbywa się za pomocą przewodów światłowodowych stosowana jest standard 10BASE-FL Podobna topologia sieci wykorzystywana jest w nowszych standardach: Fast Ethernet (100 Mb/s) i Gigabit Ethernet (1000 Mb/s).

• Fast Ethernet 100 Mb/s – szybsza wersja sieci Ethernet, która poza większą przepustowością niczym nie różni się od standardu 10 Mb/s. Podobnie, wygląda sytuacja odnośnie sprzętu sieciowego, gdyż większość oferowanych na rynku urządzeń zapewnia obsługę dwóch standardów 10/100 Mb/s. Obecnie najczęściej wykorzystywany w systemach CCTV IP. Podstawowym standardem sieci Fast Ethernet 100 Mb/s jest 100BASE-T, który w zależności od zastosowywanych przewodów transmisyjnych (miedziane, światłowody) występuje w dwóch wersjach.



• Gigabit Ethernet 1000 Mb/s (1 Gb/s) – jeden z nowszych standardów sieci Ethernet, który ze względu na większe zapotrzebowanie na przepustowość łączy współczesnych sieci IP cieszy się coraz większą popularnością. Obecnie jest to stosunkowo drogie rozwiązanie dlatego znajduje zastosowanie główno w sieciach szkieletowym między serwerami a przełącznikami sieciowymi, czyli w miejscach gdzie transmitowana jest największa ilość danych. Standard Gigabit Ethernet 1000 Mb/s podobnie jak Fast Ethernet możemy podzielić kilka podstandardów, w zależności od wykorzystywanego okablowania.



• 10 Gigabit Ethernet 10 000 Mb/s (10 Gb/s) – najnowszy standard sieci Ethernet, który ze względu na bardzo dużą przepustowość znajduje zastosowanie w budowie wysoce wydajnych sieci szkieletowych. Prezentowany standard wykorzystuje aż 7 różnych typów mediów dla sieci LAN, WAN i MAN (Metropolita Area Network – sieć miejska). Obecnie ze względu na jeszcze małą popularność uznawany jest za standard dodatkowy, który został określony w normie IEEE 802.3ae (w pełni uwzględniony zostanie w IEEE 802.3). Dodatkowo urządzenia będące w stanie obsłużyć ten standard są dosyć drogie, co sprawia, że znajduje zastosowanie jedynie w największych i najbardziej wymagających sieciach.

  
  Schemat. Przykładowe połączenia w sieciowym systemie telewizji przemysłowej CCTV IP

Typy przewodów miedzianych

W zależności od przeznaczenia, miejsca prowadzenia oraz środowiska pracy przewody miedziane wykonuje się w kilku typach.

• Skrętka nieekranowana, UTP (ang. Unshielded Twisted Pair) - zbudowana ze skręconych ze sobą par przewodów i tworzy linię zrównoważoną (symetryczną). Wykonany jest z ośmiu przewodów skręconych po dwa (czyli 4 par), umieszczonych we wspólnej izolacji. Nie posiada fizycznego ekranu elektrycznego. Cechuje się wysoką odpornością na zakłócenia radiowe i elektromagnetyczne, która wynika z neutralizacji par skręconych przewodów poprzez skręcenie przewodów parami oraz par pomiędzy sobą. Powszechnie stosuje się przewody UTP kategorii 5 lub 6.


Fot. Budowa kabla UTP

• FTP foliowany (ang. Foiled Twisted Pair) - przewód FTP foliowany to skręcone 4 pary przewodów otoczone jedną ochronną folią aluminiową z przewodem uziemiającym. W tym przypadku wykorzystywana jest technika zarówno neutralizacji par, jak i ekranowania.


Fot. Budowa kabla FTP

• S-FTP foliowany z ekranem (ang. Shielded – Foiled Twisted Pair) - S-FTP to ulepszona wersja przewodu FTP, ulepszenie w porównaniu z FTP wynika jest związane z dodatkowym ekranem z oplotu miedzianego.


Fot. Budowa kabla S-FTP

• STP ekranowany (ang. Shielded Twisted Pair) - odróżnia się ona tym od skrętki FTP(ekranowany folią), tym że posiada ekran z oplotu, co powoduje, iż sygnał przesyłany za jej pomocą w mniejszym stopniu ulegają zakłóceniom zewnętrznym jak i przesłuchom.


Fot. Budowa kabla STP

• S-STP podwójnie ekranowany (ang. Shielded Twisted Pair) - ekranowane skręcone 4 pary przewodów umieszczonych we wspólnej izolacji ze wspólnym oplotem metalicznym oraz indywidualnym oplotem metalicznym dla każdej z 4 par. Wykorzystywany do przesyłania danych z dużymi szybkościami, charakteryzuje go wysokie pasmo częstotliwości. Indywidualne ekranowanie par zmniejsza dodatkowo przesłuchy.
  

  
  Fot. Budowa kabla S-STP

Typy przewodów światłowodowych

Światłowody ze względu na odległość transmisji dzielimy na jednomodowe i wielomodowe:

• Światłowody jednomodowe (przesyłany jeden silny mod) - stosowane są głównie w warunkach zewnętrznych i pozwalają na osiągniecie bardzo dużego zasięgu transmisji. Światłowody jednomodowe są zwykle nieco tańsze od światłowodów wielomodowych, jednak koszt sprzętu aktywnego (nadajniki, odbiorniki) współpracującego ze światłowodami jednomodowymi jest wyższy. W telekomunikacji stosuje się najczęściej światłowody jednomodowe o średnicy rdzenia od 5 do 10 mikrometrów, i standardowej średnicy płaszcza 125 mikrometrów. Wykonuje się je ze szkła krzemionkowego z domieszką dwutlenku germanu (zapewnia dobre parametry transmisji). Z uwagi na minimum tłumienności w zastosowaniach telekomunikacyjnych używa się długości fali w przedziale 1530-1565 nm, odpowiadającej podczerwieni.

• Światłowody wielomodowe (przenoszące wiele modów) - w porównaniu ze światłowodem jednomodowym umożliwia transmisję na mniejszą odległość bez wzmacniacza sygnału. Doskonale nadają się do realizacji połączeń pomiędzy budynkami oraz do zastosowania wewnątrz budynków, jako okablowanie pionowe oraz zakończeniowe.
  

  
  Fot. Schemat ilustrujący rozchodzenie się światła w wielomodowym światłowodzie włóknistym

Sieci bezprzewodowe

Sieci bezprzewodowe stanowią doskonałą alternatywę dla tradycyjnych sieci kablowych. Systemy bazujące na transmisji bezprzewodowej znajdują zastosowanie przede wszystkim w miejscach gdzie zbudowanie konwencjonalnej instalacji kablowej jest utrudnione lub niemożliwe. Dodatkowo sieci bezprzewodowej transmisji danych są często dla użytkowników rozwiązaniem tańszym i bardziej elastycznym w zastosowaniu. Oprócz miejsc gdzie prowadzenie przewodów jest utrudnione lub wiąże się z wysokimi kosztami, sieci bezprzewodowe doskonale sprawdzają się w komunikacji między budynkami.

Komunikacja bezprzewodowa znajduje zastosowanie nie tylko w sieciowych systemach monitoringu wizyjnego, ale także w starszych systemach, bazujących na urządzeniach analogowych. Współczesne sieci bezprzewodowe możemy podzielić na dwie podstawowe grupy: bezprzewodowa sieć LAN i mosty bezprzewodowe.

• Bezprzewodowa sieć LAN (WLAN – Wireless Local Area Network) – sieć transmisji bezprzewodowej w której komunikacja transmisja danych odbywa się z wykorzystaniem protokołu IP. Ze względu na swoje możliwości stosowana przeważnie wewnątrz budynków lun w sytuacjach gdy przesył danych odbywa się na małych odległościach. Wszystkie standardy sieci WLAN zostały precyzyjnie sformułowane, co sprawia, że produkty różnych firm mogą ze sobą efektywnie współpracować.

• Mosty bezprzewodowe – technika sieci bezprzewodowej, która ze względu na swoje możliwości znajduje zastosowania w miejscach gdzie konieczne jest przesyłanie danych na duże odległości z dużą prędkością. Mosty bezprzewodowe opierają się na szybkich łączach transmisyjnych typu punkt-punkt, które najczęściej wykonywane są w technologii laserowej lub mikrofalowej (systemy optyczne). W przypadku łączy mikrofalowych możemy osiągnąć przepustowość nawet na poziomie 1 Gb/s na bardzo dużą odległość do 80km. Dodatkowo rozwiązania tego typu ze względu na miejsce zastosowań (obiektyw rządowe, instytucje finansowe, itp.) korzystają z najlepszych zabezpieczeń sieciowych, które zapewniają najwyższy poziom bezpieczeństwa.

Standardy sieci bezprzewodowej WLAN

Obecnie wyróżniamy kilka standardów sieci bezprzewodowej WLAN. Różnice między poszczególnymi standardami wiążą się przede wszystkim z: częstotliwością, przepustowością i zasięgiem transmisji. Dzięki dostępowi do kilku standardów możemy odpowiednio przystosować sieć bezprzewodową do własnych potrzeb.

Dynamiczny rozwój technologii oraz zapotrzebowanie na coraz większą przepustowość łączy sprawia, że na rynku pojawiają się urządzenia korzystające z innych standardów niż dominujący 802.11b/g. Doskonałym tego przykładem mogą być mosty bezprzewodowe, które dzięki wykorzystaniu innych standardów pozwalają na uzyskanie zdecydowanie większego zasięgu transmisji oraz prędkości przesyłu danych.

Bezpieczeństwo transmisji w sieci bezprzewodowej

Sieci bezprzewodowe zdecydowanie bardziej są narażone na włamania ze strony innych użytkowników. Związane jest to z zasadą działania tego typu systemów komunikacji i transmisji danych, gdyż każda osoba z odpowiednim urządzeniem, która znajdzie się w zasięgu sieci bezprzewodowej może uzyskać dostęp. Dlatego niezwykle ważne jest odpowiednie zabezpieczenie sieci bezprzewodowej przed dostępem osób niepożądanych. Sieci bezprzewodowe zabezpiecza się przy pomocy nazw użytkowników, haseł oraz nowoczesnych standardów szyfrowania.

Transfer danych w sieciowych systemach monitoringu IP

Adres IP

Adres IP służy do identyfikacji urządzeń w sieci komputerowej. Każde urządzenie sieciowe posiada własny adres IP, po którym możemy je odnaleźć w sieci korzystającej z protokołu IP. Adres IP jest nazwą która składa się z czterech liczb (w zakresie od 0 do 255) oddzielonych kropkami. Przykładowy adres IP dla kamery sieciowej pracującej w sieci lokalnej LAN: 192.168.1.101.

Każdy unikalny adres IP składa się z dwóch części (sieciowa, komputerowa), a granica między nimi wydzielana jest przez maskę sieci oraz długość prefiksu. Najczęściej możemy spotkać się z maską sieci w postaci 255.255.255.0. Określone bloki adresów IP zostały zastrzeżone do użytku prywatnego i nie mogą być wykorzystywane w sieci globalnej Internet. Do zastrzeżonych bloków należą:

• 10.0.0.0/8 (maska sieci 255.0.0.0)

• 172.16.0.0/12 (maska sieci 255.240.0.0)

• 192.168.0.0/16 (maska sieci 255.255.0.0)

Zdecydowana większość urządzeń sieciowych jest przystosowana do pracy z protokołem internetowym w wersji 4, chociaż już teraz pojawiają się kamery IP, które zapewniają pełną obsługę IPv6. Nowy standard protokołu IP wchodzi powoli w użytek, jednak przez najbliżej kilka lat będzie równolegle stosowany z IPv4. Protokół internetowy IPv6 w porównaniu z IPv4 posiada znacznie szersze możliwości oraz wiele dodatkowych zalet użytkowych. Porównanie obu tych protokołów znajdziemy w tabeli poniżej.

Protokoły transmisji danych do przesyłu obrazu w sieci IP

Zdecydowanie najpopularniejszym protokołem transmisji danych w sieciach komputerowych jest TCP/IP, który wchodzi w skład protokołu internetowego IP. To właśnie przy pomocy protokołu TCP (ang. Transmission Control Protocol) i protokołu UDP (ang. User Datagram Protocol) transmitowany jest za pomocą sieci komputerowej sygnał wizyjny z kamer sieciowych IP lub kamer analogowych z serwerami wizyjnymi.

Podstawowe właściwości protokołu sieciowego TCP:

• Protokół połączeniowy

• Automatyczny podział dużych ilości danych na mniejsze pakiety

• Wykorzystanie sieci fizycznej

• Gwarancja dostarczenia danych

Podstawowe właściwości protokołu sieciowego UDP:

• Protokół bezpołączeniowy

• Nie gwarantuje dostarczenia danych

• Funkcje kontroli i sprawdzania błędów pozostawione aplikacji

Protokoły TCP/IP i porty stosowane do transmisji obrazu we współczesnych sieciach komputerowych:

Transmisja danych w sieciowych systemach monitoringu wizyjnego

Sieciowe systemy telewizji przemysłowej podobnie jak sieci IP do przesyły danych wykorzystują różne metody transmisji. Obecnie najczęściej mamy do czynienia z następującymi metodami transmisji danych:

• Transmisja pojedyncza (unicasting) – komunikacja między nadawcą i odbiorcą na zasadzie punkt-punkt. Dane przesyłane tylko do jednego odbiorcy.

• Transmisja zbiorowa (multicasting) – komunikacja między nadawcą i wieloma odbiorcami. Znajduje zastosowanie w sytuacjach gdy chcemy zmniejszyć ruch w sieci. Pozwala na przesłanie tych samych danych do wielu uprawnionych odbiorców. Transmisja zbiorowa powszechnie jest stosowana w połączeniu z protokołem RTP.

• Transmisja rozsiewcza (broadcasting) – transmisja danych od jednego nadawcy do wszystkich odbiorców. W przypadku sieci lokalnych LAN broadcasting ogranicza się zwykle do konkretnego segmentu sieci i nie ma praktycznego zastosowania w przypadku transmisji sygnałów wizyjnych w sieci IP.

Zasilanie przez sieć Ethernet

Nowoczesne sieciowe urządzenia do monitoringu wyposażane są w technologię PoE (ang. Power over Ethernet), dzięki której mogą być bezpośrednio zasilane z sieci Ethernet. W przypadku urządzeń sieciowych z funkcją PoE (przełącznik sieciowy PoE) nie ma potrzeby stosowania dodatkowych przewodów zasilających, gdyż kamery IP i inne urządzenia mogą być zasilone przy pomocy tego samego przewodu, który służy do transmisji danych. Największą zaletą użytkową PoE jest znaczne uproszczenie instalacji urządzeń sieciowych, a także redukcja kosztów związanych z zakupem przewodów zasilających. Dodatkowo technologia PoE może współpracować z zasilaczami awaryjnymi UPS, co zapewnia zarówno pracę ciągłą, jak i wysoką odporność na awarie źródeł zasilania. Technologia PoE została znormalizowana w standardzie IEEE 802.3af.

Podstawowe cechy użytkowe funkcji PoE:

• Nie zmniejsza zasięgu transmisji

• Nie wpływa negatywnie na jakość transmitowanych sygnałów

• Zapewnia zasilanie do 15,4W (po stronie przełącznika sieciowego)

• Maksymalny pobór prądu dla urządzeń i kamer wewnętrznych rzędu 12,9W

• W przypadku urządzeń zewnętrznych pobór prądu przekracza przeważnie 12,9W przez co funkcjonalność PoE w zastosowaniach zewnętrznych jest mniejsza

• Ze względu na niestandardowość współpraca produktów różnych producentów jest utrudniona lub wręcz niemożliwa.

Realizacja zasilania przez sieć Ethernet

Technika zasilania bezpośrednio z sieci IP jaką jest PoE umożliwia realizację zasilania dla urządzeń bezpośrednio z portów danych, do których zostały podłączone urządzenia sieciowe. Technologia PoE współpracuje ze standardowym okablowaniem sieciowym, którym najczęściej są przewody miedziane kategorii 5. Praktycznie każdy współczesny przełącznik sieciowy został odpowiednio przystosowany do obsługi standardu PoE. Zasilanie urządzeń w infrastrukturze sieci lokalnej LAN poprzez technologię PoE jest automatycznie załączane w przypadku zidentyfikowania urządzenia zewnętrznego zgodnego z tym standardem, zaś blokowane w przypadku urządzeń starszych, niezgodnych ze standardem IEEE 802.3af. Dzięki takiemu rozwiązaniu możemy bezpiecznie stosować urządzenia o różnych standardach w jednej sieci IP. Poniższy schemat przedstawia realizację zasilania dla kamery sieciowej IP za pomocą funkcji PoE oraz z wykorzystaniem zasilacza awaryjnego UPS.

Maciej Mijalski

CTR PARTNER

...wróć do pomocy