文/刘本军 杨君 万波
湖北三峡职业技术学院互联网教研室主任
中船重工七一〇研究所高级工程师
宜昌市夷陵区政务服务和大数据管理局网络工程师
摘 要
目前，视频监控网络应用的场景越来越广泛，并不局限于公共安全，已拓展至智慧交通、可视化管理、物联网及相关行业应用等广大领域，覆盖公共区域、楼宇、园区等诸多场景。
随着PON产业链的不断成熟，基于PON组网的网络解决方案已经在各个视频监控场景中开始应用，“企图”全面替代现有的交换机组网解决方案。视频监控网络和传统普通网络还存在一定的区别，笔者和大家一起探讨交流下，在视频监控网络在系统组网规划设计中，究竟是选择传统的交换机组网，还是PON组网的方式。
PON（Passive Optical Network：无源光纤网络）是一种点到多点的无源光纤网络组网技术，是指ODN（Optical Distribution Network：光分配网络）中不含有任何电子器件及电子电源，全部由POS（Passive Optical Splitter：无源分光器）等无源光器件组成，和传统的交换机组网方式区别是ODN中不需要有源电子设备。
PON网络包括一个安装于中心控制站的OLT（Optical Line Terminal:光线路终端），以及一批配套的安装于用户场所的ONUs（Optical Distribution Network:光网络单元），在OLT与ONU之间的ODN
光配线网络包含了光纤以及无源分光器或者耦合器等,如图1所示。
图1 PON网络
按承载的内容，PON主要分为以下三种：基于ATM的无源光网络（APON），基于Ethernet(以太网)的以太无源光网络（EPON），基于GFP(通用成帧规程)的吉比特无源光网络（GPON）。
目前广泛使用的PON技术主要是EPON和GPON，两种技术各有千秋，不管是EPON还是GPON，与使用传统的交换机组网技术相比，PON组网技术的优势主要体现在以下几个方面：
（1）传统使用以太网交换机组网方式构建的网络一般分为核心层、汇聚层和接入层三层架构，与之相比，PON组网可以通过OLT、ONU替换汇聚层和接入层的交换机，从而在逻辑上把汇聚层和接入层合并成为一个用户接入层，如图2所示。因此从网络架构层数上来看，PON组网方式的扁平化网络管理更为简单，同时借助于无源分光器，通过对光信号的耦合、分支和分配，使PON网络拥有了不错的扩展能力，所以网络比较容易扩展和升级。
图2 交换机组网与PON组网对比
（2）PON组网采用的是点对多点（P2MP）的无源光网络，如图3所示，和点对点的光纤组网方式中光纤收发器需要提供稳定可靠的电源输入对比，只有局端的OLT设备为有源设备，中间设备均为无源设备，由于在局端与用户端之间不需电源，没有有源电子器件，因此减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电配置和网管复杂度，提高了系统可靠性，节省了维护成本。同时PON组网方式得益于无源设备无需取电，没有发热的优势，不用考虑配套的空调制冷设备，从而降低了系统的整体能耗，更加绿色节能和环保。
（3）PON组网采用的是一种点到多点（P2MP）的网络结构，可以通过分光器一级分光或是二级分光，以扇形的结构来节省有限的主干光缆资源，来服务于数量众多的终端用户，所有的信号处理功能均在交换机和用户端设备完成，终端用户通过共享局端设备和光纤的方式，有效的节省了项目的整体投资。PON组网方式的传输距离虽然比有源光网络（点对点光纤组网方式）传输距离要短一些，覆盖的范围要小一些，但是它的总体造价低，桥架管孔利用率高，网络设备集中放置,无须另外建设机房，故障点少,网络建设和维护相对容易一些。
图3 点对点光纤组网与点对多点PON组网方式对比
（4）PON组网是光介质网络，与传统的铜缆介质网络相比，不受外部电磁信号的干扰，能有效的避免电磁干扰和雷电影响，更适合在自然条件恶劣的地区和场景中使用，同时光介质网络不存在信号的泄漏，具有较好的保密性，信息不易被窃听或截取。
（5）视频监控类项目一般终端数量从多且分布广泛，随着高清化、智能化、网络化、数字化以及多方频繁共享视频流的需求，同时部分用户有高清（4K/8K）视频会议、无线投屏（瞬间投屏高带宽）的需求，对网络上、下行带宽的要求越来越高。PON组网方式可以提供较大的带宽，EPON可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s，GPON可以提供2.5Gb/s的带宽，最新的XGSPON可以做到OLT上单端口10G上下行对称，符合视频监控大带宽、高质量和高稳定的海量多场景接入需求。
（6）PON组网方式的业务透明性较好，可适用于多种制式和速率的信号，包括传统业务（普通旧式电话服务POTS、模拟电视）和宽带业务（IP语音传输、IP数字电视、网络电视、视频监控网络等），都可以共享一个网络接入（包括物理层和协议层），不必使用不同的接入网分别为他们提供服务，因而为复杂场景的网络应用减少了接入网的数量。
虽然相比交换机组网，PON组网的确在网络大规模部署、防雷防干扰及能耗节约方面有一定优势，但实际还有很多特殊场景的需求PON组网方式还是不能满足，存在着许多不足之处：
（1）PoE的支持力度：在视频监控网络施工中，为了减少布线成本以及更加方便快捷，越来越多的视频监控系统集成商在使用POE摄像机，各个视频监控设备厂商都推出了多种型号的POE摄像机。针对一些高品质视频监控场景的监控设备，已不满足于常规的POE（802.3af）支持，大部分高速高清摄像头需要PoE （802.3 at）支持，更有部分高清旋转摄像头需要POE （802.3 bt）支持。交换机组网方式能够更好的支持PoE/PoE /PoE ，满足多种15W、30W、60W多种功耗输出，支持多场景下灵活连接POE摄像头、AP及其它POE供电设备。若采用PON组网方式，GPON ONU支持POE/POE 产品类型有限，同时ONU端口密度一般较低（4/8/16口），不支持MultiGE口，特别是针对一些设备功耗超过30W需要POE 供电，PON组网方式将无法提供很好的支持。
（2）网络的可维护性：随着视频监控网络规模的扩大与前端点位数的增多，运维团队压力越来越大，网络的运维与管理的自动化势在必行，但PON组网方式中分光器由于是无源设备，远程故障检测和定位比较困难，很多情况下只能派遣人员到现场进行维护。虽说华为全光视频监控解决方案中有eSight可视化运维系统，但只有运营商客户会毫不犹豫的使用，一般客户在设计方案时不得不考虑其成本。交换机组网方式不仅支持Ethernet OAM、MPLS OAM、NQA等多种OAM故障检测和故障定位手段，而且还支持端到端VxLAN，让WLAN、LAN和WAN网络可以在一个平台下自动化管理，运维效率提升80%以上，同时支持Netconf/Yang，支持SDN，结合控制区可以实现业务配置策略统一下发，实现真正的业务随行。在PON组网方式中，有很大的可能是PON设备厂商自己的一套网管系统，而其他网络设备使用的是另外一套网管系统，很难实现统一管理，同时PON组网方式不能较好的支持VxLAN，无法和上层网络包括网管和业务控制器互动，形成网络孤岛，业务管理分段。
（3）网络上下行带宽：随着视频监控技术的进步，支持4K&8K的高清摄像头将呈现出爆发性的增长，部署场景无处不在，这对于视频监控网络的上下行带宽提出了更高的要求，例如实现千兆到桌面、万兆上行等等。从目前实际情况来看，GPON处于向10G PON演进的初期，40G PON技术还尚未成熟，同时PON组网方式是一种带宽共享技术，以GPON为例（下行带宽2.5G、上行带宽1.25G），考虑共享带宽资源的特性，使得平均上下行带宽会降低，以1:32分光计算，平均带宽分别仅有78Mbps和29Mbps。相比之下，10GE接入交换机早已成熟部署，甚至连单端口40G、100G也已成熟部署，再加上交换机组网方式独占带宽的特性，可以轻松实现用户对于平均上下行带宽1Gbps的要求，提供千兆到桌面的业务。
（4）网络带宽的调整与扩容：GPON组网方式网络带宽的分配和扩容缺乏灵活性，不同监控设备或者用户的带宽需求有可能是不一样的，而且经常根据需求来进行调整。在GPON组网规划设计时，对每一个用户的距离和带宽都要做好规划（规划过度，会造成初始成本浪费；规划较少，后期扩容又会增加成本），例如网络初期规模不大，1:4或1:8级分光即可满足，但一旦增加监控点位或扩容，就需要升级到1:32级分光。而在交换机组网方式中，不同用户之间是相互独立，因此可以通过动态下发规则，对用户分配不同的带宽及权限，如果出现端口不够的情况，则可通过级联或者堆叠方式进行方便扩容。
（5）网络可靠性：高可靠性的网络不但涉及到网络架构、设备选型、协议选择、业务规划等技术层面的问题，还受用户现有网络状况、网络投资预算、用户管理水平等影响，因此在规划可靠性网络时需要因地制宜，综合考虑各方面的影响因素。基于PON的网络拓扑一般为星型拓扑，一旦其中某个核心组件（OLT、ODN等）出现问题，就会导致整个网络瘫痪。虽然目前PON组网方式中有Type A（主干光纤冗余保护）、Type B（OLT PON口、主干光纤冗余保护）、Type C（全保护：OLT PON口、主干光纤、分光器，配线光纤冗余保护）、Type D（全保护：OLT PON口、主干光纤、分光器，配线光纤冗余保护、ONU PON口）四种冗余保护模式技术，但到了Type C、Type D模式就需要购置两台OLT设备，成本就会显著提升。与之相比，交换机组网方式可进行环形或者双归组网来提升网络的可靠性，也可采用堆叠技术，既方便了管理，又提高了业务可靠性和可扩展性，成本相对较低。
（6）网络兼容性：考虑到视频监控网络设备很难是单一品牌的产品，因此设备间的兼容性和互通性非常重要。在PON组网方式中不同品牌的OLT和ONU/ONT实现对接的难度较大；而交换机组网方式则有着成熟的标准协议，不同品牌的网络设备可以比较容易实现对接。
（7）网络安全性：有部分金融、政府、大企业等行业客户，对带宽诉求非常大，安全性要求也很高，有加密需求。PON组网方式上行数据不加密，并不适用于金融、政企等对于安全性要求较高的场景。而交换机组网方式提供MACsec（Media Access Control Security，MAC安全）数据安全通信特性，可为用户提供端到端网络安全的MAC层数据发送和接收服务，包括用户数据加密、数据帧完整性检查及数据源真实性校验。
从笔者近三年接触到的相关项目来看，大中型规模视频监控网络在规划设计时使用的PON组网方式较多，例如某副省级城市及所辖县市雪亮工程、某国家重点大型发电站图像监控系统、某三甲医院综合楼安防系统等，中小型规模视频监控网络在规划设计时也有使用的PON组网方式的，例如某县职教中心安防监控系统，但很明显使用数量及比例少于交换机组网方式，笔者分析主要原因是还是成本的问题。
其实交换机组网方式和PON组网方式在技术上不存在谁优谁劣的问题，只有在具体的业务场景中谁更合适的问题。在规划设计视频监控网络系统时，除了考虑网络的实用性、前瞻性、可扩展性、可靠性、兼容性、安全性等因素之外，还要考虑网络建设的成本、运维等方面诸多的因素。
PON组网方式主要是运营商使用的较多，生态圈较为封闭，相关设备提供商较少（国内主要有华为、中兴、烽火等），在网络成熟度、业务支撑显得略有不足，但在大中型规模视频监控网络项目中，PON组网的无源适应性、星型网络的扩展性和多业务承载能力等优势就得到很好的体现。交换机组网的生态圈可以说是经历了这么多年的发展比较成熟，不仅渠道体系完善，商业模式丰富，同时主流设备制造商不仅提供了丰富的产品，还能通过开放API和SDK，实现与第三方对接，从而打造更多业务创新，以满足视频监控技术高速发展的新需求。所以可以预见，未来的视频监控网络将会呈现出PON组网与交换机组网“优势互补”的局面，视频监控网络也将因此变得更加精彩！
