问答题 阅读以下关于某“平安城市工程”的叙述,根据要求回答问题。
[说明]
某城市为满足治安管理、城市管理、交通管理、应急指挥等需求,决定在城市的所有进出路口、客货运场所、主要道路路口、重要公共场所、商业密集区域、治安案件高发区等地进行视频监控,并通过网络建立完善的社会治安视频监控系统,即实施“平安城市工程”,以实现视频监控信息资源的整合与共享。平安城市工程的网络接入如图1所示。
问答题 运营商网络中的某一个网络视频接入结点,需要通过一台交换机实现3个监控点摄像机的视频图像接入,摄像机和交换机之间采用光纤进行互连,并存在一个光纤物理汇接结点(用于实现光纤的熔接配置)。各结点的类型、分布和位置坐标如图2和表1所示,允许采用2芯、4芯、8芯或16芯的光缆。请指出采用“网络结点至监控点直埋光纤”、“通过光纤汇接点汇接光纤”、“基于EPON分光器互连光纤”3种方式需要埋设的光缆类型并计算所需每种类型光缆的最短长度。(注:在计算长度时,
【正确答案】●采用“网络结点至监控点直理光纤”埋设方式:所需埋设的光缆全部为2芯光缆,所需光缆的最短长度为[*](米或千米)。 ●采用“通过光纤汇接点汇接光纤”埋设方式:需要埋设两种光缆,其中8芯光缆的最短长度为[*](米或公里);2芯光缆的最短长度为[*](米或千米)。 ●采用“基于EPON分光器互连光纤”埋设方式:所需埋设的光缆全部为2芯光缆,所需光缆的最短长度为[*](米或千米)
【答案解析】这是一道要求考生掌握各种光缆埋设方式及光缆选型、最短长度计算(勾股定理)的综合分析题。本题的解答思路如下:
在“平安城市工程中”,视频监控点至网络接入层的光纤铺设不仅仅涉及光纤链路的材料费用(或租赁费用),还涉及工程建设过程中由于光纤铺设而产生的破路、回填、修复、绿化等间接成本。因此针对不同的视频监控点分布,选择合适的光纤铺设方式是至关重要的设计步骤。由于每根光纤很细(μm级),因此必须加上加强元件、填充物、外护套将光纤做成结实的光缆,以满足工程施工抗拉强度的要求。一根光缆少则有两根光纤(称之为2芯光缆),多则数百根光纤。
依题意,“网络结点至监控点直埋光纤”埋设方式是指在视频监控点至网络接入层结点之间直接埋设一根2芯光缆,形成网络结点至各视频监控点的一个中心辐射状物理链路关系。若光缆采用这种埋设方式,且要求所埋设的光缆长度最短,则需埋设网络视频接入结点A至视频监控结点B、结点A至视频监控结点C、结点A至视频监控结点D 3条光缆(暂不考虑光缆埋设工程所涉及的施工成本),如图4所示。在不考虑纤芯冗余的情况下,这3条光缆类型可以选用2芯的。
[*]

图4 “网络结点至监控点直理光纤”埋设方式

若直角三角形两直角边分别为a、b,斜边为c,则两直角边的平方和等于斜边的平方(即a2+b2=c2),这称之为直角三角形勾股定理。在图4中,结点A至结点B所埋设的光缆长度[*],结点A至结点C所埋设的光缆长度[*],结点A至结点D所埋设的光缆长度[*]。采用“网络结点至监控点直埋光纤”埋
设方式所需2芯光缆的总基最短长度
[*]
“通过光纤汇接点汇接光纤”埋设方式是指在网络接入层结点和视频监控点之间存在一个光纤物理汇接结点,其中网络结点至光纤汇接点之间是一根多芯光缆,而光纤汇接点至各监控点之间为一根2芯光缆。在这种埋设方式中,网络结点与各监控点在逻辑上仍然是一个中心辐射关系,网络结点至各监控点的光纤仍为2芯;但是从光纤的物理分布上,光纤的割接点不在网络结点,而是下移至光纤汇接点,从而减少了光缆铺设的工程量。
若光缆采用“通过光纤汇接点汇接光纤”埋设方式,且要求所埋设的光缆长度最短,且不考虑纤芯冗余的情况下,则网络视频接入结点A至光纤物理汇接结点E需选用8芯的光缆埋设,结点E分别至视频监控结点B、结点C、结点D 3条光缆均可选用2芯的光缆埋设,如图5所示,在图5中,结点A至结点E所埋设的8芯光缆长度
[*];结点E至结点B所埋设的光缆长度
[*],结点E至结点C所埋设的光缆长度
LEC2=2+(图纸的比例尺),结点E至结点D所埋设的光缆长度
[*],所需2芯光缆的总共最短长度
[*]。采用“通过光纤汇接点汇接光纤”埋设方式光缆的总共最短长度[*][*]。
[*]

图5 “通过光纤汇接点汇接光纤”埋设方式

基于以太网的无源光网络(EPON)具有点到多点(P2MP)传输、单纤双向、采用分光器进行级连等组网特性。分光器也称为光分路器,是光纤链路中最重要的无源器件之一,是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件,常用M×N来表示一个分光器有M个输入端和N个输出端。EPON组网模型不受限制,可以通过分光器组合灵活组建链型、树型、星型等网络,并且通过单芯光纤串接分光器的方式可以降低网络布线的成本。
依题意,EPON技术采用分光器串连的方式,将所有监控点连接起来。在当前技术条件下,当监控结点少于50个时,可以用一根2芯光缆把所有监控点连接起来。考虑图2各结点的分布情况,则可以有3种光缆走线方式,即AB+BC+CD、AC+CB+CD、AD+DC+CB,如图6所示。通过图2各结点的坐标位置可以直观地看出,AB<AC<AD,因此在要求所埋设的光缆长度最短的情况,应选择“AB+BC+CD”的走线方式。在不考虑纤芯冗余的情况下,这3段光缆可以选用2芯光缆进行埋设,至少需要在结点B、结点C分别部署—个EPON分光器。在图6中,结点A至结点B所埋设的光缆长度[*],结点B至结点C所埋设的光缆长度[*],结点C至结点D所埋设的光缆长度LCD3=2÷(图纸的比例尺)。采用“基于EPON分光器互连光纤”埋设方式2芯光缆的总共最短长度[*]。
[*]

图6 “基于EPON分光器互连光纤”埋设方式
问答题 Catalyst 6509作为整个网络的核心交换设备。核心交换机3号插槽上安装8端口GBIC千兆以太网模块WS-X6408A-GBIC(8 port GIGABIT ETHERNET),端口1~3分别与行政区甲、行政区乙和行政区丙的汇聚交换机互连。其他端口与各级指挥中心的汇聚交换机互连,核心交换机至行政区甲、乙、丙的距离分别为8公里、22公里、42公里。表2列出了光电收发器及配件的参数指标,请从表2中选择分别与端口1、端口2、端口3连接的收发器及配件,并分别指出应采用的光纤链路。
{{B}}表2 光电收发器配件{{/B}}
序号 产品类型 参数指标 备注
1 WS-G5484 1000Basesx,多模光纤链路 短距离通信
2 WS-G5486 1000BaseLX/LH,遵循IEEE802.3z,1000BaseLX标准,使用
高质量单模光纤链路可使距离扩充一倍
长距离通信
3 WS-G5487 1000BaseZX,与单模光纤一起使用,普通单模光纤链路上最
远可以传递70公里,使用高质量单模光纤链路最远可至100
公里
超长距离通信
4 5dB线上光衰减器 增加25公里的光信号衰减 避免光收发器过载
5 10dB线上光衰减器 增加50公里的光信号衰减 避免光收发器过载
【正确答案】端口 收发器 配件 光纤链路 端口1 WS-G5486 无 高质量单模光纤链路 端口2 WS-G5487 10dB线上光衰减器 普通单模光纤链路 端口3 WS-G5487 5dB线上光衰减器 普通单模光纤链路
【答案解析】这是一道要求考生掌握在不同传输距离的情况下,各种光电收发器及配件、光纤链路的选型的综合分析题。本题的解答思路如下: 基于IEEE 802.3z标准的干兆以太网共有4种物理层标准,即1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CX、1000Base-T。其中,1000Base-SX采用62.5μm多模光纤时,工作波长为850nm,半双工和全双工工作模式的光纤最大长度均为275m;采用50μm多模光纤时,半双工和全双工工作模式的光纤最大长度均为550m。1000Base-LX采用62.5μm或50μm多模光纤时,工作波长为1300nm,半双工工作模式的光纤最大长度为316m,全双工工作模式的光纤最大长度为550m;采用62.5μm或50μm单模光纤时,工作波长为1300nm,半双工工作模式的光纤最大长度为316m,全双工工作模式的光纤最大长度为5km。 Cisco公司提供的光电收发器遵循千兆位接口转换器(GBIC)标准,是一种热插拔的输入输出设备。该设备插入千兆位以太网端口/插槽内,负责将端口与光纤网络连接在一起。GBIC可以在各种Cisco产品上使用和互换,并可逐个端口地与遵循IEEE 802.3z的1000Base-SX、1000Base-LX/LH或1000Base-ZX接口混用。 对于表2所给出的WS-G5484光电收发模块,其遵循1000Base-SX标准,工作在普通的多模光纤链路上,最大传输距离达550m。WS-G5486模块是一种完全遵循IEEE 802.3z1000Base-LX标准的1000Base-LX/LH接口,但其具有较高的光质量,在优质单模光纤(SMF)的情况下传输距离可达10km,要比1000Base-LX标准中规定的5km远一倍。 WS-G5487模块遵循1000BaseZX标准,工作在普通单模光纤链路上,最大传输距离达70km,当使用优质单模光纤或散射消除单模光纤时,传输距离可达100km。WS-G5487模块必须与单模光纤一起使用,不能与多模光纤配合使用。由于其收发器具有很强的光质量,因此当使用短距离的单模光纤时,在链路中应该插入一个线上光衰减器以免光接收机过载。防止出现光接收机过载的常见原则如下: ●只要光纤的长度低于25km,就在链路两端的光纤和WS-G5487 GBIC的接收端口之间插入一个10dB的线上光衰减器。 ●若光纤的长度大于或等于25km但低于50km,则在链路两端的光纤和WS-G5487GBIC的接收端口之间插入一个5dB的线上光衰减器。 依题意,由于核心交换机至行政区甲、乙、丙的距离分别为8km、22km、42km,这些距离远大于550m,因此可以排除对WS-G5484光电收发器(适用于多模光纤链路)的选用。 由于核心交换机至行政区甲的距离为8~10km,而核心交换机3号插槽端口1与行政区甲的汇聚交换机互连,因此核心交换机3号插槽端口1连接的收发器型号是WS-G5486,且采用高质量单模光纤链路。 由于核心交换机至行政区乙的距离为22~25km,因此与行政区乙汇聚交换机互连的核心交换机3号插槽端口2,所连接的收发器型号是WS-G5487,插入的是10dB线上光衰减器,采用普通单模光纤链路。 由于核心交换机至行政区丙的距离为42km,25km<42km<50km,因此与行政区丙汇聚交换机互连的核心交换机3号插槽端口3,所连接的收发器型号是WS-G5487,插入的是5dB线上光衰减器,采用普通单模光纤链路。
问答题 核心交换机4号插槽上安装16端口GBIC千兆以太网模块WS-6516-GBIC(16 portGIGABIT ETHERNET),负责连接平安城市工程中所有的流媒体服务器、存储服务器等设备,端口1和端口2连接2台流媒体服务器、端口3和端口4连接2台存储服务器。《平安城市工程规范》中规定,实时调阅视频流从采集至播放的时间延迟不得大于1秒。图3为某派出所对一个监控点的设备连接图,表3为图中各设备产生的延迟情况。请计算该派出所一个监控点的实时视频调阅延迟,并指出是否符合《平安城市工程规范》;如不符合规范,在不改变编解码器和流媒体服务器产品的情况下,给出可能的优化方案。
[*]

图3 监控设备连接图
{{B}}表3 各设备延迟情况{{/B}}
序号 设备 延迟原因 延迟时间(ms) 备注
1 编码器 视频信号模数转换延时 400
2 接入交换机 数据帧转发延时 30
3 汇聚交换机 数据帧转发延时 30
4 核心交换机 数据帧模块间转发延时 10
5 核心交换机 数据帧模块内端口间转发延时 5
6 流媒体服务器 视频流处理及转发延时 70
7 存储服务器 视频存储延时 200
8 存储服务器 视频调阅转发延时 100
9 解码器 视频信号数模转换延时 400
10 各线路 信号传输延时 0 忽略不计
【正确答案】实时视频调阅延迟为1010ms(或1.010s) 不符合平安城市工程规范 可能的优化方案包含但不限于以下措施: ①将核心交换机4号插槽的GBIC千兆以太网模块升级(或更换)成至少拥有(或空余有)4个千兆光纤接口的模块,这4个千兆光纤接口作为两台汇聚交换机的上连接口,将节省10ms转发延时: ②或将流媒体服务器的连接端口由服务器连接模块(或4号插槽模块)变更至汇聚交换机连接模块(或3号插槽模块),将节省10ms转发延时; ③在光纤传输距离允许且汇聚交换机有多余光纤接口的情况下,可将编码器、解码器直接连接至各自的汇聚交换机,共将节省60ms转发延时(若为单侧优化,则将节省30ms转发延时); ④或在光纤传输距离允许且核心交换机有多余光纤接口的情况下,可将接入交换机直接连接至核心交换机,共将60ms转发延时(若为单侧优化,则将节省30ms转发延时)
【答案解析】这是一道要求考生掌握实时视频调阅时延参数计算及其优化方案分析的综合应用题。本题的解答思路如下:
依题意,基于图3视频监控设备连接图和表3各种设备产生的延迟参数可以做出如下分析,当某派出所的控制计算机发出调阅其管辖的某个监控点实时视频的指令后,该调阅指令将被流媒体服务器接收并进行相关处理,流媒体服务器将向所指定监控点的摄像机发出采集视频流的操作命令;摄像机所采集的模拟视频流信号经编码器进行模/数(A/D)转换并封装成相应的以太网数据帧送入视频监控网络的接入层交换机(约延迟400ms),之后该视频流数据帧将经过接入层交换机、汇聚层交换机的转发(分别延迟了30ms、30ms),将到达Catalyst 6509核心交换机3号插槽光纤接口模块(该信息可由[问题2]题干信息“Catalyst6509作为整个网络的核心交换设备”和光电收发器的功能,以及图3“汇聚交换机”与“核心交换机”之间所标注的“光纤”推理得知);由于流媒体服务器是连接在核心交换机4号插槽的端口1和端口2,因此该视频流数据帧从3号插槽光纤接口模块转发到4号插槽千兆以太接口模块时,将有10ms延迟时间;该视频流数据帧经流媒体服务器进行相关处理后(约延迟70ms),将从4号插槽的端口1(或端口2)转发到3号插槽光纤接口模块(约延迟10ms),以实现“实时”调阅视频流的应用需求;同时,经流媒体服务器进行相关处理后的视频流将由4号插槽的端口1(或端口2)转发给连接在端口3(或端口4)的存储服务器进行数据存储操作,这一过程存在有数据帧模块内端口间5ms转发延时和200ms视频存储延迟时间,由于实时调阅视频流和复制视频流用于数据存储可以进行并发操作,因此数据存储过程的延迟不会对实时调阅视频流造成影响);从3号插槽光纤接口模块流出的视频流数据帧,分别经过派出所的汇聚层交换机、接入层交换机转发后(分别延迟了30ms、30ms),送至解码器进行数据帧的拆封并通过数/模(D/A)转换形成监视器可接收的模拟视频流信号(约延迟400ms)。
以上分析过程中,各设备延迟情况示意图见图7。在忽略各种传输介质的信号传播时延的情况下,某派出所对一个监控点的实时视频调阅延迟
t=400+30+30+10+70+10+30+30+400=1010ms=1.010s。
[*]

图7 各设备延迟情况分析图

由于平安城市工程规范中规定,实时调阅视频流从采集至播放的时间延迟不得超过1s,而1.010s>1s,因此图3所产生的实时视频调阅延迟不符合平安城市工程规范。若不能改变编/解码器和流媒体服务器产品(即保留实时视频调阅延迟t中400ms、70ms和400ms三个参数)的情况下,则可以从优化其他转发延时参数入手进行分析,在不考虑经费限制,可以采取以下一种或多种方案。
①将核心交换机4号插槽的GBIC千兆以太网模块升级(或更换)为至少拥有4个干兆光纤接口和16个千兆以太端口的模块,由这4个干兆光纤接口分别连接图3中的两台汇聚交换机。若4号插槽中有空余的千兆光纤接口,则可将两台汇聚交换机上连光纤由原来插接在3号插槽变更为插接在4号插槽中。采取这一优化措施,将节省10ms转发延时,即节省了图7中两次的核心交换机数据帧模块间的10ms转发延时,同时也将引入了两次数据帧模块内端口间的5ms转发延时。
或者,将原来插接在4号插槽WS-X6516-GBIC模块端口1和端口2的两台流媒体服务器,变更为插接在3号插槽WS-X6408A模块空余的千兆以太接口上。采取这一优化措施,将节省10ms转发延时,即节省了图7中两次的核心交换机数据帧模块间的10ms转发延时,同时也将引入两次数据帧模块内端口间的5ms转发延时。
②在光纤传输距离允许且汇聚交换机有多余光纤接口的情况下,可将编码器、解码器直接连接至各自的汇聚交换机上。采取这一优化措施,若编/解码器均直接上连至汇聚交换机,则将节省60ms转发延时;若只将一侧的编码器(或解码器)直接上连至汇聚交换机,则将节省30ms转发延时。
或者,在光纤传输距离允许且核心交换机有多余光纤接口的情况下,可将接入交换机直接连接至核心交换机。若监控点和派出所两侧均采取这一优化措施,则将节省60ms转发延时;若只在一侧采取这一优化措施,则将节省30ms转发延时。