從存儲(chǔ)技術(shù)看視頻監(jiān)控系統(tǒng)的歷史變遷

李梅芳　王靜　孔慶儀

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)安全防范的要求也越來越高，從軍隊(duì)、銀行、學(xué)校到企業(yè)，乃至許多家庭，都配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為安全防范的重要保證。視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)預(yù)防和制止犯罪、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定起到了巨大的作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)從初期的模擬階段，到目前的大型網(wǎng)絡(luò)化階段，變化非常巨大。試圖從視頻監(jiān)控系統(tǒng)最重要的部分一“存儲(chǔ)系統(tǒng)”的變遷角度，研究視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng);磁盤陣列;存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò);監(jiān)控中心

中圖分類號(hào)：TN948

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.1 5913/j .cnki.kjycx.2019.09.034

1 模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其存儲(chǔ)設(shè)備

l.l 系統(tǒng)組成

典型的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，由前端攝像機(jī)、監(jiān)視器、矩陣主機(jī)和錄像機(jī)組成，都屬于模擬設(shè)備。攝像機(jī)產(chǎn)生的視頻信號(hào)通過同軸電纜傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，經(jīng)視頻分配器一分為二，一路去矩陣進(jìn)行視頻監(jiān)控，另一路去錄像機(jī)進(jìn)行錄像存儲(chǔ)。矩陣主機(jī)作為系統(tǒng)的中心設(shè)備，完成實(shí)時(shí)監(jiān)視、視頻切換、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、設(shè)備控制和系統(tǒng)管理等核心功能。

1.2 存儲(chǔ)設(shè)備

模擬階段的存儲(chǔ)系統(tǒng)，最早使用磁帶錄像機(jī)（ VCR），但是磁帶存儲(chǔ)容量小需要經(jīng)常更換，VCR檢索效率低下、自動(dòng)化程度很低。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了數(shù)字硬盤錄像機(jī)（ DVR），DVR對(duì)VCR實(shí)現(xiàn)了全面取代，在視頻存儲(chǔ)、檢索、瀏覽等方面實(shí)現(xiàn)了飛躍。DVR的關(guān)鍵技術(shù)是把攝像機(jī)產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和壓縮，并使用硬盤進(jìn)行存儲(chǔ)，具有快速錄像、隨機(jī)檢索、大容量存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)。DVR的出現(xiàn)使得監(jiān)控系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，所以采用DVR的模擬系統(tǒng)又稱半數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

除了錄像功能，DVR還具有視頻切換、云鏡控制和系統(tǒng)管理等功能，在小型監(jiān)控系統(tǒng)里可以兼職控制主機(jī)使用。大型系統(tǒng)仍然需要配置矩陣作為控制主機(jī)、DVR作為存儲(chǔ)主機(jī)，二者珠聯(lián)璧合，一統(tǒng)天下。

2 小型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其存儲(chǔ)設(shè)備

隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)隨時(shí)隨地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的需求日益強(qiáng)烈，DVR作為數(shù)?；旌袭a(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)功能有限，很難滿足這種需要。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（ IPC）便應(yīng)運(yùn)而生。2007年，網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（ NVR）也橫空出世，標(biāo)志著視頻監(jiān)控產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。

與模擬系統(tǒng)相比，以NVR為中心構(gòu)建的小型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成如下：①前端系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（ IPC）集成了數(shù)字化和壓縮編碼單元以及Web服務(wù)器，可以將視頻信號(hào)壓縮并轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸，這樣從源頭上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。②傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)是由網(wǎng)線、光纖和交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)，攝像機(jī)、錄像機(jī)、客戶機(jī)等所有設(shè)備都擁有一個(gè)IP地址，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接和訪問。③控制和存儲(chǔ)系統(tǒng)。NVR作為系統(tǒng)的核心，同時(shí)扮演控制主機(jī)和存儲(chǔ)主機(jī)的角色。由于IPC已經(jīng)完成數(shù)字化編碼任務(wù)，所以NVR可以不像DVR那樣忙于數(shù)字化編碼，可以專注于完成錄像、管理、控制以及其他系統(tǒng)功能。如果單臺(tái)NVR滿足不了需要，可部署多臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)容。④顯示系統(tǒng)。如果需要在電視墻拼接屏上進(jìn)行圖像顯示，需要設(shè)置解碼器將視頻信號(hào)解壓縮和轉(zhuǎn)換成合適的顯示格式?？蛻舳薖C機(jī)瀏覽圖像、解壓縮和格式轉(zhuǎn)換任務(wù)由PC機(jī)完成。

3 大型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)不斷發(fā)展，規(guī)模日益增大，功能逐漸豐富，后來隨著光纖技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，誕生了大型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 大型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

3.1.1 前端系統(tǒng)

前端系統(tǒng)仍然采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，但是規(guī)模和數(shù)量巨大、監(jiān)控點(diǎn)的分布更加分散、距離更加遙遠(yuǎn)。

3.1.2 傳輸系統(tǒng)

小型系統(tǒng)一般通過內(nèi)部局域網(wǎng)構(gòu)成私有視頻系統(tǒng)，而大型系統(tǒng)則充分利用借助于口網(wǎng)絡(luò)無所不到的技術(shù)，把遠(yuǎn)程的概念從城域擴(kuò)展到城際甚至國(guó)際范圍。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更加宏大，一般采用核心一匯聚—接入三層架構(gòu)，最新的系統(tǒng)還要求各級(jí)交換機(jī)支持組播功能。核心交換機(jī)采用高檔交換機(jī)，功能非常強(qiáng)大，如果采用雙核心交換機(jī)冗余方案，網(wǎng)絡(luò)會(huì)更加可靠。

3.1.3 中心機(jī)房

中心機(jī)房分化為監(jiān)控中心和管理中心兩部分，前者配備控制臺(tái)、解碼器及電視墻接屏，側(cè)重于完成傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能。而管理中心機(jī)房，用來專門存放核心交換機(jī)、各種服務(wù)器、磁盤陣列、UPS電源等關(guān)鍵設(shè)備，以利于重要設(shè)備的保護(hù)。

3.1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)不再由一臺(tái)硬件組成，而是采用大型集成管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)軟件部署在各種服務(wù)器上，主要的服務(wù)器類型及其功能簡(jiǎn)介如下：①流媒體服務(wù)器。當(dāng)多用戶并發(fā)訪問攝像機(jī)時(shí)，只需要傳輸一份視頻流到流媒體服務(wù)器，以后視頻流就由流媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)給每個(gè)用戶。②中心管理服務(wù)器。用來安裝集成軟件平臺(tái)，接收客戶端操作產(chǎn)生的控制信令，完成前端設(shè)備控制和其他一切管理任務(wù)。③存儲(chǔ)服務(wù)器。專門用來控制和管理磁盤陣列存儲(chǔ)設(shè)備的服務(wù)器。

3.2 存儲(chǔ)技術(shù)

以上介紹的DVR和NVR都屬于嵌入式設(shè)備，受制于嵌入式芯片的性能，無法滿足大容量存儲(chǔ)的需要，也無法提供完善的RAID性能來保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)要使用性能更加完善的大容量存儲(chǔ)設(shè)備——RAID磁盤陣列。

3.2.1 RAID磁盤陣列

從外觀上看，磁盤陣列是一個(gè)安裝了16塊、24塊或者更多硬盤的存儲(chǔ)設(shè)備。實(shí)際上，RAID技術(shù)把多個(gè)物理硬盤按不同的方式組合成一個(gè)個(gè)邏輯硬盤，多個(gè)磁盤可以同時(shí)讀寫數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐量。很多RAID模式還提供了較為完備的硬盤相互校驗(yàn)/恢復(fù)措施，甚至是鏡像備份，大大提高了容錯(cuò)度。RAID還可以設(shè)置熱備盤，一旦某塊硬盤發(fā)生故障，熱備盤自動(dòng)將其替換。這些措施都保證了RAID磁盤陣列的高速存儲(chǔ)和穩(wěn)定可靠性。

3.2.2 磁盤陣列的三種存儲(chǔ)解決方案

不像DVR和NVR把硬盤直接安裝在主機(jī)內(nèi)部，磁盤陣列作為獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備與主機(jī)是分離的。磁盤陣列與使用它的服務(wù)器主機(jī)的連接和使用方式，主要有三種解決方案：直連式存儲(chǔ)（ DAS）、網(wǎng)絡(luò)接入存儲(chǔ)（NAS）和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ SAN）。

3.2.2.1 直連式存儲(chǔ)（DAS）

DAS中，磁盤陣列和服務(wù)器采用SCSI通道直連，無法進(jìn)行集中管理，而且陣列的讀寫操作都要占用服務(wù)器的操作系統(tǒng)和CPU、內(nèi)存等資源，對(duì)服務(wù)器有很大的依賴性。由于SCSI通道和主機(jī)的資源都有限，所以當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐量大時(shí)，DAS方案會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的輸入輸出瓶頸。

3.2.2.2 網(wǎng)絡(luò)接入存儲(chǔ)（NAS）

NAS結(jié)構(gòu)中，通過網(wǎng)絡(luò)連接磁盤陣列、NAS文件服務(wù)器和各級(jí)應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)據(jù)訪問通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行。NAS文件服務(wù)器采用一個(gè)兼容性很好的文件管理系統(tǒng)，可以給不同的應(yīng)用服務(wù)器提供NFS、HTTP、CIFS等多種文件格式進(jìn)行訪問?？梢?，NAS突破了SCSI通道的限制，也脫離了對(duì)應(yīng)用服務(wù)器的依賴，其存儲(chǔ)效率相比DAS有所提升。

3.2.2.3 存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN和IP SAN）

與NAS類似，SAN方案也把磁盤陣列從應(yīng)用服務(wù)器中分離出來進(jìn)行集中管理，但是SAN可以把數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)塊并寫入/讀出磁盤，提供設(shè)備級(jí)的塊訪問，輸入輸出性能高，傳輸延遲率低。

SAN最早采用光纖通道技術(shù)組網(wǎng)，由光纖通道交換機(jī)、服務(wù)器和磁盤陣列組成高速存儲(chǔ)專網(wǎng)。值得注意的是，此時(shí)系統(tǒng)存在連接IPC、客戶機(jī)的普通應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和高速存儲(chǔ)專網(wǎng)兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。由于光纖通道設(shè)備昂貴、施工復(fù)雜，使得中小型用戶望而卻步，導(dǎo)致SAN無法大力推廣。

后來出現(xiàn)了基于IP以太網(wǎng)絡(luò)的SAN存儲(chǔ)架構(gòu)，即IPSAN，它通過iSCSI協(xié)議把SCSI命令封裝在TCP/IP包中，直接使用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。IPSAN繼承了以太網(wǎng)開放、高性能、高可靠性、易管理的優(yōu)點(diǎn)，受到用戶的青睞，很快發(fā)展成為大型存儲(chǔ)系統(tǒng)的主力。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著視頻監(jiān)控發(fā)展到規(guī)模宏大、功能強(qiáng)大的大型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)階段，其存儲(chǔ)系統(tǒng)也從VCR、DVR、NVR等單個(gè)設(shè)備，發(fā)展到現(xiàn)階段由多臺(tái)RAID磁盤陣列組成的大型IP SAN存儲(chǔ)區(qū)域?qū)＞W(wǎng)。誰(shuí)知道，存儲(chǔ)系統(tǒng)將來會(huì)發(fā)展成什么樣子？會(huì)為未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶來什么樣的驚喜？讓我們拭目以待。

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