淺論視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展

李梅芳　王靜　張靜怡

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們對(duì)安全防范技術(shù)的要求也越來(lái)越高。從軍隊(duì)、銀行到學(xué)校，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)日益普及，監(jiān)控?cái)z像機(jī)數(shù)目大幅劇增，產(chǎn)生了海量的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)的應(yīng)用，需要保證充足的歷史數(shù)據(jù)，錄像存儲(chǔ)周期一再被延長(zhǎng)，導(dǎo)致監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一再驟增，這就要求對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)在容量和可靠性等方面都能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要。介紹了監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展歷史，從存儲(chǔ)解決方案和存儲(chǔ)架構(gòu)模式兩個(gè)方面對(duì)最新的存儲(chǔ)設(shè)備—一磁盤(pán)陣列進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);磁盤(pán)陣列;存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）;網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN948.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.040

1 存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要性

視頻監(jiān)控經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，已經(jīng)從初期的閉路電視監(jiān)控，發(fā)展到如今數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的大型監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控?cái)z像機(jī)“遍布大街小巷”，產(chǎn)生了大量的視頻數(shù)據(jù)。由于視頻數(shù)據(jù)本身容量巨大，而且錄像至少要求保留3個(gè)月，所以對(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)提出了很高的要求。

近年來(lái)，為了加快監(jiān)控智能化的步伐，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域得到大力的應(yīng)用，為了保證充足的歷史數(shù)據(jù)，錄像存儲(chǔ)周期一再被延長(zhǎng)，甚至長(zhǎng)達(dá)2-3年，造成海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一再驟增的局面，這不但對(duì)視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量方面是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而且對(duì)系統(tǒng)可靠性、容錯(cuò)性等性能方面提出了前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 視頻監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展歷史

2.1 錄像機(jī)存儲(chǔ)階段

視頻監(jiān)控系統(tǒng)最早使用模擬的磁帶錄像機(jī)（ VCR）存儲(chǔ)錄像，但是磁帶容量小，只能按順序檢索，所以VCR存取緩慢、檢索效率低下。20世紀(jì)90年代，安防行業(yè)出現(xiàn)了數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)（ DVR）。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)字化和壓縮編碼，使用硬盤(pán)進(jìn)行存儲(chǔ)。DVR具有快速錄像、隨機(jī)檢索的優(yōu)點(diǎn)，很快就取代VCR成為視頻存儲(chǔ)的主力。

隨著安防技術(shù)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展進(jìn)程，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IPC）。IPC集成了數(shù)字化和壓縮編碼功能，可以直接生成壓縮的數(shù)字信號(hào)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。DVR作為模擬信號(hào)存儲(chǔ)設(shè)備，不能勝任IPC的存儲(chǔ)。于是，專門(mén)用于IPC圖像存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)（ NVR）應(yīng)運(yùn)而生，NVR成為新一代網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2.2 磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)階段

DVR和NVR都屬于嵌入式設(shè)備，受嵌入式芯片性能和單機(jī)安裝空間所限制，單臺(tái)錄像機(jī)存儲(chǔ)容量有限，即便采用多臺(tái)堆疊來(lái)擴(kuò)容，彼此也是松散的并列關(guān)系，無(wú)法提供更強(qiáng)大的存儲(chǔ)性能。

磁盤(pán)陣列徹底摒棄了“硬盤(pán)安裝在主機(jī)內(nèi)部”的傳統(tǒng)架構(gòu)，而是把多塊硬盤(pán)（一般為16/24/48）以抽屜式架構(gòu)組裝一個(gè)“柜子”里，成為一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備。多臺(tái)磁盤(pán)陣列可以由一臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行集中管理，統(tǒng)一部署存儲(chǔ)任務(wù)，后期的IP SAN架構(gòu)把這些磁盤(pán)陣列組成了一個(gè)專門(mén)的高速存儲(chǔ)專網(wǎng)，使其存儲(chǔ)性能大大提升。磁盤(pán)陣列內(nèi)的硬盤(pán)不再彼此孤立，而是通過(guò)RAID技術(shù)，按不同的方式組合成一個(gè)個(gè)邏輯分組，多個(gè)磁盤(pán)可以同時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐量。RAID模式還可以提供硬盤(pán)相互校驗(yàn)/恢復(fù)措施，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失時(shí)，可以根據(jù)校驗(yàn)值恢復(fù)數(shù)據(jù)，還可以設(shè)置熱備盤(pán)，一旦組內(nèi)某塊硬盤(pán)發(fā)生故障，熱備盤(pán)自動(dòng)將其替換，表現(xiàn)出一定的存儲(chǔ)容錯(cuò)能力。

3 磁盤(pán)陣列的三種存儲(chǔ)解決方案

磁盤(pán)陣列與其服務(wù)器有多種連接方式，下面介紹主要的三種解決方案，分別是直連式存儲(chǔ)（ DAS）、網(wǎng)絡(luò)接人存儲(chǔ)（ NAS）和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）。

3.1 直連式存儲(chǔ)（DAS）

DAS中，磁盤(pán)陣列和服務(wù)器采用SCSI通道直連，陣列的讀寫(xiě)操作都要占用服務(wù)器的資源。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。而且，DAS磁盤(pán)陣列被服務(wù)器獨(dú)占，無(wú)法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)共享，不能進(jìn)行集中的存儲(chǔ)管理。

3.2 網(wǎng)絡(luò)接入存儲(chǔ)（NAS）

NAS把磁盤(pán)陣列從應(yīng)用服務(wù)器中分離出來(lái)，由專用的NAS服務(wù)器進(jìn)行集中管理。應(yīng)用服務(wù)器和NAS服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。NAS文件服務(wù)器專門(mén)為應(yīng)用服務(wù)器提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件共享的服務(wù)，它的文件管理系統(tǒng)可以提供NFS、HTTP、CIFS等豐富的文件訪問(wèn)格式，兼容性非常好。

NAS突破了SCSI通道的限制，使得磁盤(pán)陣列脫離了對(duì)應(yīng)用服務(wù)器的依賴，其存儲(chǔ)效率、設(shè)備共享利用率與DAS相比均有所提升。NAS采用普通的以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，提供文件級(jí)別的共享粒度，當(dāng)多臺(tái)客戶端訪問(wèn)NAS文件系統(tǒng)時(shí)，NAS的性能會(huì)顯著下降，無(wú)法滿足大型網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)需求。

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

為了提高磁盤(pán)陣列的存儲(chǔ)效率，SAN通過(guò)高速的光纖通道交換機(jī)把磁盤(pán)陣列組成高速存儲(chǔ)專網(wǎng)。光纖通道網(wǎng)絡(luò)支持自動(dòng)重新路由技術(shù)，而且提供設(shè)備級(jí)的塊訪問(wèn)，所以數(shù)據(jù)傳輸效率高，存儲(chǔ)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用普通以太網(wǎng)的NAS方案。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(wú)法大力推廣。后來(lái)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，用高速的千兆或萬(wàn)兆交換機(jī)代替光纖通道交換機(jī)，并且通過(guò)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)行磁盤(pán)陣列塊數(shù)據(jù)傳輸，這就是著名的IP SAN-基于IP以太網(wǎng)的SAN存儲(chǔ)架構(gòu)。IPSAN既保持了SAN快速的數(shù)據(jù)傳輸效率，又繼承了以太網(wǎng)開(kāi)放可靠、好實(shí)施、易管理的便捷性，受到廣大用戶的青睞。

4 IP SAN的應(yīng)用架構(gòu)模式

在IP SAN上面部署的存儲(chǔ)系統(tǒng)，有三種存儲(chǔ)架構(gòu)，分別是流媒體架構(gòu)、直寫(xiě)架構(gòu)和全交換架構(gòu)。三種模式數(shù)據(jù)碼流的傳輸方式有所不同，下面一一進(jìn)行介紹。

4.1 流媒體架構(gòu)

流媒體架構(gòu)是比較早期的系統(tǒng)模式，如圖1所示，系統(tǒng)中部署了中心管理服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器。

各種碼流的調(diào)用流程如下：①前端實(shí)時(shí)碼流。需經(jīng)流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)用，當(dāng)攝像機(jī)被多用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)，只需要傳輸一份視頻流到流媒體服務(wù)器，以后就由它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)到每個(gè)用戶。②存儲(chǔ)碼流。先經(jīng)流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到存儲(chǔ)服務(wù)器，然后由存儲(chǔ)服務(wù)器存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列。③磁陣內(nèi)的存儲(chǔ)回放碼流。需經(jīng)存儲(chǔ)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到流媒體服務(wù)器，再由流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。④客戶端控制信令。需經(jīng)中心管理服務(wù)器對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行控制。

流媒體架構(gòu)中，流媒體服務(wù)器的任務(wù)十分繁重，很容易成為系統(tǒng)的瓶頸。如果系統(tǒng)規(guī)模較大，就需要部署大量的流媒體服務(wù)器和相應(yīng)數(shù)目的存儲(chǔ)服務(wù)器。

4.2 直寫(xiě)架構(gòu)

和流媒體架構(gòu)相比，直寫(xiě)架構(gòu)的根本特點(diǎn)就是采用了磁盤(pán)陣列“塊直寫(xiě)”存儲(chǔ)技術(shù)，存儲(chǔ)碼流不再經(jīng)過(guò)流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接寫(xiě)入磁盤(pán)陣列，大大提高了存儲(chǔ)效率。這樣，視頻數(shù)據(jù)直接從攝像機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)寫(xiě)入磁盤(pán)陣列，存儲(chǔ)服務(wù)器只是起控制和管理作用，不再需要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)一遍。所以存儲(chǔ)服務(wù)器的工作量驟減，只需配備一主一備兩臺(tái)即可。而流媒體服務(wù)器不再負(fù)責(zé)存儲(chǔ)碼流的轉(zhuǎn)發(fā)，只需要專注于實(shí)時(shí)碼流的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，所以其訪問(wèn)“瓶頸”問(wèn)題得以解決，也不需要部署那么多臺(tái)了。

4.3 全交換架構(gòu)

在全交換架構(gòu)里，數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式產(chǎn)生了重大的變革，完全摒棄了“媒體轉(zhuǎn)發(fā)”模式，而是采用了全新的網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)進(jìn)行“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”。當(dāng)多個(gè)客戶申請(qǐng)同一視頻資源時(shí)，不論數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)視頻還是回放錄像，他們都被加入同一個(gè)組播組里，組播網(wǎng)會(huì)把數(shù)據(jù)精準(zhǔn)配送給組里每個(gè)用戶。

全交換架構(gòu)的特點(diǎn)如下：①要求攝像機(jī)和所有交換機(jī)均支持網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)，在組播網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組織下有序工作;②從碼流調(diào)用流程看，實(shí)時(shí)碼流、存儲(chǔ)碼流、回放碼流均完全依賴于組播功能的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸;③從服務(wù)器數(shù)量看，不再部署流媒體服務(wù)器，只需要一臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器和一臺(tái)中心管理服務(wù)器，甚至二者可以合二為一。

可見(jiàn)，全交換架構(gòu)與直寫(xiě)架構(gòu)的根本不同之處在于采用網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)進(jìn)行媒體轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)仍然沿用了直寫(xiě)架構(gòu)的“塊直寫(xiě)”模式。所以，全交換架構(gòu)不但數(shù)據(jù)傳輸效率高，而且組播網(wǎng)絡(luò)具有智能性和健壯性，服務(wù)器數(shù)量精簡(jiǎn)、組織有序、工作高效，整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)舉重若輕的高手工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

總之，當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到了大型網(wǎng)絡(luò)化階段，其存儲(chǔ)技術(shù)也高度發(fā)達(dá)。全交換架構(gòu)的IP SAN高速存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)像一位武功奇高的勇士，肩負(fù)著海量視頻數(shù)據(jù)高效、可靠存儲(chǔ)的重任，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域大顯身手，為各行各業(yè)的安全保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鋼.視頻監(jiān)控系統(tǒng)常用存儲(chǔ)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013 （3）： 234，236.

[2]閏真才.高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)的探討[J].中國(guó)公共安全（綜合版），2012（ 20）：86-88.