城市軌道交通視頻云存儲(chǔ)方案研究

李 鵬

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 視頻存儲(chǔ)的現(xiàn)狀

視頻存儲(chǔ)在安防行業(yè)的發(fā)展過程中經(jīng)歷了磁帶存儲(chǔ)、數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（NVR）、存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)(SAN)、云存儲(chǔ)等方式。目前，在城市軌道交通視頻監(jiān)控領(lǐng)域多采用基于IP 網(wǎng)構(gòu)建存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(IP-SAN)存儲(chǔ)方案。IP-SAN 存儲(chǔ)方案利用互聯(lián)網(wǎng)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（iSCSI）技術(shù)將SCSI 命令和數(shù)據(jù)封裝到TCP/IP 包中進(jìn)行傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SAN 存儲(chǔ)功能。由于IP-SAN 存儲(chǔ)方案具有網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單、管理便捷、造價(jià)低、安全可靠、產(chǎn)品成熟等特點(diǎn)，致使該方案成為近年來城市軌道交通領(lǐng)域采用的主流視頻存儲(chǔ)方案。但是，隨著城市軌道交通視頻存儲(chǔ)容量的劇增和基于視頻數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用的推廣，IP-SAN 存儲(chǔ)方案在讀寫性能、數(shù)據(jù)安全、容量擴(kuò)展、面向應(yīng)用等方面均顯現(xiàn)出不足。

2 云存儲(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介

云存儲(chǔ)技術(shù)是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或分布式文件等功能，應(yīng)用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件結(jié)合起來協(xié)同工作，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)訪問功能的一個(gè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)而言之，云存儲(chǔ)是一個(gè)配置了大容量存儲(chǔ)設(shè)備的云計(jì)算系統(tǒng)。

相較于IP-SAN 存儲(chǔ)方案，視頻云存儲(chǔ)方案具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)高安全性。視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)利用離散存儲(chǔ)技將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，以數(shù)據(jù)片的形式存儲(chǔ)到各節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)設(shè)備，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)通過糾刪碼技術(shù)利用無故障節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)片對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高安全性。

2）存儲(chǔ)資源共享、可動(dòng)態(tài)分配。視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)為共享式存儲(chǔ)系統(tǒng)，支持多媒體、圖片、文件等各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)資源池，存儲(chǔ)容量可動(dòng)態(tài)分配。

3）高并發(fā)讀寫性能。視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)支持集群化存儲(chǔ)和負(fù)載均衡特性，訪問數(shù)據(jù)采用多設(shè)備并行讀寫，可突破單臺(tái)設(shè)備瓶頸，提供海量的數(shù)據(jù)吞吐能力。單臺(tái)雙萬兆網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，數(shù)據(jù)讀寫能力可超過12 GB/S，系統(tǒng)讀寫能力會(huì)隨著存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而線性增長(zhǎng)。

4）系統(tǒng)擴(kuò)容方便快捷。視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)將分散在單臺(tái)設(shè)備上的存儲(chǔ)資源整合成一個(gè)大的存儲(chǔ)資源池，建設(shè)初期可以根據(jù)各站點(diǎn)的視頻存儲(chǔ)容量需求進(jìn)行資源劃分，運(yùn)營(yíng)期間也可以根據(jù)各站點(diǎn)視頻存儲(chǔ)容量的變化，進(jìn)行存儲(chǔ)容量擴(kuò)容或減容，而且操作方便、快捷。

5）面向應(yīng)用的存儲(chǔ)系統(tǒng)。視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），可以為視頻智能應(yīng)用（客流分析、人臉識(shí)別、步態(tài)識(shí)別等）、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)。

視頻云存儲(chǔ)方案的上述特點(diǎn)很好地解決了IPSAN 存儲(chǔ)方案在應(yīng)用中存在的問題，更適合城市軌道交通領(lǐng)域視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用。

3 視頻云存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)方案

結(jié)合城市軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)的組網(wǎng)特點(diǎn)，視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)可以采用分布云存儲(chǔ)、集中云存儲(chǔ)和分組云存儲(chǔ)3 種方式。

為了便于進(jìn)行方案對(duì)比，按全線30 座車站，1座車輛段，1 座停車場(chǎng)，共計(jì)32 個(gè)站點(diǎn)考慮，每個(gè)站點(diǎn)按130 路高清攝像頭考慮。下面將從系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備配置、帶寬占用、用電需求、機(jī)柜數(shù)量等方面對(duì)上述3 種存儲(chǔ)方案進(jìn)行對(duì)比。

3.1 分布云存儲(chǔ)

分布云存儲(chǔ)就是各車站獨(dú)立設(shè)置一套云存儲(chǔ)系統(tǒng)，形成單站視頻存儲(chǔ)資源池，用于存儲(chǔ)本站視頻圖像。為了進(jìn)一步保證該系統(tǒng)的可靠性，可在中心設(shè)置一套后備存儲(chǔ)設(shè)備，用于單站故障時(shí)接管該站視頻圖像存儲(chǔ)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分布云存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of distributed cloud storage system architecture

設(shè)備配置：按照H.265 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，每路高清視頻碼流按2 Mbit/s 考慮，主用存儲(chǔ)時(shí)間根據(jù)《反恐法》要求按90 天考慮，單塊硬盤存儲(chǔ)容量按6 TB 考慮，單站點(diǎn)視頻存儲(chǔ)容量：

式中：Q-視頻存儲(chǔ)容量（TB）；

N-單站點(diǎn)視頻路數(shù)(路)；

M-單路視頻碼流（Mbit/s）；

T-存儲(chǔ)時(shí)間(天)。

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得：

單站點(diǎn)有效存儲(chǔ)硬盤數(shù)：

式中：S-配置存儲(chǔ)硬盤數(shù)（塊）；

Q-視頻存儲(chǔ)容量（TB）；

q-單塊硬盤存儲(chǔ)容量（TB）；

η-硬盤有效存儲(chǔ)空間率；

θ-云存儲(chǔ)空間利用率。

結(jié)合市面主流存儲(chǔ)設(shè)備盤位規(guī)格以及云存儲(chǔ)多節(jié)點(diǎn)切片存儲(chǔ)的特性，對(duì)于分布云存儲(chǔ)只能選擇24 盤位存儲(chǔ)設(shè)備。各站點(diǎn)考慮一定的盤位預(yù)留，每站需設(shè)置3 套24 盤位云存儲(chǔ)設(shè)備，每臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備配置19塊6 TB 硬盤，單站共配置57 塊6 TB 硬盤。

由于分布云存儲(chǔ)方案單站存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)備較少，低于8 臺(tái)，可不設(shè)置云存儲(chǔ)管理服務(wù)器，相應(yīng)的集群管理、負(fù)載均衡、資源動(dòng)態(tài)分配等功能均由存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)即可。

控制中心設(shè)置7 天后備存儲(chǔ)，根據(jù)上述計(jì)算可知在中心需配置1 臺(tái)24 盤位存儲(chǔ)設(shè)備，并配置5 塊6 TB 硬盤。

帶寬占用：分布云存儲(chǔ)方案的帶寬需求主要源于單站云存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障情況下，站點(diǎn)視頻通過傳輸網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)至控制中心后備存儲(chǔ)的帶寬需求。另一部分源于控制中心遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)看的帶寬需求，控制中心按最多調(diào)看30 路圖像考慮。帶寬占用最大量為：130×2+30×2=320 Mbit/s。

用電需求：目前24 盤位存儲(chǔ)設(shè)備電源功率約0.5 kW，故單站用電需求為1.5 kW。

機(jī)柜數(shù)量：24 盤位存儲(chǔ)設(shè)備占用4U 機(jī)柜空間，考慮1U 的散熱空間，單站至少需占用15U 機(jī)柜空間，需設(shè)置1 個(gè)機(jī)柜。

3.2 集中云存儲(chǔ)

集中云存儲(chǔ)通常選擇在線路控制中心或車輛段，根據(jù)全線存儲(chǔ)需求，設(shè)置一套用于存儲(chǔ)全線視頻圖像云存儲(chǔ)系統(tǒng)，形成全線視頻存儲(chǔ)資源池。該系統(tǒng)可在各車站設(shè)置一套臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備，作為故障情況下的后備存儲(chǔ)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 集中云存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of centralized cloud storage system architecture

設(shè)備配置：視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、單路視頻碼流、主備用存儲(chǔ)時(shí)間、單塊硬盤容量均與分布云存儲(chǔ)方案一致。

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得：

根據(jù)公式（2）計(jì)算可得：

對(duì)于集中云存儲(chǔ)方案，為了減少機(jī)柜的數(shù)量，可以選用高盤位數(shù)的存儲(chǔ)設(shè)備，本方案按72 盤位存儲(chǔ)設(shè)備考慮?？紤]一定的盤位預(yù)留，中心需設(shè)置25 套72 盤位云存儲(chǔ)設(shè)備，每臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備配置72 塊6 TB 硬盤，共配置1 800 塊6 TB 硬盤。

集中云存儲(chǔ)方案需在控制中心設(shè)置3 臺(tái)云存儲(chǔ)管理服務(wù)器和1 臺(tái)云存儲(chǔ)運(yùn)維服務(wù)器。云存儲(chǔ)管理服務(wù)器主要用于云存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)資源管理、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)管理、集群管理、策略調(diào)度、運(yùn)維監(jiān)控等。云存儲(chǔ)管理服務(wù)器采用集群部署模式，集群部署有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備資源、用戶配置、數(shù)據(jù)庫信息、策略計(jì)劃的統(tǒng)一調(diào)度，大大提升了存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，集群部署模式下單臺(tái)設(shè)備的故障不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也增加了系統(tǒng)的可靠性。云存儲(chǔ)運(yùn)維服務(wù)器通過與云存儲(chǔ)系統(tǒng)的交互，獲取云存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)資源和運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行分類展示，可大大降低管理員對(duì)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的維護(hù)難度。

各站點(diǎn)設(shè)置7 天后備存儲(chǔ)，同分布云存儲(chǔ)方案，需在各站點(diǎn)配置1 臺(tái)24 盤位存儲(chǔ)設(shè)備，并配置5 塊6 TB 硬盤。

帶寬占用：集中云存儲(chǔ)方案的帶寬需求主要源于各站點(diǎn)視頻實(shí)時(shí)上傳至中心存儲(chǔ)的帶寬需求。另一部分源于車站視頻回放調(diào)看的帶寬需求，每站按最多并發(fā)回放調(diào)看20 路圖像考慮。帶寬占用最大量為：130×2×32+20×2×32=9 600 Mbit/s ≈9.4 Gbit/s。

用電需求：72 盤位存儲(chǔ)設(shè)備電源功率約1.2 kW，云存儲(chǔ)管理或運(yùn)維服務(wù)器的功率也約0.6 kW，故中心用電需求為31.8 kW。

機(jī)柜數(shù)量：72 盤位云存儲(chǔ)設(shè)備占用8U 機(jī)柜空間，云存儲(chǔ)管理或運(yùn)維服務(wù)器占用2U 機(jī)柜空間，考慮一定的散熱空間、配套設(shè)備空間以及滿配存儲(chǔ)設(shè)備的重量，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜（42U）最多可放置3臺(tái)云存儲(chǔ)設(shè)備，再考慮存儲(chǔ)管理服務(wù)器和運(yùn)維服務(wù)器，故中心共需設(shè)置9 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。

3.3 分組云存儲(chǔ)

分組云存儲(chǔ)是分布云存儲(chǔ)和集中云存儲(chǔ)的折中方案，根據(jù)城市軌道交通單線多站點(diǎn)的特點(diǎn)，將5 ～8 個(gè)車站作為一組，設(shè)置一套單組云存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于該組內(nèi)所有車站視頻的存儲(chǔ)資源池。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分組云存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of grouping cloud storage system architecture

設(shè)備配置：本方案將全線32 個(gè)站點(diǎn)分為4 組，每組站點(diǎn)數(shù)為8 個(gè)。

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得：

根據(jù)公式（2）計(jì)算可得：

對(duì)于分組云存儲(chǔ)方案，考慮云存儲(chǔ)多節(jié)點(diǎn)切片存儲(chǔ)的特性及機(jī)柜空間的利用率，本方案按48 盤位存儲(chǔ)設(shè)備考慮?？紤]一定的盤位預(yù)留，分組集中站需設(shè)置10 套48 盤位云存儲(chǔ)設(shè)備，每臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備配置45 塊6 TB 硬盤，共配置450 塊6 TB 硬盤。

分組云存儲(chǔ)方案需在分組集中站設(shè)置2 臺(tái)云存儲(chǔ)管理服務(wù)器。

各站點(diǎn)設(shè)置7 天后備存儲(chǔ)，同分布云存儲(chǔ)方案，需在各站點(diǎn)配置1 臺(tái)24 盤位存儲(chǔ)設(shè)備，并配置5 塊6 TB 硬盤。

帶寬占用：分組云存儲(chǔ)方案的帶寬需求主要源于組內(nèi)各站點(diǎn)視頻實(shí)時(shí)上傳至集中站存儲(chǔ)的帶寬需求。另一部分源于控制中心遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)看和車站視頻回放調(diào)看的帶寬需求，中心遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)看按最多30 路考慮，每站按最多并發(fā)回放調(diào)看20 路圖像考慮。帶寬占用最大量為：130×2×8+20×2×8+30×2=2 460 M b i t/s ≈2.4 Gbit/s。

用電需求：48 盤位存儲(chǔ)設(shè)備電源功率約0.8 kW，云存儲(chǔ)管理服務(wù)器的功率約0.6 kW，故分組集中站用電需求為9.2 kW。

機(jī)柜數(shù)量：48 盤位云存儲(chǔ)設(shè)備占用6U 機(jī)柜空間，云存儲(chǔ)管理服務(wù)器占用2U 機(jī)柜空間，考慮一定的散熱空間、配套設(shè)備空間以及滿配存儲(chǔ)設(shè)備的重量，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜（42U）最多可放置4 臺(tái)云存儲(chǔ)設(shè)備，再考慮云存儲(chǔ)管理服務(wù)器，故分組集中站共需設(shè)置3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。

3.4 云存儲(chǔ)方案對(duì)比

通過對(duì)分布云存儲(chǔ)、集中云存儲(chǔ)、分組云存儲(chǔ)3 種方案的對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 云存儲(chǔ)方案數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab. 1 Data comparison table of cloud storage scheme

通過3 種方案的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出3 種方案在硬盤配置數(shù)量上相差較小，但在服務(wù)器數(shù)量、全局帶寬、功耗、機(jī)柜數(shù)量等方面還是有一定的差異。分散云存儲(chǔ)具有帶寬占用低、無需單獨(dú)配置存儲(chǔ)管理服務(wù)器等特點(diǎn)，但是分散云存儲(chǔ)方案單站資源池較小，僅3 臺(tái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，無法充分體現(xiàn)云存儲(chǔ)切片多節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)；集中云存儲(chǔ)方案可以很好地發(fā)揮云存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)帶寬的占用較大，同時(shí)對(duì)中心的用電、用房等需求也較大，投資也相對(duì)較高；分組云存儲(chǔ)方案介于上述兩種方案之間，一定程度上減輕了集中云存儲(chǔ)方案在帶寬、用電、用房等需求上的壓力。

4 結(jié)語

隨著20 G、40 G 帶寬傳輸設(shè)備的廣泛運(yùn)用，部分城市已經(jīng)開始采用100 G 傳輸設(shè)備，帶寬已不再是集中云存儲(chǔ)的制約因素。同時(shí)，用房、用電等需求也均可在初步設(shè)計(jì)階段做好預(yù)留。另外，單硬盤容量及存儲(chǔ)設(shè)備盤位數(shù)也在逐年變大，導(dǎo)致單站點(diǎn)所需硬盤數(shù)及設(shè)備數(shù)逐步減少，小規(guī)模云存儲(chǔ)難以體現(xiàn)云存儲(chǔ)的集群特性及性能優(yōu)勢(shì)。綜上所述，建議新建線路采用集中云存儲(chǔ)方案。