基于鐵路標準的視頻監(jiān)控云平臺設(shè)計實現(xiàn)

張濤

摘? 要：隨著云計算概念在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展日趨成熟，云計算框架在鐵路視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用推廣普及也被提上日程，該文目的是將互聯(lián)網(wǎng)通用云計算框架與鐵路綜合視頻監(jiān)控技術(shù)規(guī)范相結(jié)合，設(shè)計出一套既能體現(xiàn)云計算框架的諸多技術(shù)優(yōu)勢，又能深度融合鐵路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)特色視頻監(jiān)控云平臺。

關(guān)鍵詞：云平臺? 云計算? 高可用? 負載均衡? 微服務(wù)

中圖分類號：TP277 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（c）-0003-03

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，全路攝像機接入容量已達到幾十萬路的規(guī)模，鐵路綜合視頻技術(shù)規(guī)范（鐵標）也隨之不斷地深入與完善從“鐵標1.0”到最新的“鐵標2.0”，并貫穿于全路各級綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，形成了具有明顯行業(yè)特色鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)。隨著高清擴容、視頻一體化等需求的提出，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)容量規(guī)模將會持續(xù)增長，對系統(tǒng)的高可用性、動態(tài)擴展性、易用性方面等要求也將大大提高。而云平臺的高可用、負載均衡、動態(tài)擴展性等特性正是鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具備的。

因此鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)云平臺功能的需求被提上日程，在這需求的驅(qū)動下，很多路外通用安防廠商，試圖使用其視頻監(jiān)控云平臺，替代既有的鐵路綜合視頻監(jiān)控平臺，但是其無法滿足鐵路行業(yè)長期以來形成的鐵路視頻規(guī)范（鐵標），無法實現(xiàn)鐵路視頻行業(yè)的相關(guān)業(yè)務(wù)特點。

形成的現(xiàn)狀就是，路外安防廠商的云平臺，不能滿足鐵標的架構(gòu)與業(yè)務(wù)要求，路內(nèi)傳統(tǒng)廠商的視頻平臺，目前均不是云平臺的架構(gòu)，云平臺的主要特性無法體現(xiàn)。

結(jié)論就是，目前還沒一款現(xiàn)成的系統(tǒng)能夠既滿足鐵路視頻標準，又能體現(xiàn)云平臺等先進技術(shù)的基于鐵路標準的視頻監(jiān)控云平臺。

該文的目的就是設(shè)計出一套既能體現(xiàn)云平臺框架的諸多技術(shù)優(yōu)勢，又能深度融合鐵路視頻標準視頻監(jiān)控云平臺。

1? 技術(shù)路線選擇

通過一系列的對比與論證工作，從眾多的云平臺框架和云存儲框架中，確定了基于微服務(wù)模式的Spring Cloud框架做為視頻云平臺的基礎(chǔ)開發(fā)框架，基于Ceph云存儲技術(shù)做為視頻云存儲的基礎(chǔ)開發(fā)框架。

微服務(wù)是一種架構(gòu)模式，它提倡將單一應(yīng)用程序劃分成一組小的服務(wù)，每個服務(wù)運行在其獨立的進程中，徹底去掉耦合，服務(wù)之間互相協(xié)調(diào)、互相配合，為用戶提供最終的價值。微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢有復(fù)雜度可控、獨立部署、技術(shù)選型靈活、容錯性、擴展性。

Spring Cloud是一系列框架的有序集合，簡化了云平臺基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等。Spring Cloud已在眾多互聯(lián)網(wǎng)公司中得到應(yīng)用，是目前廣泛應(yīng)用的微服務(wù)框架。

Ceph是一種為優(yōu)秀的性能、可靠性和可擴展性而設(shè)計的統(tǒng)一的、分布式文件系統(tǒng)，具有高性能、高可用性、高可擴展性、接口豐富等特點。Ceph在金融、政府行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、能源行業(yè)、運營商、高校、媒體娛樂、游戲等眾多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，知名互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)有如阿里、騰訊、京東、攜程等。市場上70%～80%的云平臺都在采用Ceph作為底層的存儲平臺。

因此我們認為將Spring Cloud與Ceph作為鐵路視頻監(jiān)控云平臺的基礎(chǔ)開發(fā)框架是有一定的普遍性和代表性的。

2? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

視頻監(jiān)控云平臺架構(gòu)上遵循典型的云計算三層架構(gòu)進行設(shè)計實現(xiàn)的，在視頻業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)?yīng)關(guān)系如圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖，由下至上分別對應(yīng)IaaS、PaaS和SaaS層。

（1）IaaS層：是硬件服務(wù)器，存儲設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以Docker容器的形式提供虛擬化的計算與存儲能力。

（2）PaaS層：是Spring cloud平臺框架與Ceph云存儲構(gòu)成的云平臺基礎(chǔ)框架層。

（3）SaaS層：是云平臺基礎(chǔ)框架上運行的具體的視頻云品臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

3? 鐵路視頻標準融合設(shè)計

目前鐵路視頻系統(tǒng)遵循的主要是《鐵標1.0》《鐵標2.0》，這是鐵路視頻系統(tǒng)的根本要求，根據(jù)鐵標要求的通信框架與系統(tǒng)級聯(lián)模式要求，采用的Spring Cloud微服務(wù)框架與鐵標相結(jié)合，需要做如下幾方面的融合設(shè)計。

（1）通信實時性的優(yōu)化。Spring cloud：框架內(nèi)部的采用的事SOA通信模式，是無狀態(tài)的，而鐵標要求的是基于TCP連接的有狀態(tài)實時通信模式，因此，在系統(tǒng)的時機過程中，在微服務(wù)之間增加了實時通信的機制，并與SOA通信機制結(jié)合使用。

（2）網(wǎng)絡(luò)不對等性的優(yōu)化。Spring cloud主要是針對互聯(lián)網(wǎng)，傳輸主要是SOA傳遞的文本信息，但是視頻監(jiān)控系統(tǒng)大量傳遞的是視頻流數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，鐵路專網(wǎng)的組網(wǎng)特點是多個環(huán)網(wǎng)組成，同一個環(huán)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)條件好，帶寬高，環(huán)與環(huán)之間帶寬是瓶頸。因此，在實現(xiàn)云平臺的負載均衡的特性時，就需要考慮網(wǎng)絡(luò)條件不均衡的問題，所以就不能針對整個系統(tǒng)進行全域的負載均衡，而需要將負載均衡策略限定在網(wǎng)絡(luò)條件對等的范圍內(nèi)，而在系統(tǒng)設(shè)計時，我們將根據(jù)鐵路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對負載均衡策略進行范圍分組。

（3）多級樹形系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化。全路的視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是鐵路總公司核心節(jié)點，路局區(qū)域節(jié)點，線路一類節(jié)點三級級聯(lián)架構(gòu)，這與Spring Cloud的架構(gòu)也是不相同的。因此，為了使上下級系統(tǒng)級聯(lián)也能體現(xiàn)出云平臺架構(gòu)的高可用優(yōu)勢，我們在上下級交互的部分，增加了動態(tài)指定通信服務(wù)主體的機制，使得上下級交互的單點瓶頸得以接觸，同時協(xié)議上與鐵標完全兼容。

4? 開發(fā)實現(xiàn)過程

（1）開發(fā)語言的確定。Spring Cloud微服務(wù)框架主體是Java語言，但是鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)是傳統(tǒng)的流媒體業(yè)務(wù)，流媒體業(yè)務(wù)對性能的要求較高，多采用C/C++編寫，同時Java語言對于面向Web應(yīng)用的開發(fā)具有先天的優(yōu)勢，因此采用了Java語言與C/C++混合編程的方式實現(xiàn)云平臺。

（2）微服務(wù)劃分。在微服務(wù)框架中，有一個關(guān)鍵性的問題就是微服務(wù)的劃分，具體微服務(wù)該以多大粒度來劃分，沒有統(tǒng)一的標準，劃分的過小會增加系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理開銷，劃分過大則將損失系統(tǒng)的靈活性與擴展性。結(jié)合鐵路視頻標準與業(yè)務(wù)，將視頻云平臺主要劃分為管理微服務(wù)集群，存儲微服務(wù)集群，分轉(zhuǎn)發(fā)微服務(wù)集群，這些類型的微服務(wù)是承載了視頻業(yè)務(wù)的信令協(xié)議與流媒體傳輸?shù)暮诵墓δ?。圖2系統(tǒng)微服務(wù)劃分圖，突出了微服務(wù)集群在整個視頻云平臺核心位置。

（3）微服務(wù)負載能力算法定義。在視頻云平臺中，任務(wù)負載均衡與任務(wù)動態(tài)切換與接管是平臺的主要特性，Spring Cloud提供的負載均衡僅僅是基于Web訪問量的一個負載，無法滿足視頻云平臺要求的視頻流媒體的任務(wù)負載與動態(tài)接管，視頻云平臺為各個服務(wù)自定義了能力值，存儲服務(wù)的能力值由存儲能力和回放能力兩個值組成，分轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的能力值由接入能力與分發(fā)能力組成，在一個視頻流任務(wù)的執(zhí)行過程中，將會根據(jù)各個類型的微服務(wù)的各種類型的能力值，動態(tài)計算應(yīng)該由哪個微服務(wù)承接該請求任務(wù)，從而實現(xiàn)了任務(wù)的負載均衡與動態(tài)接管。

（4）共享內(nèi)存與分布式鎖應(yīng)用。視頻云平臺內(nèi)的各個微服務(wù)之間，既需要共享數(shù)據(jù)又需要保持數(shù)據(jù)的同步，因此，在視頻云平臺中，就需要增加進程間數(shù)據(jù)共享與同步的機制，這是Spring Cloud框架沒有提供的部分，通過對比最終選擇了Ignite共享內(nèi)存與分布式鎖的解決方案，加入到視頻云平臺之中。

5? 應(yīng)用效果驗證

視頻云平臺已經(jīng)完成開發(fā)工作，經(jīng)過驗證，功能與協(xié)議信令符合鐵標協(xié)議的要求，同時具備了高可用，負載均衡，高可用，任務(wù)動態(tài)接管等云平臺的特性，同時性能得到顯著提升，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提升，達到預(yù)期的效果。

6? 結(jié)語

通過鐵路標準的視頻監(jiān)控云平臺的技術(shù)選型，設(shè)計，實現(xiàn)得到比較深刻的啟示就是，任何新技術(shù)在特定行業(yè)的應(yīng)用，均需要與業(yè)務(wù)相結(jié)合，都是需要改進和優(yōu)良的，完全的拿來主義是行不通的，恰恰就是與業(yè)務(wù)的深度結(jié)合才能體現(xiàn)出新技術(shù)的價值。

參考文獻

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