云存儲在軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)中的運用與研究

茍向元

（浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 海寧 314499）

1 概 述

目前，軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)普遍采用1080P高清IP攝像機，為滿足全高清存儲要求，其視頻碼率一般按4 Mb/s考慮。一條約20個車站的軌道交通線路所需的視頻圖像存儲容量約上萬太字節(jié)，若采用4K制式，則存儲量還要增加3倍。為應(yīng)對如此海量圖像高可靠性的存儲，本文提出了云存儲的技術(shù)方案，并進行了相應(yīng)的闡述和探討。

2 存儲技術(shù)簡介

直接連接存儲（Direct Attached Storage，DAS）是指通過專用線纜將外部存儲設(shè)備直接連接到服務(wù)器上。采用相應(yīng)的存儲通道技術(shù)，外部存儲直接掛在內(nèi)部總線上，即外部存儲是服務(wù)器的一部分[1]。

網(wǎng)絡(luò)附加存儲（Network Attached Storage，NAS）是一種文件共享服務(wù)。采用一臺專門用于存儲設(shè)備管理和存儲文件的服務(wù)器，安裝專門的操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的用戶通過以太網(wǎng)訪問此服務(wù)器，此服務(wù)器也作為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。

存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Storage Aera Network，SAN）通過網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器及存儲設(shè)備的構(gòu)架，專用于用戶與存儲設(shè)備間的訪問。SAN又分FC-SAN和IP-SAN，用戶通過專用交換機連接存儲設(shè)備[1]。

3 軌道交通視頻監(jiān)視存儲現(xiàn)狀

在軌道交通中，網(wǎng)絡(luò)視頻存儲器（Network Video Recorder，NVR）存儲技術(shù)成熟，應(yīng)用普遍，主要包含SAN（IP-SAN、FC-SAN）存儲技術(shù)、NAS存儲技術(shù)以及DAS存儲技術(shù)幾大類[2]。目前，軌道交通工程一般推薦采用IP-SAN存儲方式，主要原因包括以下3點。

一是DAS方式的存儲擴展性差，有新的需求需單獨配置相應(yīng)的存儲設(shè)備，利用率低，且不同應(yīng)用服務(wù)器面對的存儲數(shù)據(jù)量不一致，可管理性差，異構(gòu)化嚴(yán)重。二是NAS方式的存儲可通過以太網(wǎng)連接至服務(wù)器，也可即插即用，但設(shè)備大小限制NAS的擴展性，增加單臺NAS設(shè)備容易，但將兩臺NAS設(shè)備無縫合并卻很困難。三是SAN的存儲方式與NAS相比，前者是面向海量數(shù)據(jù)塊的傳輸，后者是一種文件共享服務(wù)并提供文件級數(shù)據(jù)訪問。SAN具有設(shè)備易整合、數(shù)據(jù)易集中以及擴展性強的優(yōu)點。同為SAN的FCSAN和IP-SAN各有特點，F(xiàn)C-SAN由于FC協(xié)議發(fā)展時間短，在成熟度和互聯(lián)性上無法與以太網(wǎng)相比，兼容性較差，先期設(shè)備成本和長期維護成本也較高。IP-SAN基于以太網(wǎng)技術(shù)并繼承了其優(yōu)點，利用高速以太網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器及存儲設(shè)備將SCSI指令和數(shù)據(jù)塊經(jīng)過高速以太網(wǎng)傳輸，建立的存儲資源平臺具有開放、高性能、高可靠性以及高可擴展的特點[3]。

SAN雖然具有良好的擴展性、較快的傳輸速度以及可實現(xiàn)集中管理的特性，滿足了目前軌道交通行業(yè)的部分要求，但是卻不能滿足高清視頻高可靠性存儲的需求。

4 軌道交通視頻監(jiān)視云計算方案建設(shè)模式

本方案是指控制中心、車輛段、車站的服務(wù)器以及存儲設(shè)備等由城市軌道交通統(tǒng)一云平臺統(tǒng)一提供資源池（包括計算、存儲等），即IaaS服務(wù)[4]。視頻云存儲方式有集中式云存儲和分布式云存儲兩種。

4.1 集中式云存儲

各車站視頻圖像集中存儲在控制中心云存儲設(shè)備上，存儲時間按90天考慮。為防止網(wǎng)絡(luò)故障引起的視頻圖像數(shù)據(jù)丟失，在各車站本地再存儲7天。

4.2 分布式云存儲

在各車站、控制中心或車輛段設(shè)置云存儲設(shè)備，利用傳輸通道構(gòu)成視頻存儲網(wǎng)絡(luò)，車站視頻圖像通過網(wǎng)絡(luò)分散存儲在不同站點的云存儲設(shè)備上。

存儲方案比較如表1所示。

表1 存儲方案比較

綜合以上而言，軌道交通視頻監(jiān)視云存儲方案推薦采用集中式存儲，維護方便，待形成線網(wǎng)規(guī)模后多條線統(tǒng)一存儲，滿足未來線網(wǎng)層數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用。

控制中心集中存儲如圖1所示。

圖1 控制中心集中存儲

軌道交通視頻監(jiān)視云存儲方案推薦采用對象存儲技術(shù)，此技術(shù)綜合了NAS和SAN的優(yōu)點，具有數(shù)據(jù)高速直接訪問的同時還擁有數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢，可以為用戶提供海量、安全、高可靠以及低成本的數(shù)據(jù)存儲方案。

云存儲的核心是軟硬件相互結(jié)合，利用軟件來實現(xiàn)存儲設(shè)備向存儲服務(wù)的轉(zhuǎn)變。利用云計算的相關(guān)技術(shù)，如分布式集群和虛擬化等實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備協(xié)同運行與資源虛擬化整合，充分提高硬件資源的利用率。利用簡單易用的管理界面及開放透明的應(yīng)用接口為視頻監(jiān)視系統(tǒng)提供高效且可靠的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)[5]。

5 云存儲方案的優(yōu)勢

5.1 可靠性高

云存儲采用多重備份機制，每份數(shù)據(jù)都至少有一個或多個備份，即使硬盤出現(xiàn)故障也不會引起數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)仍會正常運行。而常規(guī)視頻存儲方案所采用的RAID技術(shù)只保護本地硬盤，RAID6也只允許兩塊硬盤故障，不能保證多塊硬盤故障或者整臺設(shè)備的故障，可靠性較低[6]。

5.2 擴展性好

與直接使用硬盤存儲數(shù)據(jù)不同，云存儲采取的是并行擴容，容量不夠只需采購新的存儲設(shè)備，配置好節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址即可加入系統(tǒng)工作，容量大小可根據(jù)用戶需要靈活進行調(diào)整。

5.3 易于維護

云管理系統(tǒng)可有效對存儲設(shè)備進行管理，包括故障預(yù)警和定位等，支持硬盤熱插拔，在系統(tǒng)設(shè)備不中斷運行的情況下更換硬盤。云存儲具備數(shù)據(jù)校驗機制，可有效保證數(shù)據(jù)安全，允許多塊硬盤損壞后批量更換，再加上集中方式存儲，更減輕了運維人員的工作量。

5.4 數(shù)據(jù)共享

云存儲集中方式打破了傳統(tǒng)存儲模式信息孤島的問題，尤其是成線網(wǎng)后，更有利于數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用。云存儲運用對象存儲技術(shù)，保證數(shù)據(jù)讀寫性能的前提下又擁有高共享性，視頻相關(guān)的智能分析系統(tǒng)可直接讀取數(shù)據(jù)，不需要通過監(jiān)視平臺轉(zhuǎn)發(fā)[7]。

6 云存儲的工程實施方案

6.1 容量設(shè)計

一條線按20個車站，1個車輛段，1個控制中心考慮，采用1080P高清IP攝像機，視頻碼率按4 Mb/s考慮，控制中心集中存儲90天。車站中每站按120個攝像機考慮，1個車站的存儲容量為120×4×90×24×3 600/8/1 024/1 024≈445 TB，20個車站總計8 900 TB，即8.9 PB。車輛段按360路考慮，存儲容量為1.335 PB?？刂浦行陌?00路考慮，存儲容量為1.854 PB?？?cè)萘繛?.9+1.335+1.854=12.089 PB。

6.2 帶寬設(shè)計

視頻云存儲的帶寬需求計算為錄像帶寬+回放帶寬。錄像帶寬考慮10%的余量，回放帶寬通常按錄像帶寬的20%進行估算。錄像帶寬=（攝像頭數(shù)×4 Mb/s）×1.1，總帶寬需求為錄像帶寬×1.2。全線攝像頭數(shù)為120×20+360+500=3 260個。帶寬總計為（3 260×4）×1.1×1.2=17 212.8 Mb/s。另傳輸系統(tǒng)還需配置相應(yīng)的保護帶寬保障視頻流的傳輸。

傳輸系統(tǒng)為軌道交通各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括視頻監(jiān)視系統(tǒng)提供可靠冗余的傳輸網(wǎng)絡(luò)。鑒于視頻監(jiān)視系統(tǒng)的帶寬總計已接近18 G以及延伸線接入的需要，并順應(yīng)智慧城市軌道交通發(fā)展的趨勢，控制中心、車輛段以及車站所組成的環(huán)采用100 Gb/s的自愈保護環(huán)（業(yè)務(wù)可使用的帶寬50 Gb/s，保護帶寬50 Gb/s）[8]。

6.3 云存儲配置

在實際部署配置中需要考慮到冗余配置，保證云存儲的可靠性。為防止云存儲數(shù)據(jù)寫滿后需要循環(huán)覆蓋，預(yù)留10%的緩沖區(qū)空間，所需容量為12.089×1.1=13.297 9 PB。

云存儲可以提供多種模式的N+M存儲策略，采用4+1模式存儲利用率為80%，硬盤初始化后實際可以利用的存儲空間為硬盤標(biāo)稱的90%，整個視頻存儲系統(tǒng)的容量為13.297 9/0.9/0.8≈18.47 PB。

云存儲支持在線擴容，設(shè)備不停運的情況下，可動態(tài)增加或縮小云存儲系統(tǒng)的容量，因此對于延伸線或新線的接入相當(dāng)方便，只需增加新的節(jié)點，配置好節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址即可加入云存儲系統(tǒng)工作[9,10]。

7 結(jié) 論

軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)傳統(tǒng)存儲的計算能力與存儲能力是強耦合，任一故障都會導(dǎo)致整節(jié)點能力遷移至其他節(jié)點，而云存儲是分層耦合，計算能力和存儲能力可獨立調(diào)度。云存儲各存儲節(jié)點資源共享，形成統(tǒng)一的云存儲資源池，數(shù)據(jù)可均勻離散分布于各個節(jié)點內(nèi)。傳統(tǒng)存儲上層業(yè)務(wù)訪問必須通過SDK完成，延長I/O訪問路徑，效率低下，云存儲各種業(yè)務(wù)通過標(biāo)準(zhǔn)化讀寫接口進行訪問，極大地提升了數(shù)據(jù)讀寫效率。傳統(tǒng)存儲攝像機與存儲資源有綁定關(guān)系，數(shù)據(jù)固定存儲在某一臺設(shè)備上，云存儲無綁定關(guān)系，數(shù)據(jù)離散存儲在多臺設(shè)備上。此外，傳統(tǒng)存儲攝像機對應(yīng)的存儲故障，若存儲業(yè)務(wù)中斷，如陣列失效，則數(shù)據(jù)丟失，而云存儲中任意一臺存儲設(shè)備故障事，存儲業(yè)務(wù)不中斷，單點故障數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險小。

云存儲本質(zhì)是用軟件來定義硬件，相比傳統(tǒng)存儲已經(jīng)從一套設(shè)備走向一個體系，綜合了各種方式為軌道交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)高效且安全可靠的存儲服務(wù)。