忧虑安防:存储让安防监控高枕无忧
2010-05-04

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        2010进入安防监控的高速运转时期,而数字化视频监控正在成为监控行业发展的主流,那么数字存储技术能否得到大规模的应用?这就要看其技能原理了。

  视频采集与监控存储

  视频监控系统一般具有监控点多、摄像头数量多、监控时间长等特点,因此它采用的存储设备在数据读写方式上具有与其它类型系统不同的特点:1)数字视频编码器或视频服务器以流媒体方式将数据写入存储设备,实时将监控点回传的图像和画面以流媒体方式保存在存储设备中,回放工作站以流媒体方式来读取已存储的视频文件。这种读写方式与普通数据库系统或文件服务器系统中存储采用的小数据块或文件级读写方式完全不同,因此视频监控系统存储在技术参数要求方面与其它应用系统有较大的区别。2)大型的视频监控系统中往往有2000~3000个甚至更多的监控摄像头,所有摄像头累加起来总共需要500Mb/s~750Mb/s的带宽。

  视频采集过程中,视频文件格式一般都不会发生变化,且码率保持恒定,视频图像的帧率一般都在15帧/S~25帧/S,也就是说,在存储的读写操作中,必须保证每1/25秒内都能够达到500Mb/s~750Mb/s的带宽,否则图像采集或回放就会出现丢帧现象,除非存储设备本身配置一个大容量的缓存。因此视频监控系统存储不仅要求带宽大,还要求带宽恒定。3)数据读写操作的持续时间长。由于摄像头一般都是7×24小时工作的,即使流媒体文件采用分段保存方式,写入操作的持续时间也有可能长达2~6个小时,后期回放时也需要相同的时间。因此要求存储具有超强的长时间工作能力,保持长时间的稳定性。4)视频监控系统一般具有摄像头数量多、视频图像存储时间长等特点,因此存储容量需求巨大,且随着图像存储时间的增加,存储容量需求呈线性、爆炸性增长。因此视频监控系统存储必须支持大容量,且容量具有高扩展性,满足长时间大容量视频图像存储的需求。5)数字视频编码器一般对外提供标准的IP接口或iSCSI接口,通过在ADSL、城域网或专用网络上传输TCP/IP协议包或iSCSI协议包来向后方监控中心回传数据。如果存储设备具有与数字视频编码器相同的接口,编码器就有可能直接将数据写入存储,从而大大减少监控系统的数据传输环节,提高数据存储的效率。

  从视频监控逐步走向网络化的发展趋势来看,网络化存储将在今后的视频监控系统中扮演越来越重要的角色。网络视频监控系统从两个方面对存储提出了网络化的要求:一是部署和访问上的网络化,考虑到流量和存储空间的合理分配,存储设备在整个系统中的部署位置将趋于分布化和前端化,而从便于用户统一访问的角度,系统中所有存储空间对用户都应该是透明的,用户仅需通过一个接口即可访问所有存储资源;二是存储设备本身的网络化,网络视频监控非常适合大型监控联网应用,为了满足大容量集中存储的需求,存储设备本身要采用先进的网络存储技术以保证空间扩展的灵活性。

 

  三端视频监控存储

  前端存储

  所谓前端存储,是在网络视频监控系统的前端设备(如网络视频编码器或网络摄像机)中内置存储部件,由前端设备直接完成监控图像的本地录制和保存。

  前端存储具有几个方面的优势:一是可以通过分布式的存储部署,来减轻集中存储带来的容量压力;二是可以有效缓解集中存储带来的网络流量压力;三是可以避免集中存储在网络发生故障时的图像丢失。

  对于前端存储,由于单个前端编码设备通常所带监控点路数不多,存储时间也不长,所以对存储容量要求不高,网络摄像机一般用CF卡或SD卡,视频服务器一般用内置硬盘。这与以往单机存储相比,基本没有区别。

  而与以往单机存储本质上不同的是,为了保证用户访问的灵活性和便捷性,网络视频监控系统中的所有前端存储除了要能够提供点对点的单机访问外,还要能够通过一个统一的接口提供所有内容的集中共享。为此,网络视频监控系统通过中心业务平台对所有前端存储进行统一管理和调度,并实现存储空间和存储内容的网络化。这样,用户既可以直接登录单个前端设备进行录像资料的点播回放,也可以统一登录中心业务平台进行所有前端录像资料的集中检索和回放。

  中心存储

  在网络视频监控系统中,部署得更多的是中心存储。前端设备采集监控点图像并编码压缩处理成数字监控码流,然后通过网络传送到中心业务平台,由中心业务平台将码流分发给网络录像单元进行集中存储。

  在很多大型的视频监控联网应用中,也可采用多级分布的中心存储方式,即分中心存储,这样一方面可以降低一个中心点集中存储带来的存储容量和网络流量的压力,一方面可以大幅度提升系统的可靠性。

  使用中心/分中心存储,在以下几个方面具有明显优势:一是对于用户而言,检索和调用录像资源更为方便;二是存储内容的完整性更容易保证,不会因为某个前端设备失窃或损坏而导致重要内容的丢失;三是可以合理的进行资源调度,为前端设备按需分配存储空间,从而节约资源;四是有利于制定多样化的存储策略,以满足用户的个性化需求;五是维护方便,便于集中检测和及时排查问题。

  对于监控点路数比较少、存储时间要求不长的应用场合,中心/分中心存储可以采用服务器插硬盘或外接磁盘柜这种比较简单的方式进行部署,称为DAS(直接访问存储),与单机类似。而随着网络视频监控的优势被广泛认可,现在开始出现越来越多的大型甚至超大型视频监控系统,比如“平安城市”建设中的社会面治安监控系统、中国电信和中国网通正在全面推进的“全球眼”和“宽视界”这两大运营级视频监控系统,这些监控系统都面临着前端设备的大规模接入和大容量集中存储的需求。以往的单机存储方式无法满足这些系统在容量灵活扩展方面的应用需求,必须采用更为先进的网络存储设备和存储技术,其中典型的就是SAN、NAS以及iSCSI。

  SAN(存储区域网)起源于上世纪九十年代中后期,与DAS不同,SAN基于光纤通道技术,服务器和存储阵列之间通过光纤通道交换机连接,形成专用于数据存储的区域网络。SAN采用了面向网络的存储结构,数据处理和数据存储分离,具有存储空间易于扩展、寻址灵活、可远距离传输数据、I/O性能高、存储设备利用率高等特点,是一种全新的存储体系结构。

  与SAN基于专门的光纤通道协议不同,NAS(网络访问存储)基于IP网络实现服务器和存储阵列的互联,使用TCP/IP协议进行通信,以文件级的I/O方式进行数据传输。相比之下,NAS设备的安装、调试、使用和管理更简单,部署成本也相对较低。

  iSCSI是IETF一种新的标准协议,即透过IP网络,将SCSI区块数据转换成网络封包的一种传输标准,它和NAS一样透过IP网络来传输数据,但在数据存取方式上,则采用与NAS不同的,而与SAN相同的BlockProtocol协议。由此,iSCSI给用户带来的价值在于:第一,iSCSI使SCSI数据包在以太网中传输成为可能,使SAN摆脱了昂贵的光纤网络,通过IP网络即可实现原先的功能,既降低了管理复杂度又降低了成本;第二,由于用户应用需求的复杂性,往往会同时部署SAN和NAS两种存储网络,而iSCSI则可以将两者融合起来。

  iSCSI的这些特点非常契合现在的视频监控发展的现状和方向,特别是在运营级视频监控领域,存储的规模大、投入高,基于目前成熟的IP网络进行中心/分中心存储系统的构建,iSCSI技术无疑是一个很好的参考。

  应用存储

  视频监控系统常采用的存储网络架构有DAS、NAS、SAN和IP-SAN,常采用的存储设备类型有SCSI盘阵、FC和iSCSI设备。这些设备技术成熟、结构简单、安装实施也非常方便。然而这些设备都具有一个共同的缺点,就是存储设备在视频监控系统中只能起到一个简单的数据存储功能,无法替代服务器来运行特定的应用软件,视频监控系统中仍然需要大量专用服务器

  实际上,随着芯片技术的快速发展,CPU或专用ASIC芯片的运算及处理速度成倍提高,而存储设备的整体价格却在不断降低。在设备选型及购买时,出于设备更新换代方面的考虑,用户一般会选择稍高一级别的存储设备。再者,当投资充裕时价格差别对用户影响也比较小。因而在很多的应用系统中,用户采购的存储设备性能往往高出实际业务系统真实需求很多,甚至超出好几倍。

  在一些中小视频监控系统中,系统中的性能瓶颈经常会出现在视频服务器而不是存储设备端,存储设备所能提供的带宽往往是视频监控实际总带宽的两倍或三倍,IOPS也是实际需求的3~5倍。存储设备控制器长时间处于半负荷工作状态,大量的高性能资源被浪费。为保障高可用性、高效性、稳定性和安全性,存储设备的控制器部分一般都是专门设计的,并采用专用的处理器和缓存,其各项技术参数和性能均高于普通PC服务器。为了有效地利用存储的富余资源,可在存储设备控制器部分内嵌特殊功能的应用软件,存储设备不仅为系统提供数据存储服务器,还能提供一定的软件应用服务器,这种存储设备就称为应用存储。

 

  视频监控存储综述

  数字化视频监控涉及到巨量数据的采集、存储和使用。因此,一个高效能的视频监控系统必须具备高效能的数据存储系统,这关系着数据管理的效率、数据安全以及数据利用的效率。那么,在电信级别的数字化监控系统中,对于数据存储系统的要求,一般说来,要满足六个方面的要求。

  电信级数字监控系统的重要特点之一是大量集中的数据存储和分散化的前端应用。因此,存储系统必须具有较强的数据传输能力,否则将会影响数据存储和利用的效率。

  海量数据存储需求和快速的增长变化的特点,要求存储系统在必须能够满足电信级别数据监控的海量存储要求外,同时又必须具备良好的扩展性能,应对数据量飞速增长对于存储空间扩大的需求。

  另外,由于监控系统一般要求实时的录像输入,所以这种实时录像输入对盘阵的数据写能力提出了较高的要求,否则在写速度达不到要求的情况下,数据大量集中在缓存中,最终将会导致缓存数据溢出以致主机死机。

  目前监控录像需要在间隔一段时间后对数据进行删除,在数据删除后,会有一定时间的间隔,数据不能立即写入,这时候数据都是保存在缓存里,较大的缓存可以保证更多的数据滞留在缓存中,等待向硬盘空间的重新写入。

  除此以外,对于电信级别系统而言,良好的稳定性是必需的,如果缺乏稳定性,则会给众多用户带来巨大困扰,甚至带来巨大的损失。

  电信级庞大的存储需求决定了对存储良好管理性的要求。简单有序的管理性可以帮助用户降低运营维护的成本,同时也是系统稳定性的重要保障。

  在视频监控领域,监控数据对存储的要求是可想而知的,数字视频录像的数据,有数据量大、安全性要求高、大文件存储等特点。这就要求存储设备有很好的扩展性能,这点从近期浪潮推出的AS400存储系统视频监控系统解决方案中,其最大容量可以达到36TB,最大可扩展4GB的缓存中可以体现。

  众所周知,光纤技术在高端应用中得以普及,由于采用了主流的4Gb光纤技术,在双控状态下,AS400的最大主机带宽可以达到1600MB/s,在磁盘通道方面,SAS技术不仅有效的消除了磁盘通道技术落后所形成的系统传输能力瓶颈,还避免了采用高速光纤硬盘所需的巨大投入,为用户提供了简单的分级存储方案选择。

  电信级设备强调模块化设计,模块化设计的好处是:首先模块化结构设计采用业务模块和控制模块分开设计的原则,每个硬件模块只负责完成特定的功能,硬件实现和维护比较方便。其次,模块化设计便于系统的升级和扩容,无需购置新机器,只要增加接口板卡就可以实现;最后,模块化设计可以缩短新产品研发周期;这样可以基本保证产品的稳定和可靠。

  当然,安全性特性是电信级系统重要特性之一,例如设备冗余保护、存储冗余保护、网络设备安全管理、关键数据容灾/备份、多级安全认证机制等都是需要用户考虑的,其中多级安全认证机制中全面的权限管理功能,也是目前电信级视频监控基本安全的保证。
 


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