智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐之監(jiān)控存儲(chǔ)特點(diǎn)

視頻存儲(chǔ)的特點(diǎn)

    1.

    視頻存儲(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。海量的視頻數(shù)據(jù)通常需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)，并為日后的視頻錄像資料檢索、回放等提供服務(wù)。用戶可以通過(guò)系統(tǒng)提供的應(yīng)用檢索界面，對(duì)某路、某個(gè)時(shí)間段的監(jiān)控錄像進(jìn)行檢索、回放或?qū)С錾�成文件。從磁帶到硬盤，從IDE到SAS接口，從單磁盤、JBOD到各種RAID技術(shù)，從DAS到NAS、SAN架構(gòu)，存儲(chǔ)領(lǐng)域的每一次技術(shù)變革都帶動(dòng)了視頻存儲(chǔ)領(lǐng)域相應(yīng)的發(fā)展。

    視頻監(jiān)控領(lǐng)域的存儲(chǔ)與民用領(lǐng)域(如視頻網(wǎng)站)視頻的存儲(chǔ)應(yīng)用不同，民用領(lǐng)域視頻的存儲(chǔ)主要指廣播電視、網(wǎng)絡(luò)視頻等，它將視頻文件存儲(chǔ)在服務(wù)器上，然后網(wǎng)絡(luò)用戶通過(guò)對(duì)視頻服務(wù)器的訪問獲得視頻流，因此，主要是視頻的直播或點(diǎn)播，是從存儲(chǔ)設(shè)備中“讀”并播放視頻的過(guò)程。而監(jiān)控領(lǐng)域的視頻存儲(chǔ)主要是“寫”的過(guò)程，是將網(wǎng)絡(luò)上的視頻數(shù)據(jù)寫入到磁盤陣列進(jìn)行保存或備份的過(guò)程，當(dāng)然，在寫的過(guò)程中也會(huì)并發(fā)一定比例的“讀”操作，即網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)視頻錄像的回放請(qǐng)求操作。

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用的存儲(chǔ)設(shè)備在數(shù)據(jù)讀寫方式上具有與其他類型系統(tǒng)不同的特點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般具有監(jiān)控點(diǎn)多(攝像頭數(shù)量多)、視頻數(shù)據(jù)流大、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、24小時(shí)連續(xù)不間斷作業(yè)等特點(diǎn)。視頻監(jiān)控應(yīng)用中主要是視頻碼流的寫入，具體特點(diǎn)如下：

    視頻數(shù)據(jù)以流媒體方式寫入存儲(chǔ)設(shè)備或從存儲(chǔ)設(shè)備回放，與傳統(tǒng)的文件讀寫不同。

    多路視頻長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)寫入同一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，要求存儲(chǔ)系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

    實(shí)時(shí)多路視頻寫入要求存儲(chǔ)系統(tǒng)具有高帶寬，且恒定。

    容量需求巨大，存儲(chǔ)擴(kuò)展性能要求高，可在線更換故障設(shè)備或進(jìn)行擴(kuò)容。

    多路并發(fā)讀寫時(shí)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備性能要求非常高。

    2.視頻存儲(chǔ)的發(fā)展過(guò)程

    如本書先前介紹過(guò)的，視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展過(guò)程分模擬視頻監(jiān)控、數(shù)字視頻監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，模擬視頻監(jiān)控時(shí)代的存儲(chǔ)設(shè)備是磁帶錄像機(jī)(VCR)；數(shù)字視頻監(jiān)控時(shí)代的代表產(chǎn)品是數(shù)字硬盤錄像機(jī)(DVR)，內(nèi)置或外掛硬盤是主要的存儲(chǔ)設(shè)備；在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、編碼器負(fù)責(zé)視頻的編碼傳輸，而存儲(chǔ)主要采用網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)，即NVR，NVR具有多種存儲(chǔ)方式，如DAS、SAN可選。在網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控時(shí)期，數(shù)據(jù)呈爆炸性增長(zhǎng)，存儲(chǔ)方式變得多樣化，不同的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)都得到應(yīng)用，DAS、NAS、FCSAN及IPSAN等存儲(chǔ)系統(tǒng)與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)配合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的海量、高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的存儲(chǔ)與檢索。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程如圖12.23所示。

    圖12.23中，在數(shù)字視頻監(jiān)控時(shí)期，DVR作為數(shù)字化存儲(chǔ)設(shè)備，通常采用的存儲(chǔ)方式是內(nèi)置多塊大容量硬盤的方式實(shí)施存儲(chǔ)擴(kuò)展，或通過(guò)擴(kuò)展接口外接磁盤陣列，可以理解為DAS方式的存儲(chǔ)。DAS架構(gòu)的存儲(chǔ)在早期的單點(diǎn)及小規(guī)模DVR系統(tǒng)中，因?yàn)椴渴鹑菀�，成本不高而得以廣泛應(yīng)用，此方式的特點(diǎn)是單服務(wù)器(DVR)獨(dú)享存儲(chǔ)空間。

DAS架構(gòu)的視頻存儲(chǔ)的缺點(diǎn)如下：

    存儲(chǔ)系統(tǒng)難以擴(kuò)展，日后擴(kuò)容、升級(jí)、維護(hù)比較困難。

    存儲(chǔ)系統(tǒng)無(wú)法多機(jī)共享，設(shè)備利用率不高。

    視頻的存儲(chǔ)與回放操作都依賴服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)荷較高。

    易發(fā)單點(diǎn)故障，無(wú)法高可靠運(yùn)行。

    隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)變得分散而規(guī)模不斷擴(kuò)大，因此，存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量、帶寬、穩(wěn)定性、集中管理、易維護(hù)、成本等方面均成為重點(diǎn)考慮因素。在此情況下，網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化的存儲(chǔ)架構(gòu)正好可以彌補(bǔ)DAS架構(gòu)的各種不足，NAS、IPSAN、FCSAN以其良好的網(wǎng)絡(luò)性、擴(kuò)容性、冗余性、易管理性等優(yōu)勢(shì)得到更多的應(yīng)用。

    12.4.2視頻監(jiān)控存儲(chǔ)需求

    對(duì)于磁盤陣列在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要功能是視頻的存儲(chǔ)及視頻回放檢索。在大型系統(tǒng)中，對(duì)于海量的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的負(fù)荷是非常巨大的。一方面，系統(tǒng)需要24小時(shí)不間斷地工作；另一方面，數(shù)據(jù)在不斷地寫入的同時(shí)可能伴隨著視頻回放、導(dǎo)出等工作。主要性能指標(biāo)是容量、傳輸帶寬(MB/s)、訪問速度、成本等因素。

    對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)論是DVR、NVR還是存儲(chǔ)服務(wù)器，其核心工作是將視頻碼流寫入磁盤(還有一小部分工作是響應(yīng)視頻回放請(qǐng)求，讀取視頻數(shù)據(jù)流)，因此，需要按照計(jì)劃的碼流值來(lái)考慮存儲(chǔ)帶寬(吞吐率)需求。

    2.存儲(chǔ)容量需求

    通常，對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)論是DVR、NVR還是存儲(chǔ)服務(wù)器，其核心工作是視頻存儲(chǔ)，而存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)工作就是存儲(chǔ)容量計(jì)算。

    其中主要需要考慮的因素如下：

    系統(tǒng)中總共有多少個(gè)通道視頻需要存儲(chǔ)。

    視頻存儲(chǔ)方式，如24小時(shí)存儲(chǔ)、預(yù)置時(shí)間表存儲(chǔ)或報(bào)警觸發(fā)存儲(chǔ)等方式。

    通道的碼流大小，可以由幀率與分辨率情況參考，如4CIF@RT可以按2M計(jì)算。

    3.磁盤的IO性能

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中主要是以一定碼流多路并發(fā)寫入數(shù)據(jù)到磁盤中，并伴有隨機(jī)讀取應(yīng)用。在采用MPEG-4編碼方式的情況下，4CIF分辨率實(shí)時(shí)碼流一般為2Mbps左右。假如視頻流一次IO最大塊為128kb，則100路需要執(zhí)行的IO次數(shù)為2Mb/s÷128kb×100＝1562.5IOPS，而吞吐率為2Mb/s×100÷8＝25MB/s。

    4.視頻存儲(chǔ)的可靠性

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有“養(yǎng)兵千日，用兵一時(shí)”的特點(diǎn)，可能存儲(chǔ)系統(tǒng)中幾十TB甚至上百TB的視頻數(shù)據(jù)，“年年月月日日存儲(chǔ)，日日月月年年覆蓋”。期間甚至沒有人需要進(jìn)行錄像回放，因?yàn)楹椭C社會(huì)，犯罪率極低，沒有事故發(fā)生，也就沒有進(jìn)行回放錄像的需求。

    但是，萬(wàn)一在某個(gè)時(shí)刻某個(gè)地點(diǎn)發(fā)生事故，就要求必須能夠調(diào)出錄像來(lái)，如果恰恰這個(gè)攝像頭的這個(gè)時(shí)間段因?yàn)榇鎯?chǔ)或其他原因而沒有錄像或不能回放，那么，這個(gè)系統(tǒng)是失敗的，這叫“百密一疏”，是絕對(duì)不能允許的。視頻錄像、存儲(chǔ)絕對(duì)不能百密一疏，這實(shí)質(zhì)考核的是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

    目前提高視頻數(shù)據(jù)可靠性的方法如下：

    分散存儲(chǔ)、中央備份的方式。

    分散存儲(chǔ)、重點(diǎn)錄像備份的方式。

    存儲(chǔ)服務(wù)器的冗余技術(shù)，以保證無(wú)間斷工作。

    磁盤陣列控制器的冗余技術(shù)。

    磁盤的冗余技術(shù)，如采用各種RAID機(jī)制。

    磁盤的在線更換機(jī)制，通常采用熱備盤實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)更換。

    采用NVR冗余備份技術(shù)提高可靠性。

    在圖12.25中，DVR采用內(nèi)置硬盤的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)，可以與存儲(chǔ)備份服務(wù)器配合使用，對(duì)DVR中的重要通道視頻、報(bào)警觸發(fā)后的視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程備份存儲(chǔ)以保證數(shù)據(jù)的可靠性；而DVS具有本地緩沖存儲(chǔ)以克服網(wǎng)絡(luò)不可靠問題，DVS編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，由NVR進(jìn)行視頻的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。

    與DVR類似，NVR可以與存儲(chǔ)備份服務(wù)器配合使用，對(duì)NVR中的重要通道視頻、報(bào)警觸發(fā)后的視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程備份存儲(chǔ)以保證數(shù)據(jù)的可靠性，另外，NVR還可以采用N+1冗余備份方式以實(shí)現(xiàn)視頻存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的高可靠性。

    12.4.3視頻存儲(chǔ)的瓶頸說(shuō)明

    無(wú)論視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如何，其主要流程都是視頻的采集、編碼壓縮、傳輸、存儲(chǔ)與回放等幾個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)的路由基本是編碼壓縮、網(wǎng)絡(luò)、各類服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備。典型視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖12.26所示，圖中，視頻流從DVS、DVR通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)，存儲(chǔ)設(shè)備(NVR、歸檔備份服務(wù)器、媒體服務(wù)器)將視頻寫入到磁盤陣列中去。

    如圖12.26所示，對(duì)于視頻(存儲(chǔ))服務(wù)器，實(shí)質(zhì)上包含兩個(gè)環(huán)節(jié)，即“一進(jìn)一出”。通過(guò)前端網(wǎng)絡(luò)接口(網(wǎng)卡)進(jìn)行視頻流的捕獲，然后通過(guò)后端存儲(chǔ)接口HBA卡(當(dāng)然也可能還是網(wǎng)絡(luò)接口)，如SCSI卡或光纖卡等將視頻流數(shù)據(jù)寫入磁盤。這里的“視頻(存儲(chǔ))服務(wù)器”，指的是NVR或歸檔服務(wù)器(ArchiveServer)，主要作用是對(duì)編碼后的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、并響應(yīng)用戶的請(qǐng)求進(jìn)行錄像回放工作。需要注意，先前介紹的流媒體服務(wù)器主要用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻流的轉(zhuǎn)發(fā)工作，采用特殊軟件體系結(jié)構(gòu)，能夠并發(fā)支持的通道數(shù)量較多，而視頻服務(wù)器既要存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，又要進(jìn)行視頻回放檢索，對(duì)數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)稍大，因此目前能夠支持的視頻通道數(shù)量有限，通常的情況是單體設(shè)備支持50~100路攝像機(jī)接入，且根據(jù)碼流不同而不同，從穩(wěn)定性及成本因素考慮，這個(gè)數(shù)量級(jí)還是合適的。