從存儲技術看視頻監控系統的歷史變遷

李梅芳　王靜　孔慶儀

摘要：隨著經濟和科學技術的發展，人們對安全防范的要求也越來越高，從軍隊、銀行、學校到企業，乃至許多家庭，都配置了視頻監控系統作為安全防范的重要保證。視頻監控系統對預防和制止犯罪、維護社會穩定起到了巨大的作用。視頻監控系統從初期的模擬階段，到目前的大型網絡化階段，變化非常巨大。試圖從視頻監控系統最重要的部分一“存儲系統”的變遷角度，研究視頻監控技術的發展。

關鍵詞：網絡視頻監控系統;磁盤陣列;存儲區域網絡;監控中心

中圖分類號：TN948

文獻標識碼：A

DOI：10.1 5913/j .cnki.kjycx.2019.09.034

1 模擬視頻監控系統及其存儲設備

l.l 系統組成

典型的模擬視頻監控系統如圖1所示，由前端攝像機、監視器、矩陣主機和錄像機組成，都屬于模擬設備。攝像機產生的視頻信號通過同軸電纜傳輸到監控中心，經視頻分配器一分為二，一路去矩陣進行視頻監控，另一路去錄像機進行錄像存儲。矩陣主機作為系統的中心設備，完成實時監視、視頻切換、報警聯動、設備控制和系統管理等核心功能。

1.2 存儲設備

模擬階段的存儲系統，最早使用磁帶錄像機（ VCR），但是磁帶存儲容量小需要經常更換，VCR檢索效率低下、自動化程度很低。20世紀90年代出現了數字硬盤錄像機（ DVR），DVR對VCR實現了全面取代，在視頻存儲、檢索、瀏覽等方面實現了飛躍。DVR的關鍵技術是把攝像機產生的模擬信號進行數字化和壓縮，并使用硬盤進行存儲，具有快速錄像、隨機檢索、大容量存儲的優點。DVR的出現使得監控系統初步實現了數字化，所以采用DVR的模擬系統又稱半數字化視頻監控系統。

除了錄像功能，DVR還具有視頻切換、云鏡控制和系統管理等功能，在小型監控系統里可以兼職控制主機使用。大型系統仍然需要配置矩陣作為控制主機、DVR作為存儲主機，二者珠聯璧合，一統天下。

2 小型網絡視頻監控系統及其存儲設備

隨著網絡化技術的發展，人們對隨時隨地進行網絡監控的需求日益強烈，DVR作為數模混合產品，網絡功能有限，很難滿足這種需要。此時，網絡攝像機（ IPC）便應運而生。2007年，網絡硬盤錄像機（ NVR）也橫空出世，標志著視頻監控產業開始進入網絡化時代。

與模擬系統相比，以NVR為中心構建的小型網絡視頻監控系統組成如下：①前端系統。網絡攝像機（ IPC）集成了數字化和壓縮編碼單元以及Web服務器，可以將視頻信號壓縮并轉換成TCP/IP數據包通過網絡直接傳輸，這樣從源頭上實現了數字化和網絡化。②傳輸系統。傳輸系統是由網線、光纖和交換機組成的網絡，攝像機、錄像機、客戶機等所有設備都擁有一個IP地址，通過網絡進行連接和訪問。③控制和存儲系統。NVR作為系統的核心，同時扮演控制主機和存儲主機的角色。由于IPC已經完成數字化編碼任務，所以NVR可以不像DVR那樣忙于數字化編碼，可以專注于完成錄像、管理、控制以及其他系統功能。如果單臺NVR滿足不了需要，可部署多臺進行擴容。④顯示系統。如果需要在電視墻拼接屏上進行圖像顯示，需要設置解碼器將視頻信號解壓縮和轉換成合適的顯示格式。客戶端PC機瀏覽圖像、解壓縮和格式轉換任務由PC機完成。

3 大型網絡視頻監控系統

網絡視頻監控系統不斷發展，規模日益增大，功能逐漸豐富，后來隨著光纖技術、網絡技術、存儲技術的發展，誕生了大型網絡視頻監控系統。

3.1 大型網絡視頻監控系統的組成和特點

3.1.1 前端系統

前端系統仍然采用網絡攝像機，但是規模和數量巨大、監控點的分布更加分散、距離更加遙遠。

3.1.2 傳輸系統

小型系統一般通過內部局域網構成私有視頻系統，而大型系統則充分利用借助于口網絡無所不到的技術，把遠程的概念從城域擴展到城際甚至國際范圍。

網絡規模更加宏大，一般采用核心一匯聚—接入三層架構，最新的系統還要求各級交換機支持組播功能。核心交換機采用高檔交換機，功能非常強大，如果采用雙核心交換機冗余方案，網絡會更加可靠。

3.1.3 中心機房

中心機房分化為監控中心和管理中心兩部分，前者配備控制臺、解碼器及電視墻接屏，側重于完成傳統的視頻監控功能。而管理中心機房，用來專門存放核心交換機、各種服務器、磁盤陣列、UPS電源等關鍵設備，以利于重要設備的保護。

3.1.4 控制系統

控制系統不再由一臺硬件組成，而是采用大型集成管理平臺實現，平臺軟件部署在各種服務器上，主要的服務器類型及其功能簡介如下：①流媒體服務器。當多用戶并發訪問攝像機時，只需要傳輸一份視頻流到流媒體服務器，以后視頻流就由流媒體服務器負責轉發給每個用戶。②中心管理服務器。用來安裝集成軟件平臺，接收客戶端操作產生的控制信令，完成前端設備控制和其他一切管理任務。③存儲服務器。專門用來控制和管理磁盤陣列存儲設備的服務器。

3.2 存儲技術

以上介紹的DVR和NVR都屬于嵌入式設備，受制于嵌入式芯片的性能，無法滿足大容量存儲的需要，也無法提供完善的RAID性能來保證數據存儲的安全性。大型視頻監控系統要使用性能更加完善的大容量存儲設備——RAID磁盤陣列。

3.2.1 RAID磁盤陣列

從外觀上看，磁盤陣列是一個安裝了16塊、24塊或者更多硬盤的存儲設備。實際上，RAID技術把多個物理硬盤按不同的方式組合成一個個邏輯硬盤，多個磁盤可以同時讀寫數據，大大提高了數據吞吐量。很多RAID模式還提供了較為完備的硬盤相互校驗/恢復措施，甚至是鏡像備份，大大提高了容錯度。RAID還可以設置熱備盤，一旦某塊硬盤發生故障，熱備盤自動將其替換。這些措施都保證了RAID磁盤陣列的高速存儲和穩定可靠性。

3.2.2 磁盤陣列的三種存儲解決方案

不像DVR和NVR把硬盤直接安裝在主機內部，磁盤陣列作為獨立的存儲設備與主機是分離的。磁盤陣列與使用它的服務器主機的連接和使用方式，主要有三種解決方案：直連式存儲（ DAS）、網絡接入存儲（NAS）和存儲區域網絡（ SAN）。

3.2.2.1 直連式存儲（DAS）

DAS中，磁盤陣列和服務器采用SCSI通道直連，無法進行集中管理，而且陣列的讀寫操作都要占用服務器的操作系統和CPU、內存等資源，對服務器有很大的依賴性。由于SCSI通道和主機的資源都有限，所以當數據吞吐量大時，DAS方案會產生嚴重的輸入輸出瓶頸。

3.2.2.2 網絡接入存儲（NAS）

NAS結構中，通過網絡連接磁盤陣列、NAS文件服務器和各級應用服務器，數據訪問通過TCP/IP協議進行。NAS文件服務器采用一個兼容性很好的文件管理系統，可以給不同的應用服務器提供NFS、HTTP、CIFS等多種文件格式進行訪問。可見，NAS突破了SCSI通道的限制，也脫離了對應用服務器的依賴，其存儲效率相比DAS有所提升。

3.2.2.3 存儲區域網絡（SAN和IP SAN）

與NAS類似，SAN方案也把磁盤陣列從應用服務器中分離出來進行集中管理，但是SAN可以把數據分成多個數據塊并寫入/讀出磁盤，提供設備級的塊訪問，輸入輸出性能高，傳輸延遲率低。

SAN最早采用光纖通道技術組網，由光纖通道交換機、服務器和磁盤陣列組成高速存儲專網。值得注意的是，此時系統存在連接IPC、客戶機的普通應用網絡和高速存儲專網兩個子網絡。由于光纖通道設備昂貴、施工復雜，使得中小型用戶望而卻步，導致SAN無法大力推廣。

后來出現了基于IP以太網絡的SAN存儲架構，即IPSAN，它通過iSCSI協議把SCSI命令封裝在TCP/IP包中，直接使用以太網進行傳輸數據。IPSAN繼承了以太網開放、高性能、高可靠性、易管理的優點，受到用戶的青睞，很快發展成為大型存儲系統的主力。

4 總結

綜上所述，隨著視頻監控發展到規模宏大、功能強大的大型網絡視頻監控系統階段，其存儲系統也從VCR、DVR、NVR等單個設備，發展到現階段由多臺RAID磁盤陣列組成的大型IP SAN存儲區域專網。誰知道，存儲系統將來會發展成什么樣子？會為未來的視頻監控系統帶來什么樣的驚喜？讓我們拭目以待。

參考文獻：

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