淺論視頻監控系統存儲技術的發展

李梅芳　王靜　張靜怡

摘要：隨著經濟水平的發展，人們對安全防范技術的要求也越來越高。從軍隊、銀行到學校，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。視頻監控系統日益普及，監控攝像機數目大幅劇增，產生了海量的監控數據。大數據、云計算等新技術的應用，需要保證充足的歷史數據，錄像存儲周期一再被延長，導致監控數據一再驟增，這就要求對應的存儲系統在容量和可靠性等方面都能夠滿足數據存儲需要。介紹了監控存儲系統的發展歷史，從存儲解決方案和存儲架構模式兩個方面對最新的存儲設備—一磁盤陣列進行了論述。

關鍵詞：監控系統;磁盤陣列;存儲區域網絡（SAN）;網絡組播技術

中圖分類號：TN948.6

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.040

1 存儲系統對于視頻監控系統的重要性

視頻監控經過近30年的發展，已經從初期的閉路電視監控，發展到如今數字化、網絡化的大型監控系統。監控攝像機“遍布大街小巷”，產生了大量的視頻數據。由于視頻數據本身容量巨大，而且錄像至少要求保留3個月，所以對相應的存儲系統提出了很高的要求。

近年來，為了加快監控智能化的步伐，大數據、云計算等新技術在視頻監控領域得到大力的應用，為了保證充足的歷史數據，錄像存儲周期一再被延長，甚至長達2-3年，造成海量監控數據一再驟增的局面，這不但對視頻存儲系統的存儲容量方面是一項挑戰，而且對系統可靠性、容錯性等性能方面提出了前所未有的嚴峻挑戰。

2 視頻監控存儲系統的發展歷史

2.1 錄像機存儲階段

視頻監控系統最早使用模擬的磁帶錄像機（ VCR）存儲錄像，但是磁帶容量小，只能按順序檢索，所以VCR存取緩慢、檢索效率低下。20世紀90年代，安防行業出現了數字硬盤錄像機（ DVR）。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編碼，使用硬盤進行存儲。DVR具有快速錄像、隨機檢索的優點，很快就取代VCR成為視頻存儲的主力。

隨著安防技術數字化、網絡化的發展進程，出現了網絡攝像機（IPC）。IPC集成了數字化和壓縮編碼功能，可以直接生成壓縮的數字信號并通過網絡進行傳輸。DVR作為模擬信號存儲設備，不能勝任IPC的存儲。于是，專門用于IPC圖像存儲的網絡硬盤錄像機（ NVR）應運而生，NVR成為新一代網絡化視頻監控的標準配置。

2.2 磁盤陣列存儲階段

DVR和NVR都屬于嵌入式設備，受嵌入式芯片性能和單機安裝空間所限制，單臺錄像機存儲容量有限，即便采用多臺堆疊來擴容，彼此也是松散的并列關系，無法提供更強大的存儲性能。

磁盤陣列徹底摒棄了“硬盤安裝在主機內部”的傳統架構，而是把多塊硬盤（一般為16/24/48）以抽屜式架構組裝一個“柜子”里，成為一個獨立的存儲設備。多臺磁盤陣列可以由一臺存儲服務器進行集中管理，統一部署存儲任務，后期的IP SAN架構把這些磁盤陣列組成了一個專門的高速存儲專網，使其存儲性能大大提升。磁盤陣列內的硬盤不再彼此孤立，而是通過RAID技術，按不同的方式組合成一個個邏輯分組，多個磁盤可以同時讀寫數據，大大提高了數據吞吐量。RAID模式還可以提供硬盤相互校驗/恢復措施，當發生數據錯誤或丟失時，可以根據校驗值恢復數據，還可以設置熱備盤，一旦組內某塊硬盤發生故障，熱備盤自動將其替換，表現出一定的存儲容錯能力。

3 磁盤陣列的三種存儲解決方案

磁盤陣列與其服務器有多種連接方式，下面介紹主要的三種解決方案，分別是直連式存儲（ DAS）、網絡接人存儲（ NAS）和存儲區域網絡（SAN）。

3.1 直連式存儲（DAS）

DAS中，磁盤陣列和服務器采用SCSI通道直連，陣列的讀寫操作都要占用服務器的資源。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。而且，DAS磁盤陣列被服務器獨占，無法實現存儲共享，不能進行集中的存儲管理。

3.2 網絡接入存儲（NAS）

NAS把磁盤陣列從應用服務器中分離出來，由專用的NAS服務器進行集中管理。應用服務器和NAS服務器通過網絡進行連接，通過TCP/IP協議進行數據訪問。NAS文件服務器專門為應用服務器提供數據存儲和文件共享的服務，它的文件管理系統可以提供NFS、HTTP、CIFS等豐富的文件訪問格式，兼容性非常好。

NAS突破了SCSI通道的限制，使得磁盤陣列脫離了對應用服務器的依賴，其存儲效率、設備共享利用率與DAS相比均有所提升。NAS采用普通的以太網傳輸數據，提供文件級別的共享粒度，當多臺客戶端訪問NAS文件系統時，NAS的性能會顯著下降，無法滿足大型網絡的存儲需求。

3.3 存儲區域網絡（SAN和IP SAN）

為了提高磁盤陣列的存儲效率，SAN通過高速的光纖通道交換機把磁盤陣列組成高速存儲專網。光纖通道網絡支持自動重新路由技術，而且提供設備級的塊訪問，所以數據傳輸效率高，存儲效率遠遠優于采用普通以太網的NAS方案。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。后來進行技術改進，用高速的千兆或萬兆交換機代替光纖通道交換機，并且通過iSCSI協議把SCSI命令封裝在TCP/IP包中直接使用以太網進行磁盤陣列塊數據傳輸，這就是著名的IP SAN-基于IP以太網的SAN存儲架構。IPSAN既保持了SAN快速的數據傳輸效率，又繼承了以太網開放可靠、好實施、易管理的便捷性，受到廣大用戶的青睞。

4 IP SAN的應用架構模式

在IP SAN上面部署的存儲系統，有三種存儲架構，分別是流媒體架構、直寫架構和全交換架構。三種模式數據碼流的傳輸方式有所不同，下面一一進行介紹。

4.1 流媒體架構

流媒體架構是比較早期的系統模式，如圖1所示，系統中部署了中心管理服務器、流媒體服務器、存儲服務器。

各種碼流的調用流程如下：①前端實時碼流。需經流媒體轉發服務器轉發調用，當攝像機被多用戶并發訪問時，只需要傳輸一份視頻流到流媒體服務器，以后就由它負責轉發到每個用戶。②存儲碼流。先經流媒體服務器轉發到存儲服務器，然后由存儲服務器存儲到磁盤陣列。③磁陣內的存儲回放碼流。需經存儲服務器轉發到流媒體服務器，再由流媒體服務器轉發給客戶端。④客戶端控制信令。需經中心管理服務器對前端設備進行控制。

流媒體架構中，流媒體服務器的任務十分繁重，很容易成為系統的瓶頸。如果系統規模較大，就需要部署大量的流媒體服務器和相應數目的存儲服務器。

4.2 直寫架構

和流媒體架構相比，直寫架構的根本特點就是采用了磁盤陣列“塊直寫”存儲技術，存儲碼流不再經過流媒體服務器轉發，而是直接寫入磁盤陣列，大大提高了存儲效率。這樣，視頻數據直接從攝像機通過網絡寫入磁盤陣列，存儲服務器只是起控制和管理作用，不再需要把數據轉發一遍。所以存儲服務器的工作量驟減，只需配備一主一備兩臺即可。而流媒體服務器不再負責存儲碼流的轉發，只需要專注于實時碼流的轉發任務，所以其訪問“瓶頸”問題得以解決，也不需要部署那么多臺了。

4.3 全交換架構

在全交換架構里，數據訪問模式產生了重大的變革，完全摒棄了“媒體轉發”模式，而是采用了全新的網絡組播技術進行“數據轉發”。當多個客戶申請同一視頻資源時，不論數據是實時視頻還是回放錄像，他們都被加入同一個組播組里，組播網會把數據精準配送給組里每個用戶。

全交換架構的特點如下：①要求攝像機和所有交換機均支持網絡組播技術，在組播網絡協議的組織下有序工作;②從碼流調用流程看，實時碼流、存儲碼流、回放碼流均完全依賴于組播功能的IP網絡傳輸;③從服務器數量看，不再部署流媒體服務器，只需要一臺存儲服務器和一臺中心管理服務器，甚至二者可以合二為一。

可見，全交換架構與直寫架構的根本不同之處在于采用網絡組播技術進行媒體轉發，數據存儲仍然沿用了直寫架構的“塊直寫”模式。所以，全交換架構不但數據傳輸效率高，而且組播網絡具有智能性和健壯性，服務器數量精簡、組織有序、工作高效，整個視頻監控系統呈現舉重若輕的高手工作狀態。

5 結論

總之，當前視頻監控系統發展到了大型網絡化階段，其存儲技術也高度發達。全交換架構的IP SAN高速存儲區域網絡像一位武功奇高的勇士，肩負著海量視頻數據高效、可靠存儲的重任，在視頻監控領域大顯身手，為各行各業的安全保駕護航。

參考文獻：

[1]陳鋼.視頻監控系統常用存儲技術及發展趨勢[J].數字技術與應用，2013 （3）： 234，236.

[2]閏真才.高清視頻監控系統存儲的探討[J].中國公共安全（綜合版），2012（ 20）：86-88.