从存储技术看视频监控系统的历史变迁

李梅芳　王静　孔庆仪

摘要：随着经济和科学技术的发展，人们对安全防范的要求也越来越高，从军队、银行、学校到企业，乃至许多家庭，都配置了视频监控系统作为安全防范的重要保证。视频监控系统对预防和制止犯罪、维护社会稳定起到了巨大的作用。视频监控系统从初期的模拟阶段，到目前的大型网络化阶段，变化非常巨大。试图从视频监控系统最重要的部分一“存储系统”的变迁角度，研究视频监控技术的发展。

关键词：网络视频监控系统;磁盘阵列;存储区域网络;监控中心

中图分类号：TN948

文献标识码：A

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

1 模拟视频监控系统及其存储设备

l.l 系统组成

典型的模拟视频监控系统如图1所示，由前端摄像机、监视器、矩阵主机和录像机组成，都属于模拟设备。摄像机产生的视频信号通过同轴电缆传输到监控中心，经视频分配器一分为二，一路去矩阵进行视频监控，另一路去录像机进行录像存储。矩阵主机作为系统的中心设备，完成实时监视、视频切换、报警联动、设备控制和系统管理等核心功能。

1.2 存储设备

模拟阶段的存储系统，最早使用磁带录像机（ VCR），但是磁带存储容量小需要经常更换，VCR检索效率低下、自动化程度很低。20世纪90年代出现了数字硬盘录像机（ DVR），DVR對VCR实现了全面取代，在视频存储、检索、浏览等方面实现了飞跃。DVR的关键技术是把摄像机产生的模拟信号进行数字化和压缩，并使用硬盘进行存储，具有快速录像、随机检索、大容量存储的优点。DVR的出现使得监控系统初步实现了数字化，所以采用DVR的模拟系统又称半数字化视频监控系统。

除了录像功能，DVR还具有视频切换、云镜控制和系统管理等功能，在小型监控系统里可以兼职控制主机使用。大型系统仍然需要配置矩阵作为控制主机、DVR作为存储主机，二者珠联璧合，一统天下。

2 小型网络视频监控系统及其存储设备

随着网络化技术的发展，人们对随时随地进行网络监控的需求日益强烈，DVR作为数模混合产品，网络功能有限，很难满足这种需要。此时，网络摄像机（ IPC）便应运而生。2007年，网络硬盘录像机（ NVR）也横空出世，标志着视频监控产业开始进入网络化时代。

与模拟系统相比，以NVR为中心构建的小型网络视频监控系统组成如下：①前端系统。网络摄像机（ IPC）集成了数字化和压缩编码单元以及Web服务器，可以将视频信号压缩并转换成TCP/IP数据包通过网络直接传输，这样从源头上实现了数字化和网络化。②传输系统。传输系统是由网线、光纤和交换机组成的网络，摄像机、录像机、客户机等所有设备都拥有一个IP地址，通过网络进行连接和访问。③控制和存储系统。NVR作为系统的核心，同时扮演控制主机和存储主机的角色。由于IPC已经完成数字化编码任务，所以NVR可以不像DVR那样忙于数字化编码，可以专注于完成录像、管理、控制以及其他系统功能。如果单台NVR满足不了需要，可部署多台进行扩容。④显示系统。如果需要在电视墙拼接屏上进行图像显示，需要设置解码器将视频信号解压缩和转换成合适的显示格式。客户端PC机浏览图像、解压缩和格式转换任务由PC机完成。

3 大型网络视频监控系统

网络视频监控系统不断发展，规模日益增大，功能逐渐丰富，后来随着光纤技术、网络技术、存储技术的发展，诞生了大型网络视频监控系统。

3.1 大型网络视频监控系统的组成和特点

3.1.1 前端系统

前端系统仍然采用网络摄像机，但是规模和数量巨大、监控点的分布更加分散、距离更加遥远。

3.1.2 传输系统

小型系统一般通过内部局域网构成私有视频系统，而大型系统则充分利用借助于口网络无所不到的技术，把远程的概念从城域扩展到城际甚至国际范围。

网络规模更加宏大，一般采用核心一汇聚—接入三层架构，最新的系统还要求各级交换机支持组播功能。核心交换机采用高档交换机，功能非常强大，如果采用双核心交换机冗余方案，网络会更加可靠。

3.1.3 中心机房

中心机房分化为监控中心和管理中心两部分，前者配备控制台、解码器及电视墙接屏，侧重于完成传统的视频监控功能。而管理中心机房，用来专门存放核心交换机、各种服务器、磁盘阵列、UPS电源等关键设备，以利于重要设备的保护。

3.1.4 控制系统

控制系统不再由一台硬件组成，而是采用大型集成管理平台实现，平台软件部署在各种服务器上，主要的服务器类型及其功能简介如下：①流媒体服务器。当多用户并发访问摄像机时，只需要传输一份视频流到流媒体服务器，以后视频流就由流媒体服务器负责转发给每个用户。②中心管理服务器。用来安装集成软件平台，接收客户端操作产生的控制信令，完成前端设备控制和其他一切管理任务。③存储服务器。专门用来控制和管理磁盘阵列存储设备的服务器。

3.2 存储技术

以上介绍的DVR和NVR都属于嵌入式设备，受制于嵌入式芯片的性能，无法满足大容量存储的需要，也无法提供完善的RAID性能来保证数据存储的安全性。大型视频监控系统要使用性能更加完善的大容量存储设备——RAID磁盘阵列。

3.2.1 RAID磁盘阵列

从外观上看，磁盘阵列是一个安装了16块、24块或者更多硬盘的存储设备。实际上，RAID技术把多个物理硬盘按不同的方式组合成一个个逻辑硬盘，多个磁盘可以同时读写数据，大大提高了数据吞吐量。很多RAID模式还提供了较为完备的硬盘相互校验/恢复措施，甚至是镜像备份，大大提高了容错度。RAID还可以设置热备盘，一旦某块硬盘发生故障，热备盘自动将其替换。这些措施都保证了RAID磁盘阵列的高速存储和稳定可靠性。

3.2.2 磁盤阵列的三种存储解决方案

不像DVR和NVR把硬盘直接安装在主机内部，磁盘阵列作为独立的存储设备与主机是分离的。磁盘阵列与使用它的服务器主机的连接和使用方式，主要有三种解决方案：直连式存储（ DAS）、网络接入存储（NAS）和存储区域网络（ SAN）。

3.2.2.1 直连式存储（DAS）

DAS中，磁盘阵列和服务器采用SCSI通道直连，无法进行集中管理，而且阵列的读写操作都要占用服务器的操作系统和CPU、内存等资源，对服务器有很大的依赖性。由于SCSI通道和主机的资源都有限，所以当数据吞吐量大时，DAS方案会产生严重的输入输出瓶颈。

3.2.2.2 网络接入存储（NAS）

NAS结构中，通过网络连接磁盘阵列、NAS文件服务器和各级应用服务器，数据访问通过TCP/IP协议进行。NAS文件服务器采用一个兼容性很好的文件管理系统，可以给不同的应用服务器提供NFS、HTTP、CIFS等多种文件格式进行访问。可见，NAS突破了SCSI通道的限制，也脱离了对应用服务器的依赖，其存储效率相比DAS有所提升。

3.2.2.3 存储区域网络（SAN和IP SAN）

与NAS类似，SAN方案也把磁盘阵列从应用服务器中分离出来进行集中管理，但是SAN可以把数据分成多个数据块并写入/读出磁盘，提供设备级的块访问，输入输出性能高，传输延迟率低。

SAN最早采用光纤通道技术组网，由光纤通道交换机、服务器和磁盘阵列组成高速存储专网。值得注意的是，此时系统存在连接IPC、客户机的普通应用网络和高速存储专网两个子网络。由于光纤通道设备昂贵、施工复杂，使得中小型用户望而却步，导致SAN无法大力推广。

后来出现了基于IP以太网络的SAN存储架构，即IPSAN，它通过iSCSI协议把SCSI命令封装在TCP/IP包中，直接使用以太网进行传输数据。IPSAN继承了以太网开放、高性能、高可靠性、易管理的优点，受到用户的青睐，很快发展成为大型存储系统的主力。

4 总结

综上所述，随着视频监控发展到规模宏大、功能强大的大型网络视频监控系统阶段，其存储系统也从VCR、DVR、NVR等单个设备，发展到现阶段由多台RAID磁盘阵列组成的大型IP SAN存储区域专网。谁知道，存储系统将来会发展成什么样子？会为未来的视频监控系统带来什么样的惊喜？让我们拭目以待。

参考文献：

[1]朱锦晶.安防视频监控存储技术现状与发展趋势分析[J].电脑知识与技术，2018，14 （9）： 220，223.

[2]陈钢.视频监控系统常用存储技术及发展趋势[J].数字技术与应用，2013 （3）： 234，236.