浅论视频监控系统存储技术的发展

李梅芳　王静　张静怡

摘要：随着经济水平的发展，人们对安全防范技术的要求也越来越高。从军队、银行到学校，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。视频监控系统日益普及，监控摄像机数目大幅剧增，产生了海量的监控数据。大数据、云计算等新技术的应用，需要保证充足的历史数据，录像存储周期一再被延长，导致监控数据一再骤增，这就要求对应的存储系统在容量和可靠性等方面都能够满足数据存储需要。介绍了监控存储系统的发展历史，从存储解决方案和存储架构模式两个方面对最新的存储设备—一磁盘阵列进行了论述。

关键词：监控系统;磁盘阵列;存储区域网络（SAN）;网络组播技术

中图分类号：TN948.6

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.040

1 存储系统对于视频监控系统的重要性

视频监控经过近30年的发展，已经从初期的闭路电视监控，发展到如今数字化、网络化的大型监控系统。监控摄像机“遍布大街小巷”，产生了大量的视频数据。由于视频数据本身容量巨大，而且录像至少要求保留3个月，所以对相应的存储系统提出了很高的要求。

近年来，为了加快监控智能化的步伐，大数据、云计算等新技术在视频监控领域得到大力的应用，为了保证充足的历史数据，录像存储周期一再被延长，甚至长达2-3年，造成海量监控数据一再骤增的局面，这不但对视频存储系统的存储容量方面是一项挑战，而且对系统可靠性、容错性等性能方面提出了前所未有的严峻挑战。

2 视频监控存储系统的发展历史

2.1 录像机存储阶段

视频监控系统最早使用模拟的磁带录像机（ VCR）存储录像，但是磁带容量小，只能按顺序检索，所以VCR存取缓慢、检索效率低下。20世纪90年代，安防行业出现了数字硬盘录像机（ DVR）。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编码，使用硬盘进行存储。DVR具有快速录像、随机检索的优点，很快就取代VCR成为视频存储的主力。

随着安防技术数字化、网络化的发展进程，出现了网络摄像机（IPC）。IPC集成了数字化和压缩编码功能，可以直接生成压缩的数字信号并通过网络进行传输。DVR作为模拟信号存储设备，不能胜任IPC的存储。于是，专门用于IPC图像存储的网络硬盘录像机（ NVR）应运而生，NVR成为新一代网络化视频监控的标准配置。

2.2 磁盘阵列存储阶段

DVR和NVR都属于嵌入式设备，受嵌入式芯片性能和单机安装空间所限制，单台录像机存储容量有限，即便采用多台堆叠来扩容，彼此也是松散的并列关系，无法提供更强大的存储性能。

磁盘阵列彻底摒弃了“硬盘安装在主机内部”的传统架构，而是把多块硬盘（一般为16/24/48）以抽屉式架构组装一个“柜子”里，成为一个独立的存储设备。多台磁盘阵列可以由一台存储服务器进行集中管理，统一部署存储任务，后期的IP SAN架构把这些磁盘阵列组成了一个专门的高速存储专网，使其存储性能大大提升。磁盘阵列内的硬盘不再彼此孤立，而是通过RAID技术，按不同的方式组合成一个个逻辑分组，多个磁盘可以同时读写数据，大大提高了数据吞吐量。RAID模式还可以提供硬盘相互校验/恢复措施，当发生数据错误或丢失时，可以根据校验值恢复数据，还可以设置热备盘，一旦组内某块硬盘发生故障，热备盘自动将其替换，表现出一定的存储容错能力。

3 磁盘阵列的三种存储解决方案

磁盘阵列与其服务器有多种连接方式，下面介绍主要的三种解决方案，分别是直连式存储（ DAS）、网络接人存储（ NAS）和存储区域网络（SAN）。

3.1 直连式存储（DAS）

DAS中，磁盘阵列和服务器采用SCSI通道直连，阵列的读写操作都要占用服务器的资源。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。而且，DAS磁盘阵列被服务器独占，无法实现存储共享，不能进行集中的存储管理。

3.2 网络接入存储（NAS）

NAS把磁盘阵列从应用服务器中分离出来，由专用的NAS服务器进行集中管理。应用服务器和NAS服务器通过网络进行连接，通过TCP/IP协议进行数据访问。NAS文件服务器专门为应用服务器提供数据存储和文件共享的服务，它的文件管理系统可以提供NFS、HTTP、CIFS等丰富的文件访问格式，兼容性非常好。

NAS突破了SCSI通道的限制，使得磁盘阵列脱离了对应用服务器的依赖，其存储效率、设备共享利用率与DAS相比均有所提升。NAS采用普通的以太网传输数据，提供文件级别的共享粒度，当多台客户端访问NAS文件系统时，NAS的性能会显著下降，无法满足大型网络的存储需求。

3.3 存储区域网络（SAN和IP SAN）

为了提高磁盘阵列的存储效率，SAN通过高速的光纤通道交换机把磁盘阵列组成高速存储专网。光纤通道网络支持自动重新路由技术，而且提供设备级的块访问，所以数据传输效率高，存储效率远远优于采用普通以太网的NAS方案。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。后来进行技术改进，用高速的千兆或万兆交换机代替光纤通道交换机，并且通过iSCSI協议把SCSI命令封装在TCP/IP包中直接使用以太网进行磁盘阵列块数据传输，这就是著名的IP SAN-基于IP以太网的SAN存储架构。IPSAN既保持了SAN快速的数据传输效率，又继承了以太网开放可靠、好实施、易管理的便捷性，受到广大用户的青睐。

4 IP SAN的应用架构模式

在IP SAN上面部署的存储系统，有三种存储架构，分别是流媒体架构、直写架构和全交换架构。三种模式数据码流的传输方式有所不同，下面一一进行介绍。

4.1 流媒体架构

流媒体架构是比较早期的系统模式，如图1所示，系统中部署了中心管理服务器、流媒体服务器、存储服务器。

各种码流的调用流程如下：①前端实时码流。需经流媒体转发服务器转发调用，当摄像机被多用户并发访问时，只需要传输一份视频流到流媒体服务器，以后就由它负责转发到每个用户。②存储码流。先经流媒体服务器转发到存储服务器，然后由存储服务器存储到磁盘阵列。③磁阵内的存储回放码流。需经存储服务器转发到流媒体服务器，再由流媒体服务器转发给客户端。④客户端控制信令。需经中心管理服务器对前端设备进行控制。

流媒體架构中，流媒体服务器的任务十分繁重，很容易成为系统的瓶颈。如果系统规模较大，就需要部署大量的流媒体服务器和相应数目的存储服务器。

4.2 直写架构

和流媒体架构相比，直写架构的根本特点就是采用了磁盘阵列“块直写”存储技术，存储码流不再经过流媒体服务器转发，而是直接写入磁盘阵列，大大提高了存储效率。这样，视频数据直接从摄像机通过网络写入磁盘阵列，存储服务器只是起控制和管理作用，不再需要把数据转发一遍。所以存储服务器的工作量骤减，只需配备一主一备两台即可。而流媒体服务器不再负责存储码流的转发，只需要专注于实时码流的转发任务，所以其访问“瓶颈”问题得以解决，也不需要部署那么多台了。

4.3 全交换架构

在全交换架构里，数据访问模式产生了重大的变革，完全摒弃了“媒体转发”模式，而是采用了全新的网络组播技术进行“数据转发”。当多个客户申请同一视频资源时，不论数据是实时视频还是回放录像，他们都被加入同一个组播组里，组播网会把数据精准配送给组里每个用户。

全交换架构的特点如下：①要求摄像机和所有交换机均支持网络组播技术，在组播网络协议的组织下有序工作;②从码流调用流程看，实时码流、存储码流、回放码流均完全依赖于组播功能的IP网络传输;③从服务器数量看，不再部署流媒体服务器，只需要一台存储服务器和一台中心管理服务器，甚至二者可以合二为一。

可见，全交换架构与直写架构的根本不同之处在于采用网络组播技术进行媒体转发，数据存储仍然沿用了直写架构的“块直写”模式。所以，全交换架构不但数据传输效率高，而且组播网络具有智能性和健壮性，服务器数量精简、组织有序、工作高效，整个视频监控系统呈现举重若轻的高手工作状态。

5 结论

总之，当前视频监控系统发展到了大型网络化阶段，其存储技术也高度发达。全交换架构的IP SAN高速存储区域网络像一位武功奇高的勇士，肩负着海量视频数据高效、可靠存储的重任，在视频监控领域大显身手，为各行各业的安全保驾护航。

参考文献：

[1]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.

[2]闰真才.高清视频监控系统存储的探讨[J].中国公共安全（综合版），2012（ 20）：86-88.