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对当前云视频监控建设发展的分析
2014/1/3 16:23:00      来源:《中国安防》    作者:徐玉波 浙江广信和诚
   视频监控作为信息化系统的一个组成部分,因其信息的直观性而广受重视,其应用范围也从最初的企事业单位安全防范逐渐扩展到社会公共安全、交通管理、商铺安全、家庭安全、企事业生产经营管理、安全生产管理、教学管理、执法取证、旅游宣传等应用领域,建设规模不断扩大。

对当前云视频监控建设发展的分析

     视频监控作为信息化系统的一个组成部分,因其信息的直观性而广受重视,其应用范围也从最初的企事业单位安全防范逐渐扩展到社会公共安全、交通管理、商铺安全、家庭安全、企事业生产经营管理、安全生产管理、教学管理、执法取证、旅游宣传等应用领域,建设规模不断扩大。以社会公安安全监控为例,一个城市的监控规模已经达到数万路、全省数十万路的规模,并且要同时支持公安各警种、各部门以及政府其他部门的视频应用。而且随着高清视频监控成为主流选择,视频信息量也越来越庞大和丰富,对视频资源管理、视频录像、流媒体和应用服务等方面的性能提出了更高要求,在这样的背景下,传统的安防系统技术架构业界提出了云监控的概念。

一、云监控的特点及内容体现

    从目前的发展来看,云监控应具备以下几个特点:

     第一,分布式。无论是视频监控采集设备、编码设备、存储设备、流媒体服务器还是客户端,都可以分布在任何一个网络互通的物理位置和网络节点上,可以构建在任何形式的网络结构化上,这些分布的设备都是为视频信息资源的使用者而服务。相对于视频信息资源的使用者来讲,他们无需关心这些设备分布在什么地方。

     第二,大并发量。大并发量包括视频信息的大并发量存储和访问。随着网络的扩展和系统设备的扩容,理论上应该支持无限量的视频存储和访问。

     第三,高可用性。构建应遵循“不信任设计”理念,也就是对所有的设备和网络的运行质量都是基于“不信任”原则,假定所有的设备包括线路都随时可能出现各种故障,通过节点之间的相互监控、故障自动托管、全自动负载均衡、热点转移等策略保证系统在极端条件下仍能提供关键服务。

     第四,快速响应。对于用户的服务请求应能做到快速响应,视频是最直观的信息,实时性是它的灵魂,没有快速的视频信息服务响应,视频信息的价值将大打折扣。

    第五,易管理维护。系统扩展、日常维护和故障恢复应当是极其简单的,不仅不需要专业技能,甚至不需要复杂的操作步骤和严密的流程。所有的设备应能做到即插即用,系统能够自动提供最合适的配置;日常的维护仅仅需要在图形化的监控界面上看一下关键节点设备的运行健康指数和历史运行质量曲线,对于不健康的设备只需要一键操作即可完成修复,对于故障设备只需要重启或者更换一台备机即可。

     基于以上特征,目前云视频监控系统主要从以下五个层面来体现:

     一是资源层。其应能够形成分布在不同地域、不同网络区域、不同用途、分属不同建设单位的视频资源云。这些资源可根据应用需求进行安全有序的共享,大大提高视频资源的利用效率。

     二是传输层。其应能够提供跨越多个网络区域、多种网络结构的视频云传输网络,通过合理的路由规划和网络安全措施,在保证网络安全的前提下保证视频信息传输的流畅性,网络节点之间的传输应该是多路由的,有效回避网络节点故障。

     三是存储层。其应能够提供高可靠、高安全、支持大并发视频服务的视频云存储服务,自动负载均衡,支持从设备内到设备间系统级别的冗余机制,能够针对不同的视频提供不同级别的存储冗余。

     四是管理与服务层。其应能够提供不间断的、支持大并发量访问、具有可靠容灾能力的视频云管理与服务。视频管理与服务平台是网络视频监控系统的核心,主要承担视频资源管理、视频设备通信、视音频流媒体转发、用户管理和认证等职能。

     五是应用层。其应该能够提供各种个性化的视频云应用,如将非结构化的数字视频抽象为结构化描述的数据,对不同视频编码格式的同步转换,用户所关注视频的个性化标签标注等。

云监控的五层体系架构模型

二、当前应该建设怎样的云监控?

    从当前的发展阶段来看,由于技术和成本的局限性,笔者认为目前云监控系统建设应主要从以下两个方面来实现:

      1.视频信息的云存储

     目前视频有两大应用,一是实时视频,二是历史录像,其中历史录像的应用价值更大,在系统建设时需要重点关注。在大规模、高清视频的背景下,视频存储面临的问题也将更加突出。

     目前视频存储主要是视频编码设备本地硬盘存储(DVR)、网络硬盘视频存储(NVR)和基于磁盘阵列技术的网络集中存储(CVR)。其中CVR由于采用了磁盘阵列技术和专业存储设备—NAS/SAN,相对于NVR存储,硬盘密度更高,并发能力更大,稳定性更好,且具有冗余能力,当个别硬盘故障时不影响录像的完整性。通过对存储设备的统一管理,还能够实现存储设备的N+1或N+M备份,当某台或某几台存储设备发生故障时,能自动切换到备用存储设备继续存储。

     CVR主要是采用流媒体服务写入存储模式,虽然有些工程应用中把IP-NAS/SAN设备作为网络盘直接由视频编码设备写入,相当于编码设备挂接了远程网络硬盘,也应归属于NVR存储模式。

    DVR和NVR主要应用于建构简单、编码设备品牌单一的上百路小规模视频监控系统中,在成千上万路的中大规模视频监控中主要采用的是CVR模式。目前最先进的CVR存储在大规模、大并发高清视频系统中仍然存在不少不可回避的问题:

      (1)可靠性——虽然CVR采用了专业的磁盘阵列设备,采取了N+1或N+M的设备级存储备份机制,但由于必须依赖于流媒体服务器进行视频流的转发写入,流媒体服务器的并发能力、软硬件运行稳定性都可能成为影响存储可靠性的瓶颈所在。

     (2)安全性——当某台存储设备出现故障时,在设备被修复以前所存储的所有视频录像将无法被访问。

     (3)成本——为提高存储可靠性的N+1或N+M存储设备备份机制,需要在满足存储容量以外额外增加备份存储设备,这将提高工程成本。

     (4)视频服务能力——有一路视频甚至某一区域内的视频基本上被集中写入到一台存储设备中,当所在的监控区域发生事件需要很多用户调看大量录像时,设备IO将成为视频服务能力的瓶颈。

     基于以上分析,利用云技术来构建视频云存储系统,提高视频存储的可靠性、安全性和对外服务能力,降低大规模高清视频存储的工程成本,是当前和未来的必然选择。就当前阶段而言,基于网络的视频存储系统要么从属于视频编码设备,如NVR,属于视频编码设备的网络硬盘设备;要么从属于管理服务平台,如CVR是流媒体服务器的一台存储设备,其缺乏应有的独立性。而在大规模高清视频监控系统建设中,无论是相对于整个系统的投资规模还是其重要性,与其当前在系统中所处的地位显然不匹配,因此极有必要建设具有相对独立性的、专业的视频云存储系统。

     数字视频的存储相对于一般结构化数据的存储具有很大的不同,一般结构化数据都是单条的,不仅数据量很小,而且不同数据之间没有绝对的相关性,可以被存储在任何物理位置,查询和读取操作都比较容易实现,无需对其重构。其云存储技术已经十分成熟,如谷歌、阿里巴巴、百度等都拥有自己的云数据存储技术并成功应用到了商业系统中。而数字数据是非结构化数据,数据量很大,同一数字视频的不同数据之间存在严格的关联性,在读取后还需要极其严格的重构。因此目前还没有一项通用的云存储技术能够适应数字视频的存储,某些厂商所宣传的视频云存储产品和方案也仅仅是在通用化磁盘阵列技术的基础上,实现了前面所讲的存储设备冗余备份机制而已。

     那么理想的视频云存储系统是怎么样的?从目前的建设来看,其应由视频存储节点(VSN)、存储控制节点(SCN)和存储管理服务(VSMS)三层架构组成。其中VSN是云存储传统的最基础节点,承担着视频源设备通信和视频流数据处理、分包、硬盘数据写入等基本存储任务。在视频云存储系统中,对于用户来讲,存储节点是完全被虚拟化的,所有的节点设备能够相互监控和备份,形成一个庞大的存储资源池。任何一路视频码流被随机地写入到不同的存储节点的不同硬盘上,并且还能够安全设定冗余级别,每个数据包同时被写到不同的存储空间中,这样就保证了数据写入的效率,提高了每个硬盘的利用率,同时也增强了系统的安全性。

     SCN承担着存储组内存储任务的动态调度,记录每个视频源、每个数据块存储的物理位置,SCN节点服务器之间能自动构建集群,控制节点设备之间的记录数据自动保持同步,相互监视,任意一台或多台节点设备出现故障,系统能自动将任务分配给其它控制节点设备而无需人工干预。当所有节点服务器发生故障时,应不影响存储节点设备的正常视频存储。

     VSMS对所有的存储节点、控制节点和视频源进行管理,接受视频编码设备的自动注册,视频编码设备注册到管理服务器后,由管理服务器按照均衡策略将其分配到相应的存储节点。管理服务器能支持多台服务器集群,所有管理服务器出现故障时,只是无法对外提供视频服务,不会影响到视频存储、自动负载均衡和存储节点故障的自动回避。

     2.视频信息的云管理与服务

     当前视频管理平台是基于数据库构建,所有的视频资源和用户信息都集中在一台数据库上,通过应用服务器提供视频资源的获取和用户登录认证,很难规避单点故障带来的服务终端,一旦数据库损坏将造成灾难性的后果,并发访问能力也不够,在面对上万甚至几十万条视频资源数据时,目录全部加载的等待时间足够让人崩溃。

     设备通信和流媒体服务虽然支持分布式,单点故障不能影响全局的服务,但毕竟还是能影响到所承担的部分视频,而且绝大多数还做不到真正意义上的服务集群和负载均衡,当某个区域发生热点事件时,面对大量的视频访问,该区域视频服务器往往无法支撑服务请求,进而导致设备瘫痪。在大规模视频资源汇集、大并发用户访问的应用场景下,视频云管理与服务也将是必须的。

     视频云管理与服务可以采用目前通用的分布式文件系统技术、应用服务器集群技术和流媒体服务器集群技术来实现,目前已有厂商利用Apache的开源云技术架构来开发视频云管理平台,但其中最为关键的流媒体服务集群和指导负载均衡技术还缺乏令人满意的解决方案。

三、建设云监控需要解决的问题

     目前云监控建设中的挑战主要有:一是关键技术的突破,特别是视频流媒体服务集群和云存储技术,是云监控建设中最为关键的技术。

    目前要实现视频流媒体服务集群,必须解决对视频编码设备连接、通信和转发服务的动态分配和动态级联问题——对于相同的部分视频源,在少量用户请求时,系统先指定某台服务器A负责与设备的连接和通信,并向用户转发视频流,随着用户访问量的增加,流媒体服务器A将无法支撑,系统将自动扩展一台流媒体服务器B来为用户提供转发服务,对于相同的视频源,为了不增加设备端口的压力,服务器B不能再与这些视频源设备建立新的连接,而需要与服务器A形成级联,而对于不同的视频源,服务器B可以建立与设备的连接,因此任何一台服务器在接受视频服务请求时,需要判断该视频是不是已经有服务器与它连接了,当很多台服务器协同工作时,情况会变得比预想复杂得多。同时还需要考虑到临界点和中间态的处理,这时通用的服务器集群技术无法解决问题。

    视频云存储技术也是如此,需要根据负载动态分配视频存储设备和空间,一个视频源的数据将可能被动态地存储到不同存储设备、硬盘和存储块中,同一个视频数据可能会有多个备份,任何一台存储节点故障,其存储的视频源将会被动态地分配到其他节点上,为降低工程成本,系统将不会额外配备备份的存储设备,所有的存储节点都可以相互冗余。这样就需要把视频流数据分成若干个小的数据包,系统能够记录这些数据包存储的位置,根据视频服务请求能随时读取这些数据并以极快的速度重构成完整的视频流。

     二是统一视频编码设备的通信接口协议,包括信令协议和媒体通信协议。视频云存储是基于流媒体写入的存储,而流媒体服务器的存储不仅降低了视频云存储的可靠性,也增加了工程成本。这需要将设备通信和流媒体服务内置到存储设备中,但由于设备通信接口不开放、不统一,厂家所提供的 SDK开发库多数基于Windows操作系统,且很难保证其可靠性,使得代码向存储设备中的移植和可靠运行变得难以实现。好在目前ONVIF协议已经得到越来多主流视频编码设备厂商的支持,GB/T28181也在积极推行当中,这些都为统一设备通信接口协议奠定了基础,也进一步推动了云监控的建设。

编辑:李红莲
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