夏偉 吳翔 張文超

摘要：高清視頻圖像資源需求逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致智慧城市存儲系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不足、數(shù)據(jù)檢索慢、數(shù)據(jù)管理分散等問題。基于此，文章介紹了安防云存儲技術(shù)的概念及特點(diǎn)，詳細(xì)分析了如何實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜信息的統(tǒng)一存儲、分布式存儲資源的統(tǒng)一管理、海量數(shù)據(jù)的分析和快速檢索，并結(jié)合智慧城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，探討了應(yīng)用安防云存儲技術(shù)的路徑。

關(guān)鍵詞：云存儲技術(shù)；視頻監(jiān)控系統(tǒng)；智慧城市

中圖分類號：TN948.6? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，智慧城市高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模快速擴(kuò)大。傳統(tǒng)的DVR或NVR存儲已經(jīng)難以滿足大規(guī)模集中存儲的要求。大規(guī)模的IP SAN集中存儲建設(shè)已經(jīng)成為主流。隨著視頻、圖片、數(shù)據(jù)等信息的快速增長，海量數(shù)據(jù)的快速檢索需求對存儲系統(tǒng)的性能提出了更高的需求，基于云存儲的解決方案也已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。視頻存儲設(shè)備是整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基石，提升存儲設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，會大大提升整個監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)載和吞吐能力，同時也能適應(yīng)高清和智能監(jiān)控的需要。

1 安防云存儲的概念及特點(diǎn)

1.1 安防云存儲的概念

“云”是一種“資源池”，由一些可以自我維護(hù)和管理的虛擬計(jì)算資源構(gòu)成，通常是一些大型服務(wù)器集群，包括計(jì)算服務(wù)器、存儲服務(wù)器、寬帶資源、軟件和應(yīng)用等。安防云存儲是指針對安防行業(yè)視頻圖片業(yè)務(wù)場景進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，基于分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的文件存儲系統(tǒng)可以提供對象語義或文件語義。

云存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型包括存儲層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層3個層次。

存儲層是DAS、NAS、SAN等物理存儲設(shè)備，也是云存儲架構(gòu)的最基本層。

基礎(chǔ)管理層通過集群、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云存儲中多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作，集合了多種存儲設(shè)備的性能對外提供服務(wù)。

應(yīng)用接口層提供多種存儲接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入和各系統(tǒng)之間的對接。

1.2 安防云存儲的技術(shù)特點(diǎn)

（1）拓展性強(qiáng)，采用云存儲技術(shù)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無縫在線擴(kuò)展。集群存儲系統(tǒng)，已經(jīng)突破了NAS、SAN、等傳統(tǒng)產(chǎn)品的各種限制，真正實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)的云存儲管理。（2）高可靠的跨節(jié)點(diǎn)冗余［1］，提供整體高可靠性。采用獨(dú)特的冗余算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，保證數(shù)據(jù)與冗余數(shù)據(jù)分配到集群的不同的機(jī)器上，避免系統(tǒng)中任何部件損壞、服務(wù)器損壞、網(wǎng)卡損壞，均可保證數(shù)據(jù)安全可靠并自行恢復(fù)到健康節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)不受影響無需停機(jī)維護(hù)。此外，提供高聚合帶寬，滿足高并發(fā)音視頻點(diǎn)播需要。

2 智慧城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲中遇到的問題

大規(guī)模數(shù)字化高清智慧城市系統(tǒng)的建設(shè)涉及海量視頻、圖片等信息的采集、存儲、分析和使用過程。

隨著智慧城市對于高清視頻圖像資源應(yīng)用需求的不斷提升，對于存儲系統(tǒng)的需求已經(jīng)不僅僅是提供大容量的可靠性存儲［2］。更重要的是需要實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜信息的統(tǒng)一存儲、分布式存儲資源的統(tǒng)一管理、高效及可靠地實(shí)現(xiàn)大量信息的記錄、實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分析和快速檢索。視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲中常會遇到如下問題。

2.1 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不足

傳統(tǒng)存儲設(shè)備采用的是NVR、IPSAN磁盤陣列等設(shè)備堆疊方式，各存儲設(shè)備之間相互獨(dú)立，缺乏冗余機(jī)制，單臺設(shè)備故障情況下會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)而影響到存儲數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢索慢

智慧城市監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模式已經(jīng)越來越復(fù)雜，不僅僅包括視頻監(jiān)控存儲，還包含高清卡口、電子警察和社會資源等視頻、圖片、信息的存儲［3］，在復(fù)雜的海量信息當(dāng)中查詢并提取出有效信息也會越來越困難，而檢索的效率與存儲架構(gòu)和文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接相關(guān)。

2.3 數(shù)據(jù)管理分散

由于數(shù)據(jù)包含視頻、圖片、信息，而管理系統(tǒng)分別對應(yīng)多種數(shù)據(jù)系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間相互孤立，缺乏有效聯(lián)動，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的有效管理。

2.4 磁盤故障率高

近年來，磁盤容量急劇增大，大容量磁盤在帶來高性價比的同時，也使得磁盤數(shù)據(jù)的安全問題愈加明顯，其中最突出的就是磁盤故障率過高。磁盤的制造過程十分復(fù)雜，工藝十分精密，過度的碰撞和長期工作在震動環(huán)境下極易造成磁盤盤片與磁頭結(jié)合不嚴(yán)密，甚至有磁頭斷裂的現(xiàn)象。如果磁盤在工作時所受到的沖擊和振動超出了磁盤所能承受的范圍，磁盤的磁頭就會撞擊其磁盤面，導(dǎo)致磁盤面受損，磁盤失效。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，機(jī)械損傷造成的失效磁盤數(shù)量約占失效磁盤總數(shù)的一半。

3 安防云存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

安防云存儲系統(tǒng)是基于分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，原理是將數(shù)據(jù)分散在所有的存儲節(jié)點(diǎn)上，并且由云存儲客戶端直接與存儲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫通道的鏈接［4］，使云存儲服務(wù)器在數(shù)據(jù)存儲與讀取過程中，同時會有多臺存儲服務(wù)器對應(yīng)用服務(wù)器的需求進(jìn)行響應(yīng)，形成一個多對多數(shù)據(jù)訪問通道，大大提升數(shù)據(jù)讀寫帶寬，提高計(jì)算工作效率，Ceph采用Crush算法替代分布表，最大化地分離數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)管理，緩解Hash算法處理存儲設(shè)備增刪時帶來的數(shù)據(jù)遷移問題。其中，關(guān)鍵技術(shù)涉及以下幾個方面。

3.1 數(shù)據(jù)切片和I/O聚合帶寬

以寫入一段0～30min的錄像文件為例，當(dāng)寫入模式為非冗余模式，元數(shù)據(jù)的調(diào)度策略為配置成離散分布模式，此時數(shù)據(jù)會根據(jù)分片策略，如5min粒度，分散寫入不同的存儲節(jié)點(diǎn)，讀取該文件時客戶端會從云存儲數(shù)據(jù)管理服務(wù)器中獲取到該文件的映射模式，并發(fā)地從多個存儲節(jié)點(diǎn)中同時讀取，形成類似迅雷下載一樣的并發(fā)效果，成倍提升讀取速率，這種模式對讀取而言完全是一種線性的帶寬和計(jì)算能力聚合的過程。非冗余策略的另一個優(yōu)勢是，由于數(shù)據(jù)的離散分布，避免了對某一個客戶端數(shù)據(jù)分布過于集中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效時損失過大的問題。存儲節(jié)點(diǎn)I/O聚合帶寬，云存儲系統(tǒng)中大量的數(shù)據(jù)I/O請求都被分散到多臺存儲節(jié)點(diǎn)上，使得所有的存儲節(jié)點(diǎn)上的磁盤性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬都可以同時得到充分利用，這樣云存儲系統(tǒng)的聚合帶寬由多臺的存儲服務(wù)器上的I/O帶寬相加而成，可以滿足多臺計(jì)算應(yīng)用節(jié)點(diǎn)并發(fā)訪問的帶寬需求。I/O聚合帶寬如圖 1所示。

3.2 海量數(shù)據(jù)分布存儲技術(shù)

由于監(jiān)控原始視頻圖片源源不斷產(chǎn)生，為了保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，需要應(yīng)用全棧對象存儲支撐技術(shù)。對于圖片存儲而言，由于其海量元數(shù)據(jù)、訪問性能、存儲效率等方面面臨巨大的挑戰(zhàn)，通過元數(shù)據(jù)壓縮編址、序列化命令隊(duì)列（Serialization Command Queue， SCQ）等技術(shù)，可以提高圖片存儲吞吐量并達(dá)到視頻存儲的速率要求，且通過直接尋址技術(shù)，可有效解決海量圖片的快速檢索問題。

3.3 海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

目前主流云存儲系統(tǒng)由如下組件組成，元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器（Mdserver）、存儲數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)（Ndserver）、存儲服務(wù)客戶端（ClientAPI）。這種分層管理技術(shù)，引入智能路由（元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器能智能地根據(jù)最短最優(yōu)以及存儲服務(wù)質(zhì)量評價技術(shù)來選擇存儲路徑），并通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使得單個存儲節(jié)點(diǎn)性能最大化。同時，極大地降低元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的負(fù)荷，使得單臺元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器能管理上千臺存儲節(jié)點(diǎn)，而且在中心存儲管理節(jié)點(diǎn)異常的情況下，存儲業(yè)務(wù)也能維持不中斷。數(shù)據(jù)分層管理技術(shù)如圖2所示。

3.4 防震、防塵、防腐蝕技術(shù)

磁盤的制造過程十分復(fù)雜，工藝十分精密，雖然各大磁盤廠商都在磁盤中加入了防震抗摔功能，但碰撞和震動依然是困擾磁盤的幾大殺手之一。因此，在使用3.5 inch磁盤時必須盡量減少外界沖擊振動對磁盤的傷害。

3.4.1 在磁盤模塊結(jié)構(gòu)件上做減震措施

磁盤減振結(jié)構(gòu)如圖3所示，在拉手條和磁盤之間加有一條緩沖墊，稱之為阻尼減振墊片，阻尼減振墊片是由一種能夠吸收沖擊和振動的彈性體材料做成的，隔斷了從拉手傳到磁盤的震動。

3.4.2 風(fēng)扇模塊的減震

在PCB固定支架（圖4中透明零件）與風(fēng)扇盒底座之間也有緩沖墊，即黃色橢圓形標(biāo)示的零件。風(fēng)扇的震動傳到風(fēng)扇盒底座，由于緩沖墊的作用，震動不能傳遞到PCB支架、PCB以及背板，因此不會影響到磁盤，到達(dá)防震的作用。

3.4.3 防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

灰塵也是磁盤應(yīng)用中遇到的比較多的問題，有些環(huán)境比較惡劣，灰塵較多，導(dǎo)致磁盤及板上器件堆積灰塵，從而導(dǎo)致設(shè)備和磁盤工作不正常或者失效。

為了防止嚴(yán)重的粉塵造成磁盤故障率偏高現(xiàn)象，在入風(fēng)口面板處設(shè)計(jì)可更換的防塵網(wǎng)，當(dāng)防塵網(wǎng)堵塞嚴(yán)重時，系統(tǒng)檢測到磁盤溫度偏高，會發(fā)出告警。

4 安防云存儲技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

智慧城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)是為公安、交警、政府等部門提供基礎(chǔ)視頻圖像來源，視頻存儲作為圖像數(shù)據(jù)和報警事件記錄的基礎(chǔ)載體。大容量、高并發(fā)的視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)并不是存儲設(shè)備的簡單堆積。依托于云存儲技術(shù)應(yīng)用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，更高的存儲設(shè)備容量能夠有效應(yīng)對當(dāng)前數(shù)據(jù)海量化、快速增長的趨勢［5］。

為解決視頻、圖片等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲的安全性、穩(wěn)定性等問題，提升數(shù)據(jù)的檢索能力，本文引入云存儲技術(shù)提升系統(tǒng)的可靠性和效率，實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜信息的統(tǒng)一存儲，分布式存儲資源的統(tǒng)一管理，高效及可靠地實(shí)現(xiàn)大量信息的記錄，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速檢索和分析。因此，安防云存儲技術(shù)可在全國范圍內(nèi)智慧城市中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 李春燕編輯）

Application of cloud storage technology in smart city monitoring system

Xia? Wei， Wu? Xiang， Zhang? Wenchao

（School of Electrical and Electronic Engineering，Wuhan Institute of Shipbuilding Technology， Wuhan 430050， China）

Abstract：? With the expansion of the demand for high-definition video image resources， the data stability of the smart city storage system is insufficient， the data retrieval is slow， and the data management is scattered. Based on this， the article introduces security cloud storage technology， detailed analysis of how to achieve a variety of complex information unified storage， unified management of distributed storage resources， mass data analysis and rapid retrieval， and combined with the actual needs of smart city video surveillance system， discusses the application of security cloud storage technology path

Key words： cloud storage technology; video surveillance system; smart city