云存儲在軌道交通視頻監視系統中的運用與研究

茍向元

（浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 海寧 314499）

1 概 述

目前，軌道交通視頻監視系統普遍采用1080P高清IP攝像機，為滿足全高清存儲要求，其視頻碼率一般按4 Mb/s考慮。一條約20個車站的軌道交通線路所需的視頻圖像存儲容量約上萬太字節，若采用4K制式，則存儲量還要增加3倍。為應對如此海量圖像高可靠性的存儲，本文提出了云存儲的技術方案，并進行了相應的闡述和探討。

2 存儲技術簡介

直接連接存儲（Direct Attached Storage，DAS）是指通過專用線纜將外部存儲設備直接連接到服務器上。采用相應的存儲通道技術，外部存儲直接掛在內部總線上，即外部存儲是服務器的一部分[1]。

網絡附加存儲（Network Attached Storage，NAS）是一種文件共享服務。采用一臺專門用于存儲設備管理和存儲文件的服務器，安裝專門的操作系統，網絡中的用戶通過以太網訪問此服務器，此服務器也作為網絡中的一個節點。

存儲區域網絡（Storage Aera Network，SAN）通過網絡連接服務器及存儲設備的構架，專用于用戶與存儲設備間的訪問。SAN又分FC-SAN和IP-SAN，用戶通過專用交換機連接存儲設備[1]。

3 軌道交通視頻監視存儲現狀

在軌道交通中，網絡視頻存儲器（Network Video Recorder，NVR）存儲技術成熟，應用普遍，主要包含SAN（IP-SAN、FC-SAN）存儲技術、NAS存儲技術以及DAS存儲技術幾大類[2]。目前，軌道交通工程一般推薦采用IP-SAN存儲方式，主要原因包括以下3點。

一是DAS方式的存儲擴展性差，有新的需求需單獨配置相應的存儲設備，利用率低，且不同應用服務器面對的存儲數據量不一致，可管理性差，異構化嚴重。二是NAS方式的存儲可通過以太網連接至服務器，也可即插即用，但設備大小限制NAS的擴展性，增加單臺NAS設備容易，但將兩臺NAS設備無縫合并卻很困難。三是SAN的存儲方式與NAS相比，前者是面向海量數據塊的傳輸，后者是一種文件共享服務并提供文件級數據訪問。SAN具有設備易整合、數據易集中以及擴展性強的優點。同為SAN的FCSAN和IP-SAN各有特點，FC-SAN由于FC協議發展時間短，在成熟度和互聯性上無法與以太網相比，兼容性較差，先期設備成本和長期維護成本也較高。IP-SAN基于以太網技術并繼承了其優點，利用高速以太網絡連接服務器及存儲設備將SCSI指令和數據塊經過高速以太網傳輸，建立的存儲資源平臺具有開放、高性能、高可靠性以及高可擴展的特點[3]。

SAN雖然具有良好的擴展性、較快的傳輸速度以及可實現集中管理的特性，滿足了目前軌道交通行業的部分要求，但是卻不能滿足高清視頻高可靠性存儲的需求。

4 軌道交通視頻監視云計算方案建設模式

本方案是指控制中心、車輛段、車站的服務器以及存儲設備等由城市軌道交通統一云平臺統一提供資源池（包括計算、存儲等），即IaaS服務[4]。視頻云存儲方式有集中式云存儲和分布式云存儲兩種。

4.1 集中式云存儲

各車站視頻圖像集中存儲在控制中心云存儲設備上，存儲時間按90天考慮。為防止網絡故障引起的視頻圖像數據丟失，在各車站本地再存儲7天。

4.2 分布式云存儲

在各車站、控制中心或車輛段設置云存儲設備，利用傳輸通道構成視頻存儲網絡，車站視頻圖像通過網絡分散存儲在不同站點的云存儲設備上。

存儲方案比較如表1所示。

表1 存儲方案比較

綜合以上而言，軌道交通視頻監視云存儲方案推薦采用集中式存儲，維護方便，待形成線網規模后多條線統一存儲，滿足未來線網層數據融合和智能應用。

控制中心集中存儲如圖1所示。

圖1 控制中心集中存儲

軌道交通視頻監視云存儲方案推薦采用對象存儲技術，此技術綜合了NAS和SAN的優點，具有數據高速直接訪問的同時還擁有數據共享的優勢，可以為用戶提供海量、安全、高可靠以及低成本的數據存儲方案。

云存儲的核心是軟硬件相互結合，利用軟件來實現存儲設備向存儲服務的轉變。利用云計算的相關技術，如分布式集群和虛擬化等實現系統內設備協同運行與資源虛擬化整合，充分提高硬件資源的利用率。利用簡單易用的管理界面及開放透明的應用接口為視頻監視系統提供高效且可靠的數據存儲服務[5]。

5 云存儲方案的優勢

5.1 可靠性高

云存儲采用多重備份機制，每份數據都至少有一個或多個備份，即使硬盤出現故障也不會引起數據丟失，系統仍會正常運行。而常規視頻存儲方案所采用的RAID技術只保護本地硬盤，RAID6也只允許兩塊硬盤故障，不能保證多塊硬盤故障或者整臺設備的故障，可靠性較低[6]。

5.2 擴展性好

與直接使用硬盤存儲數據不同，云存儲采取的是并行擴容，容量不夠只需采購新的存儲設備，配置好節點網絡地址即可加入系統工作，容量大小可根據用戶需要靈活進行調整。

5.3 易于維護

云管理系統可有效對存儲設備進行管理，包括故障預警和定位等，支持硬盤熱插拔，在系統設備不中斷運行的情況下更換硬盤。云存儲具備數據校驗機制，可有效保證數據安全，允許多塊硬盤損壞后批量更換，再加上集中方式存儲，更減輕了運維人員的工作量。

5.4 數據共享

云存儲集中方式打破了傳統存儲模式信息孤島的問題，尤其是成線網后，更有利于數據融合和智能應用。云存儲運用對象存儲技術，保證數據讀寫性能的前提下又擁有高共享性，視頻相關的智能分析系統可直接讀取數據，不需要通過監視平臺轉發[7]。

6 云存儲的工程實施方案

6.1 容量設計

一條線按20個車站，1個車輛段，1個控制中心考慮，采用1080P高清IP攝像機，視頻碼率按4 Mb/s考慮，控制中心集中存儲90天。車站中每站按120個攝像機考慮，1個車站的存儲容量為120×4×90×24×3 600/8/1 024/1 024≈445 TB，20個車站總計8 900 TB，即8.9 PB。車輛段按360路考慮，存儲容量為1.335 PB。控制中心按500路考慮，存儲容量為1.854 PB。總容量為8.9+1.335+1.854=12.089 PB。

6.2 帶寬設計

視頻云存儲的帶寬需求計算為錄像帶寬+回放帶寬。錄像帶寬考慮10%的余量，回放帶寬通常按錄像帶寬的20%進行估算。錄像帶寬=（攝像頭數×4 Mb/s）×1.1，總帶寬需求為錄像帶寬×1.2。全線攝像頭數為120×20+360+500=3 260個。帶寬總計為（3 260×4）×1.1×1.2=17 212.8 Mb/s。另傳輸系統還需配置相應的保護帶寬保障視頻流的傳輸。

傳輸系統為軌道交通各業務系統，包括視頻監視系統提供可靠冗余的傳輸網絡。鑒于視頻監視系統的帶寬總計已接近18 G以及延伸線接入的需要，并順應智慧城市軌道交通發展的趨勢，控制中心、車輛段以及車站所組成的環采用100 Gb/s的自愈保護環（業務可使用的帶寬50 Gb/s，保護帶寬50 Gb/s）[8]。

6.3 云存儲配置

在實際部署配置中需要考慮到冗余配置，保證云存儲的可靠性。為防止云存儲數據寫滿后需要循環覆蓋，預留10%的緩沖區空間，所需容量為12.089×1.1=13.297 9 PB。

云存儲可以提供多種模式的N+M存儲策略，采用4+1模式存儲利用率為80%，硬盤初始化后實際可以利用的存儲空間為硬盤標稱的90%，整個視頻存儲系統的容量為13.297 9/0.9/0.8≈18.47 PB。

云存儲支持在線擴容，設備不停運的情況下，可動態增加或縮小云存儲系統的容量，因此對于延伸線或新線的接入相當方便，只需增加新的節點，配置好節點的網絡地址即可加入云存儲系統工作[9,10]。

7 結 論

軌道交通視頻監視系統傳統存儲的計算能力與存儲能力是強耦合，任一故障都會導致整節點能力遷移至其他節點，而云存儲是分層耦合，計算能力和存儲能力可獨立調度。云存儲各存儲節點資源共享，形成統一的云存儲資源池，數據可均勻離散分布于各個節點內。傳統存儲上層業務訪問必須通過SDK完成，延長I/O訪問路徑，效率低下，云存儲各種業務通過標準化讀寫接口進行訪問，極大地提升了數據讀寫效率。傳統存儲攝像機與存儲資源有綁定關系，數據固定存儲在某一臺設備上，云存儲無綁定關系，數據離散存儲在多臺設備上。此外，傳統存儲攝像機對應的存儲故障，若存儲業務中斷，如陣列失效，則數據丟失，而云存儲中任意一臺存儲設備故障事，存儲業務不中斷，單點故障數據丟失風險小。

云存儲本質是用軟件來定義硬件，相比傳統存儲已經從一套設備走向一個體系，綜合了各種方式為軌道交通視頻監視系統提供優質高效且安全可靠的存儲服務。