视频监控存储方案架构浅析

1、视频监控系统存储技术白皮书XX 有限公司1 引言 22 监控行业现状及需求分析 32.1 行业现状 32.2 需求分析 63 传统磁盘阵列解决方案 83.1 DVR SCSI TO SATA 磁盘阵列解决方案 83.2 DVR 网络解决下载方案 93.3 DVS SCSI TO SATA 磁盘阵列解决方案 114 集中存储 ISCSI 磁盘阵列解决方案 134.1 三种存储架构比较 134.2 采用存储局域网络SAN 154.3 IP 存储网络 164.4 DVS + iSCSI to SATA磁盘阵歹U解决方案 174.5 方案优势 185 DVR/NVR+ 带有扩展功能的 ISCSI 存储

2、 215.1 特有的带有扩展功能的 ISCSI 存储 215.2 具体解决方案 21一 引言视频监控作为一种重要的安防手段已经有很长的发展历史，随着技术的发展，摄像机的精度越来越高，对于前端设备的控制也越来越方便，可以说，在模拟信号传输的环境下监控系统是一项较为成熟的技术。 随着计算机技术的迅速发展和推广， 使世界掀起一股强大的数字化浪潮， 几乎所有的产业都被卷入这股浪潮中， 数字化以其独特的先进性、 强大的扩充性等诸多特点成为世界产业发展的一个基本的规律。安防产业在中国作为一个相对新兴的产业， 可以说在其迅速扩展式发展的二十一世纪初便深深打上了数字化的烙印， 作为安防产业的核心， 闭路监控更

3、是首当其冲， 2000 和 2001 年兴起的硬盘录像机的飞速发展就是对数字监控（即硬盘录像机）的一个市场性的反映，由于数字监控正处于一种过渡阶段，由数字监控取代传统技术派生出的许多新功能正在逐渐成为视频监控的主流技术。22二监控行业现状及需求分析2.1行业现状视频监控系统的发展大致经历了三个阶段。 在九十年代初以前，主要是以模 拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年代中期，随 着计算机处理能力的提高和视频技术的发展， 人们利用计算机的高速数据处理能 力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示， 从而 大大提高了图像质量，这种基于 P C机的多媒体主

4、控台（DVR系统称为第二代 数字化本地视频监控系统。九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储 容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化 的网络时代，称为第三代远程视频监控系统。第三代视频监控系统以网络为依托， 以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色， 引发了视频监控行业的技术革命。目前国内大部分用户采用的还是 DVR真式。主要用于楼宇等监控点非常集中 的领域，随着目前公安部对于安放监控系统性能要求的提高，DVR&渐渐不能满足其需求（例如录像需要保持至少30天）。而DVRK统的稳定性也让越来越多的 用户开始选择第三代监控系

5、统来实现安防管理。下表是对目前市面上比较流行的三种方式（DVR DVS IP camera）的有缺 点以及使用环境比较。S-优点W缺点P-适用环境DVR本机操作功能丰富，支持本地存储网络功能弱，扩展性差适合本地监控需求、监控点密度局的场合。DVS体积小巧、网络功能强大， 网络扩展性好，适合在野 外、无人值守条件卜，作本地操作功能简化，不支持本地存储。适合于分布监控、集中管理的网络监控。IPCamera集Camera与DVS功能身，施工、维护方便网络性能相对于DVSt弱， 市场上可选择的高性能的IP Camera较少，无法任意选配、更换摄像头。企业网及民用低端市场。下图为使用硬盘录像机监控的拓扑

6、结构图k昭加 加ini质 W 便2幺、路彼就录僚机图一、DVR监控方案拓扑结构图但是多数客户需要监控的点很多，超过32路，这样每天产生的数字录像量 很大，并且根据客户需要保存录像的时间为一个月， 单台数字录像机本机所配的 硬盘无法满足数据存储容量的需求。如果使用多台数字录像机来完成所需的工 作，会带来一些问题。因此，对于传统的 DVR体系架构，我们认为存在以下几 个弊端：1、 传统DVR的存储方式使用本机 ATA硬盘，由于ATA硬盘本身的耐用性不 是很高，而一般监控都是7X 24的写入操作，ATA硬盘很容易损坏，再加 上没有RAID保护机制，监控数据将丢失，有着严重的数据安全隐患问题。2、 传

7、统DVR方式，录像设备和录像数据都存放在一体，容易产生单点故障， 即DVR出现故障存储的监控文件也一起丢失。3、 对数据的访问完全依赖 DVR 的处理速度， 如果多点同时对视频数据进行点播及回放， DVR 既要处理点播回放，又要处理模数转换，同时还要进行数据存储，很可能造成性能瓶颈。4、 硬盘录像机没有统一的格式标准，不同厂家的硬盘录像机不能相互回放。5、 由于 DVR 集视频压缩、录像、管理于一体，提升了其单点故障率。针对上述问题，我们需要对现有的监控架构进行一些改进，后面我们将对几种改进后的监控架构进行详细的描述。2.2 需求分析对于大规模的监控系统，特别像平安城市这样的项目，前端摄像头一

8、般要在 1000 路以上，录像保有时间需要在至少一个月以上。所以从系统需求上有了质的变化，不能再像几十个摄像头的系统，因此，它必须具备下面的功能：存储相对集中化，管理绝对集中化传统 DVR 将数据存储分布在每台 DVR 当中，调用和管理极为不便。因此，需要将所有数据集中存储在同一设备当中， 监控录像的调用和视频数据的备份都可以方便得以实现。 同时， 存储集中化之后， 可以在本地或者远程的同一管理平台下管理所有存储设备，大大简化了监控系统的管理成本。数据安全性传统 DVR 使用的硬盘，没有任何数据保护机制，一旦硬盘损坏数据将无法恢复， 这样则失去了监控本身的意义。 因此， 要有一套安全机制很高的

9、方案将数据的安全有力的保护起来， 可以在硬盘损坏的情况下实现数据的恢复。 从存储设备本身需要有严密的保障措施，尽量减少故障点；另外，一旦出现单点故障后，监控系统能够持续运行， 并能在线的恢复正常。 此外， 还可以通过备份或者容灾技术增加系统的整体的安全性，进一步提高系统的可靠性。高性能由于大型监控系统一般摄像头路数较多， 需要同时多路摄像头同时将数据写入存储设备， 并且同时有多路服务器可能读取数据， 总的带宽要求比较大， 并发 访问数量较多，因此对后端存储设备提供较高的性能来满足这种需求。随需扩展传统 DVR 是不能随意扩展的， 一般 8 块硬盘已经满负荷了。 而监控系统在初始完成之后， 可能

10、随着需求的增加， 数据量也会随之增加， 这就需要存储系统 有良好的可扩展性来保证系统业务的持续运行。根据以上几点对监控行业的需求分析， 我们推荐使用磁盘阵列来满足这些需求。 而使用磁盘阵列也有着不同的体系架构， 下面我们将针对使用磁盘阵列技术的不同架构进行进一步的分析和讨论。三传统磁盘阵列解决方案3.1 DVR + SCSI to SATA 磁盘阵列解决方案N路前端视频采集设备采用N 伯同辆电统传输视顺信号远程曾埋针算机图二、DVR + SCSI to SATA磁盘阵列方案拓扑结构图本方案使用DVR + SCSI to SATA磁盘阵列的监控方式。SCSI to SATA磁盘 阵列对主机端口为

11、SCSI端口，阵列内部使用SATA硬盘，DVR与磁盘阵列通过 SCSI相连，具体连接方式如上图所示。1、 前端多路监控摄像头捕捉到视频流通过同轴电缆将信号直接传输到DVR上。2、 DVR设备将模拟信号转换为数字信号进行视频数据的存储，将 视频文件存储到通过SCSI连接的磁盘阵列中，达到 DVR存储 容量扩充的目的。3、 远程客户端可以通过以太网访问 DVR进行录像回放。万案特点：? 可以多台DVR同时连接一台磁盘阵列，部分实现了数据集中存储，管 理和维护相对有所简化。? 使用磁盘阵列存储数据，将录像设备和录像数据分开，避免了单点故障， 从应用角度上提高了数据的安全级别。? DVR本身使用ATA

12、硬盘，不能做RAID保护，而使用磁盘阵列使用SATA硬盘，并且可以通过 RAID保护机制对视频数据进行安全保护，而且性 能更好，从存储角度提高了数据的安全级别。方案缺点：? 由于视频点播、模数转换、数据存储功能还是都有DVR来实现，因此DVR本身性能瓶颈的问题没有得到解决。? 由于对数据的处理还是依赖 DVR设备，一旦DVR设备出现故障，将无 法访问所需数据。? 由于DVR本身ATA硬盘还存放一定的监控数据，对于这部分数据依然 有安全隐患问题。3.2 DVR +网络解决下载方案医招龚像事生7矩、踽八 榄叔Q J分配 蹄M 台 NMDVR5视期，悔塞山叫痛图三、DVR +网络下载方案拓扑结构图本

13、方案使用DVR +网络下载方案的监控方式。SCSI to SATA磁盘阵列连接 网络下载服务器，DVR与下载服务器连入同一网络中，具体连接方式如上图所 示。1、 前端多路监控摄像头捕捉到视频流进入光端机，通过光纤传输将模拟信号传递到中心。2、 通过视频分配器， 将每一路视频信号分一路给视频矩阵， 视频矩阵将模拟信号的视频流直接通过显示大屏，实现实时监控。3、 视频分配器分另一路给DVR ， 由 DVR 负责进行模数转换。 并进行录像存储。4、 定期由录像下载服务器从DVR 处备份视频录像数据到磁盘阵列，并建立新的录像文件索引。5、 查看过往录像的时候， 查询端直接从录像下载服务器获取录像文件在

14、 SCSI 的地址，进行播放（需预装录像DVR 的解码器） 。-r' /Lr-P I*方案特点：? 将监控数据集中存储到下载服务器端，将视频点播、数据存储功能转移到下载服务器端，解决了 DVR 本身存储容量不足的问题。? 由于大部分数据存放在下载服务器端，大大较少了对DVR 的依赖性，如果 DVR 设备出现故障，可以从下载服务器中访问绝大部分数据。? 对于多台 DVR 大数据量需要存储的情况，可以使用一台下载服务器连接多台磁盘阵列，对多台 DVR 进行下载，使得数据存储更加集中化，更加方便管理和维护。方案缺点：? 由于下载服务器需要定时下载DVR 上的数据，又要提供视频点播的功能，这些

15、都需要通过网络实现，因此对网络带宽要求较高。? 由于 DVR 本身 ATA 硬盘还存放一定的监控数据，对于这部分数据依然有安全隐患问题。? 录像文件的播出还是要依赖 DVR 厂家提供的解码器。? DVR 在录像的同时还需要完成传输工作，增加了 DVR 的负担。3.3 DVS+SCSI to SATA 磁盘阵列解决方案前端抑崎味策"备模拟信号部分数字信号部分图四、DVSSCSI to SATA磁盘阵列解决方案拓扑结构图本方案使用DVS+ SCSI to SATA磁盘阵列的监控方式，相对前面两种方案，DVS的方案已经可以在大规模监控系统中投入应用。SCSI to SATA磁盘阵列与管理服

16、务器是点对点相连，具体连接方式如上图所示1、 前端多路监控摄像头捕捉到视频流进入光端机，通过光纤传输将模拟信号传递到中心。2、 通过视频分配器，将每一路视频信号分一路给视频矩阵， 视频矩阵将模拟信号的视频流直接通过显示大屏，实现实时监控。3、 另一路视频流进入DVS设备，DVS将模拟视频信号编码压缩成数字信号形成IP数据包在以太网上进行传输。后端视频存储服 务器通过SCSI线分别与磁盘阵列相连，其上的存储控制软件通 过千兆以太网接收各路视频数据，然后通过 SCSI卡将各路视频 数据存入SCSI to SATA磁盘阵列柜中。4、 终端用户可以通过各种方式连接于网络中，通过DVS 服务器，对所有的

17、 DVS 进行实时视频查看。5、 终端用户可以通过以太网访问存储管理服务器的数据库来对监控录像进行视频点播。-r' /Lr-P I*方案特点：? 使用 DVS 设备， 从架构上有了本质的改变， 将前端摄像头的模拟信号转换为数据信号，通过现有的以太网络进行视频传输。这种方式充分利用现有网络资源，大大简化了前端布线的工程。? 由于通过 DVS 设备在前端就进行了模数转换，在 IP 网络进行数字信号的传输，完全无需依赖DVR 进行存储和访问数据，彻底消除了性能瓶颈问题。? 通过使用磁盘阵列，提高了数据存储的安全性，磁盘阵列使用 SATA 硬 盘，并且可以通过RAID 保护机制对视频数据进行安

18、全保护，而且性能更好。? 一台管理服务器通过DVS 管理软件可以管理多路摄像头的监控， 如果监控路数更多，可以通过增加服务器方式来实现对所有监控点的管理，使得数据存储更加集中化，更加方便管理和维护。方案缺点：使用 SCSI 接口磁盘阵列与管理服务器进行连接， 由于 SCSI 本身不易于扩展，而一台服务器连接SCSI 磁盘阵列数量有限，因此当数量继续增加则需要添加管理服务器来连接增加的磁盘阵列， 从管理上一定程度上增加了复杂度，另外成本也有所增加。四集中存储iSCSI磁盘阵列解决方案4.1 三种存储架构比较目前主要的存储架构有DAS、NAS、SAN三种方式，下面分别描述一下三 种方式的工作模式。

19、DAS (Direct Attached Storage)直接连接存储。它是服务器通过 SCSI直接 连接外置存储设备，主要是为了提供比服务器本机硬盘更高的性能、更安全的保 护和一定的扩展性。拓扑图如下：LANSCSIDAS光歼线线光纤DAS光纤船盘 阵列像传统的视频解决方案都是使用这种连接方式， 这种方式使用比较成熟、稳 定，性能也很好，它对于分布式的存储是一个比较好的解决方案。但是 DAS无 法提供跨平台的支持，配置上严重依赖所连接的服务器， 所以管理成本很高。当 需要扩容重新做raid的时候，一般需要宕机，会影响网络服务。NAS (Network Attached Storage )网络

20、附着存储。 它的主要特征是通过把 存储设备和网络接口集成在一起， 直接通过网络存取数据。也就是把存储功能从 通用文件服务器中分离出来，使其更加专门化，从而提高文件访问服务的存取效 率，以及更低的存储成本。网络拓扑图如下：NAS主要应用是提供文件访问，而不能安装数据库。一般用于公司内部的 个人文件存储，共享资料存储等。但由于它使用以太网的CIFS协议或NFS协议, 因此文件存取效率不是很高，不适于持续码流传输的应用。另外 NAS提供的是 网络映射硬盘，不是直接写入的block设备，因此对于视频监控存储整体架构的 支持还存在兼容性问题，同样无法实现视频数据集中存储的需求。SAN (Storage

21、Area Network )存储区域网络。SAN是一种基于光网的特殊 的后台数据存取网络，它提供了一个性能稳定的数据高速存取平台。 拓扑结构图 如下：SAN的主要功能就是实现集中存储，它将存储通过交换机构成一个大的存 储池，可以实现集中管理、集中存放、集中调用等功能，是视频监控系统中最适合集中存储的架构。 目前 SAN 架构又分为 FC SAN 和 IP SAN 两种， 从监控应用的需求角度出发， IP SAN 从性能和价格上比较适合监控应用，我们在后面的章节将阐述 IP SAN 的优势以及基于IP SAN 的视频监控解决方案。4.2 采用存储局域网络SANSAN ( Storage Area

22、 Network ，存储区域网络)是一个由存储设备和系统部件构成的网络。 所有的通信都在一个与应用网络隔离的单独的网络上完成， 可以被用来集中和共享存储资源。 SAN 不但提供了对数据设备的高性能连接，提高了数据备份速度，还增加了对存储系统的冗余连接， 提供了对高可用群集系统的支持。简单地说，SAN 是关联存储设备和服务器的网络。它和以太网有类似的架构。以太网由服务器、以太网卡、以太网集线器/交换机及工作站组成。 SAN则由服务器、 HBA 卡、集线器/交换机和存储装置所组成。SAN 主要包含 FC-SAN 和 IP-SAN 两种， FC-SAN 的网络介质为光纤通道(Fiber Channe

23、l),而IP-SAN使用标准的以太网，以iSCSI协议来进行数据传输。 IP-SAN 适用于分布式的部门级和工作组环境，能够实现完全跨平台文件共享，支持 Windows、NT、UNIX (Linux)等操作系统，数据可在以太网上进行传输，且安全功能丰富，是比 FC-SAN 功能更加完善的存储区域网。存储局域网络是建立在服务器集群和存储设备之间的网络，给服务器集群提供集中式的共享的存储空间，便于管理； SAN 的优点可归纳为下几点：? SAN 存储系统扩展性好、升级能力强，投资保护性好。? 实现了存储系统支持数据集中式管理， 相关业务系统或全部的应用系统存储系统合并为统一的存储系统。? 采用开放

24、式的体系结构， 支持多种系统平台的接入， 亦即实现跨平台操作。? 提供包括存储介质、接口设备及连接链路的冗余支持。? 向网络客户端和应用服务器提供高效可靠的数据存储服务时， 同时对应用系统的运行效率和网络的速度不会产生明显的影响 。4.3 IP 存储网络FC SAN 的系统包括光纤通道卡， 光纤线，光纤通道交换机等，而像光纤通道卡、 以及每个光纤通道交换机端口的价格是普通千兆以太网的 10 至 20倍以上，加上光纤的铺设在中国大部分地区的铺设不普及，整个系统的建设费用非常昂贵。IP SAN 是近些年来新兴的网络存储技术，它希望用 TCP/IP 以太网替代光纤通道网络。 IP SAN 的好处在于

25、：使用以太网络，保护了用户现有的投资；以太网系统造价低； 以太网是成熟的技术， 具有良好的兼容性； 以太网络可以扩展到远端，便于系统的做远程的容灾备份；以太网上现有的软件也可以直接使用，例如IP SAN可以直接加上IP sec软件，以达到存储网络加密的目的；千兆以太网络的广泛使用，也使得 IP SAN 的性能得到提高。总之，采用 IP SAN 存储网 络，可以达到好兼容性和最高的性能价格比。IP SAN 使用的是 iSCSI 协议。 iSCSI (Internet SCSI )是一种在Internet 协议网络上，特别是以太网上进行数据块传输的标准。它是由 Cisco 和 IBM 两家发起的，

26、并且得到了 IP 存储技术拥护者的大力支持。是一个供硬件设备使用的可以在 IP 协议上层运行的 SCSI 指令集。简单地说， iSCSI 可以实现在IP 网络上运行 SCSI 协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。4.4 DVS +iSCSI to SATA 磁盘阵列解决方案模拟信号部分数字信号部分图五、DVS iSCSI to SATA磁盘阵列解决方案拓扑结构图本方案使用DVS+iSCSI to SATA磁盘阵列的监控方式。iSCSI to SATA磁盘 阵列通过以太网交换机与服务器相连，具体连接方式如上图所示。1、 前端多路监控摄像头捕捉到视频流进入光端机，通过光纤传输将模拟信

27、号传递到中心。2、 通过视频分配器，将每一路视频信号分一路给视频矩阵， 视频矩阵将模拟信号的视频流直接通过显示大屏，实现实时监控。3、 另一路视频流进入视频服务器（DVS）,视频服务器（DVS）将模拟视频信号编码压缩成数字信号并形成 IP数据包在以太网上 进行传输至视频管理服务器，通过视频管理服务器写入后端的 iSCSI磁盘阵列中。同时建立视频录像索引。这种方式从性能和成本上都大大超越之前的方案。4、 远程客户端可以通过以太网访问视频存储服务器的数据库来对监控录像进行视频点播。5、 由于采用iSCSI 盘阵， 所以存储服务器在理论上可以连接不限数量的盘阵，在扩容方面具备极大的优势。-r'

28、; /Lr-P I*方案特点：DVS + iSCSI to SATA磁盘阵列方案和 DVS + SCSI to SATA磁盘阵列方案基 本相同，所不同的就是在存储结构上使用的是将 SCSI命令放在IP包中进行传输， 从而实现 BLOCK I/O 的访问。? 这种方式实现灵活方便， 部署简单， 可以利用现有网络资源， 形成一个 IP SAN 的存储架构。? 前端DVS 通过以太网直接写入iSCSI 磁盘阵列当中， 无需服务器的干预，节省了系统总体成本，提高了系统性能。? 使用IP 协议进行数据传输，没有距离限制。? 通过以太网交换机与主机连接，可以实现容量的无限扩容。4.5 方案优势本方案是根据

29、我公司多年经验， 并结合监控行业自身特点而形成的。 它很适合大规模视频监控项目的应用，方案优势主要体现在以下几点：针对视频监控行业专用的存储系统针对视频监控应用的特点， 我们对所推出的存储系统进行了优化。 监控应用主要是以一定码流多路并发写入，并伴随随机读取的的存储应用。一般在D1 分辨率的码流为 2Mb/s ， CIF 分辨率的码流则为 800Kb/s 左右。在 D1 分辨率的情况下，一般视频流一次IO 最大块为 128Kb ，因此 100 路需要写入的 IO 次数为2Mb/s+128KbX 100= 1562.5 IOps ,而吞吐率为 2Mb/sX 100+8 = 25MB/So而我公司

30、单台S800系列iSCSI磁盘阵列在128Kb顺序码流写入时吞吐率实测数据为 200MB/s 以上，完全满足 D1 分辨率下码流的需求；我公司单台 S800系列iSCSI磁盘阵列在128Kb顺序码流写入的IOps实测数据在5000以上，足够 相应 1500 多个 IO 的需求，完全满足大型视频监控系统的需求。随需扩容，无限扩展成都中安视S800系列磁盘阵列 采用目前先进的IP SAN存储架构，可以实现存储容量的高可扩充性。 在系统监控点增多， 存储需求也随即增长， 如现有容量不足，可以简单的购买更多的 iSCSI 磁盘阵列联入以太网交换机进行容量扩充。如果增加了磁盘阵列数量，意味着写入路数分配

31、到了不同的磁盘阵列当中，随着容量的扩展，系统性能也有了较大的提升。我们以D1分辨率，100路摄像头7X24写入，并保存30天为例。所需存储容量计算公式为：100（路）X 30（天）X 24（小时）X 3600（秒）X 2,000,000（bps 码流）+ （8 X 1000 X 1000 X 1000 X 1000）（单位 T 容量） = 64.8TB而一台16盘位的iSCSI磁盘阵列的容量为32TB （配置2TB SATA硬盘）， 因此大约需要2 台磁盘阵列可以满足该存储需求，可以置于一个机柜中。友好易用的中文管理平台易管理和使用是也是城市监控存储系统的一个基本要求。成都中安视S800系列磁盘阵列产品的管理系统是面向用户设计的全中文的管理系统。 而且业界最先进的基于浏览器的管理方法，在客户端无需安装任何软件。根据我们的经验，管理员可以在15 到 20 分钟内，就轻松掌握整体系统的使用和管理。高安全性提升数据的安全级别成都中安视S800 系列磁盘阵列的存储方案中，数据存储采用业界先进的RAID6 技术。以往的 RAID5 技术是在