城市轨道交通视频云存储方案研究

李 鹏

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 视频存储的现状

视频存储在安防行业的发展过程中经历了磁带存储、数字视频录像机（DVR）、网络视频录像机（NVR）、存储局域网络(SAN)、云存储等方式。目前，在城市轨道交通视频监控领域多采用基于IP 网构建存储网络(IP-SAN)存储方案。IP-SAN 存储方案利用互联网小型计算机系统接口（iSCSI）技术将SCSI 命令和数据封装到TCP/IP 包中进行传输，进而实现SAN 存储功能。由于IP-SAN 存储方案具有网络简单、管理便捷、造价低、安全可靠、产品成熟等特点，致使该方案成为近年来城市轨道交通领域采用的主流视频存储方案。但是，随着城市轨道交通视频存储容量的剧增和基于视频数据的智能应用的推广，IP-SAN 存储方案在读写性能、数据安全、容量扩展、面向应用等方面均显现出不足。

2 云存储技术简介

云存储技术是指通过集群应用、网络技术或分布式文件等功能，应用存储虚拟化技术将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件结合起来协同工作，共同对外提供数据和业务访问功能的一个系统，简而言之，云存储是一个配置了大容量存储设备的云计算系统。

相较于IP-SAN 存储方案，视频云存储方案具有以下优势。

1）存储数据高安全性。视频云存储系统利用离散存储技将视频数据进行切片，以数据片的形式存储到各节点存储设备，当一个或多个节点存储设备故障时，系统通过纠删码技术利用无故障节点存储设备上的数据片对视频数据进行恢复，从而保证整个系统存储数据的高安全性。

2）存储资源共享、可动态分配。视频云存储系统为共享式存储系统，支持多媒体、图片、文件等各类数据的统一存储管理。所有存储节点构成一个存储资源池，存储容量可动态分配。

3）高并发读写性能。视频云存储系统支持集群化存储和负载均衡特性，访问数据采用多设备并行读写，可突破单台设备瓶颈，提供海量的数据吞吐能力。单台双万兆网络接口设备，数据读写能力可超过12 GB/S，系统读写能力会随着存储节点数量的增加而线性增长。

4）系统扩容方便快捷。视频云存储系统将分散在单台设备上的存储资源整合成一个大的存储资源池，建设初期可以根据各站点的视频存储容量需求进行资源划分，运营期间也可以根据各站点视频存储容量的变化，进行存储容量扩容或减容，而且操作方便、快捷。

5）面向应用的存储系统。视频云存储系统具有统一的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），可以为视频智能应用（客流分析、人脸识别、步态识别等）、大数据分析等应用提供强大的数据支撑平台。

视频云存储方案的上述特点很好地解决了IPSAN 存储方案在应用中存在的问题，更适合城市轨道交通领域视频监视系统采用。

3 视频云存储实现方案

结合城市轨道交通视频监视系统的组网特点，视频云存储系统可以采用分布云存储、集中云存储和分组云存储3 种方式。

为了便于进行方案对比，按全线30 座车站，1座车辆段，1 座停车场，共计32 个站点考虑，每个站点按130 路高清摄像头考虑。下面将从系统架构、设备配置、带宽占用、用电需求、机柜数量等方面对上述3 种存储方案进行对比。

3.1 分布云存储

分布云存储就是各车站独立设置一套云存储系统，形成单站视频存储资源池，用于存储本站视频图像。为了进一步保证该系统的可靠性，可在中心设置一套后备存储设备，用于单站故障时接管该站视频图像存储。系统架构如图1 所示。

图1 分布云存储系统架构示意图Fig.1 Schematic diagram of distributed cloud storage system architecture

设备配置：按照H.265 视频编码标准，每路高清视频码流按2 Mbit/s 考虑，主用存储时间根据《反恐法》要求按90 天考虑，单块硬盘存储容量按6 TB 考虑，单站点视频存储容量：

式中：Q-视频存储容量（TB）；

N-单站点视频路数(路)；

M-单路视频码流（Mbit/s）；

T-存储时间(天)。

根据公式（1）计算可得：

单站点有效存储硬盘数：

式中：S-配置存储硬盘数（块）；

Q-视频存储容量（TB）；

q-单块硬盘存储容量（TB）；

η-硬盘有效存储空间率；

θ-云存储空间利用率。

结合市面主流存储设备盘位规格以及云存储多节点切片存储的特性，对于分布云存储只能选择24 盘位存储设备。各站点考虑一定的盘位预留，每站需设置3 套24 盘位云存储设备，每台存储设备配置19块6 TB 硬盘，单站共配置57 块6 TB 硬盘。

由于分布云存储方案单站存储节点设备较少，低于8 台，可不设置云存储管理服务器，相应的集群管理、负载均衡、资源动态分配等功能均由存储节点实现即可。

控制中心设置7 天后备存储，根据上述计算可知在中心需配置1 台24 盘位存储设备，并配置5 块6 TB 硬盘。

带宽占用：分布云存储方案的带宽需求主要源于单站云存储节点设备故障情况下，站点视频通过传输网络存储至控制中心后备存储的带宽需求。另一部分源于控制中心远程实时调看的带宽需求，控制中心按最多调看30 路图像考虑。带宽占用最大量为：130×2+30×2=320 Mbit/s。

用电需求：目前24 盘位存储设备电源功率约0.5 kW，故单站用电需求为1.5 kW。

机柜数量：24 盘位存储设备占用4U 机柜空间，考虑1U 的散热空间，单站至少需占用15U 机柜空间，需设置1 个机柜。

3.2 集中云存储

集中云存储通常选择在线路控制中心或车辆段，根据全线存储需求，设置一套用于存储全线视频图像云存储系统，形成全线视频存储资源池。该系统可在各车站设置一套临时存储设备，作为故障情况下的后备存储。系统架构如图2 所示。

图2 集中云存储系统架构示意图Fig.2 Schematic diagram of centralized cloud storage system architecture

设备配置：视频编码标准、单路视频码流、主备用存储时间、单块硬盘容量均与分布云存储方案一致。

根据公式（1）计算可得：

根据公式（2）计算可得：

对于集中云存储方案，为了减少机柜的数量，可以选用高盘位数的存储设备，本方案按72 盘位存储设备考虑。考虑一定的盘位预留，中心需设置25 套72 盘位云存储设备，每台存储设备配置72 块6 TB 硬盘，共配置1 800 块6 TB 硬盘。

集中云存储方案需在控制中心设置3 台云存储管理服务器和1 台云存储运维服务器。云存储管理服务器主要用于云存储系统内资源管理、存储节点管理、集群管理、策略调度、运维监控等。云存储管理服务器采用集群部署模式，集群部署有利于实现节点设备资源、用户配置、数据库信息、策略计划的统一调度，大大提升了存储系统的整体性能。同时，集群部署模式下单台设备的故障不会影响到系统的正常运行，也增加了系统的可靠性。云存储运维服务器通过与云存储系统的交互，获取云存储系统存储资源和运行状态等数据，并对运维数据进行分类展示，可大大降低管理员对云存储系统的维护难度。

各站点设置7 天后备存储，同分布云存储方案，需在各站点配置1 台24 盘位存储设备，并配置5 块6 TB 硬盘。

带宽占用：集中云存储方案的带宽需求主要源于各站点视频实时上传至中心存储的带宽需求。另一部分源于车站视频回放调看的带宽需求，每站按最多并发回放调看20 路图像考虑。带宽占用最大量为：130×2×32+20×2×32=9 600 Mbit/s ≈9.4 Gbit/s。

用电需求：72 盘位存储设备电源功率约1.2 kW，云存储管理或运维服务器的功率也约0.6 kW，故中心用电需求为31.8 kW。

机柜数量：72 盘位云存储设备占用8U 机柜空间，云存储管理或运维服务器占用2U 机柜空间，考虑一定的散热空间、配套设备空间以及满配存储设备的重量，一个标准机柜（42U）最多可放置3台云存储设备，再考虑存储管理服务器和运维服务器，故中心共需设置9 个标准机柜。

3.3 分组云存储

分组云存储是分布云存储和集中云存储的折中方案，根据城市轨道交通单线多站点的特点，将5 ～8 个车站作为一组，设置一套单组云存储系统，用于该组内所有车站视频的存储资源池。系统架构如图3所示。

图3 分组云存储系统架构示意图Fig.3 Schematic diagram of grouping cloud storage system architecture

设备配置：本方案将全线32 个站点分为4 组，每组站点数为8 个。

根据公式（1）计算可得：

根据公式（2）计算可得：

对于分组云存储方案，考虑云存储多节点切片存储的特性及机柜空间的利用率，本方案按48 盘位存储设备考虑。考虑一定的盘位预留，分组集中站需设置10 套48 盘位云存储设备，每台存储设备配置45 块6 TB 硬盘，共配置450 块6 TB 硬盘。

分组云存储方案需在分组集中站设置2 台云存储管理服务器。

各站点设置7 天后备存储，同分布云存储方案，需在各站点配置1 台24 盘位存储设备，并配置5 块6 TB 硬盘。

带宽占用：分组云存储方案的带宽需求主要源于组内各站点视频实时上传至集中站存储的带宽需求。另一部分源于控制中心远程实时调看和车站视频回放调看的带宽需求，中心远程实时调看按最多30 路考虑，每站按最多并发回放调看20 路图像考虑。带宽占用最大量为：130×2×8+20×2×8+30×2=2 460 M b i t/s ≈2.4 Gbit/s。

用电需求：48 盘位存储设备电源功率约0.8 kW，云存储管理服务器的功率约0.6 kW，故分组集中站用电需求为9.2 kW。

机柜数量：48 盘位云存储设备占用6U 机柜空间，云存储管理服务器占用2U 机柜空间，考虑一定的散热空间、配套设备空间以及满配存储设备的重量，一个标准机柜（42U）最多可放置4 台云存储设备，再考虑云存储管理服务器，故分组集中站共需设置3 个标准机柜。

3.4 云存储方案对比

通过对分布云存储、集中云存储、分组云存储3 种方案的对比，具体数据如表1 所示。

表1 云存储方案数据对比表Tab. 1 Data comparison table of cloud storage scheme

通过3 种方案的数据对比，可以看出3 种方案在硬盘配置数量上相差较小，但在服务器数量、全局带宽、功耗、机柜数量等方面还是有一定的差异。分散云存储具有带宽占用低、无需单独配置存储管理服务器等特点，但是分散云存储方案单站资源池较小，仅3 台存储节点设备，无法充分体现云存储切片多节点存储的优势；集中云存储方案可以很好地发挥云存储的优势，但对带宽的占用较大，同时对中心的用电、用房等需求也较大，投资也相对较高；分组云存储方案介于上述两种方案之间，一定程度上减轻了集中云存储方案在带宽、用电、用房等需求上的压力。

4 结语

随着20 G、40 G 带宽传输设备的广泛运用，部分城市已经开始采用100 G 传输设备，带宽已不再是集中云存储的制约因素。同时，用房、用电等需求也均可在初步设计阶段做好预留。另外，单硬盘容量及存储设备盘位数也在逐年变大，导致单站点所需硬盘数及设备数逐步减少，小规模云存储难以体现云存储的集群特性及性能优势。综上所述，建议新建线路采用集中云存储方案。