云存储在轨道交通视频监视系统中的运用与研究

苟向元

（浙江杭海城际铁路有限公司，浙江 海宁 314499）

1 概 述

目前，轨道交通视频监视系统普遍采用1080P高清IP摄像机，为满足全高清存储要求，其视频码率一般按4 Mb/s考虑。一条约20个车站的轨道交通线路所需的视频图像存储容量约上万太字节，若采用4K制式，则存储量还要增加3倍。为应对如此海量图像高可靠性的存储，本文提出了云存储的技术方案，并进行了相应的阐述和探讨。

2 存储技术简介

直接连接存储（Direct Attached Storage，DAS）是指通过专用线缆将外部存储设备直接连接到服务器上。采用相应的存储通道技术，外部存储直接挂在内部总线上，即外部存储是服务器的一部分[1]。

网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）是一种文件共享服务。采用一台专门用于存储设备管理和存储文件的服务器，安装专门的操作系统，网络中的用户通过以太网访问此服务器，此服务器也作为网络中的一个节点。

存储区域网络（Storage Aera Network，SAN）通过网络连接服务器及存储设备的构架，专用于用户与存储设备间的访问。SAN又分FC-SAN和IP-SAN，用户通过专用交换机连接存储设备[1]。

3 轨道交通视频监视存储现状

在轨道交通中，网络视频存储器（Network Video Recorder，NVR）存储技术成熟，应用普遍，主要包含SAN（IP-SAN、FC-SAN）存储技术、NAS存储技术以及DAS存储技术几大类[2]。目前，轨道交通工程一般推荐采用IP-SAN存储方式，主要原因包括以下3点。

一是DAS方式的存储扩展性差，有新的需求需单独配置相应的存储设备，利用率低，且不同应用服务器面对的存储数据量不一致，可管理性差，异构化严重。二是NAS方式的存储可通过以太网连接至服务器，也可即插即用，但设备大小限制NAS的扩展性，增加单台NAS设备容易，但将两台NAS设备无缝合并却很困难。三是SAN的存储方式与NAS相比，前者是面向海量数据块的传输，后者是一种文件共享服务并提供文件级数据访问。SAN具有设备易整合、数据易集中以及扩展性强的优点。同为SAN的FCSAN和IP-SAN各有特点，FC-SAN由于FC协议发展时间短，在成熟度和互联性上无法与以太网相比，兼容性较差，先期设备成本和长期维护成本也较高。IP-SAN基于以太网技术并继承了其优点，利用高速以太网络连接服务器及存储设备将SCSI指令和数据块经过高速以太网传输，建立的存储资源平台具有开放、高性能、高可靠性以及高可扩展的特点[3]。

SAN虽然具有良好的扩展性、较快的传输速度以及可实现集中管理的特性，满足了目前轨道交通行业的部分要求，但是却不能满足高清视频高可靠性存储的需求。

4 轨道交通视频监视云计算方案建设模式

本方案是指控制中心、车辆段、车站的服务器以及存储设备等由城市轨道交通统一云平台统一提供资源池（包括计算、存储等），即IaaS服务[4]。视频云存储方式有集中式云存储和分布式云存储两种。

4.1 集中式云存储

各车站视频图像集中存储在控制中心云存储设备上，存储时间按90天考虑。为防止网络故障引起的视频图像数据丢失，在各车站本地再存储7天。

4.2 分布式云存储

在各车站、控制中心或车辆段设置云存储设备，利用传输通道构成视频存储网络，车站视频图像通过网络分散存储在不同站点的云存储设备上。

存储方案比较如表1所示。

表1 存储方案比较

综合以上而言，轨道交通视频监视云存储方案推荐采用集中式存储，维护方便，待形成线网规模后多条线统一存储，满足未来线网层数据融合和智能应用。

控制中心集中存储如图1所示。

图1 控制中心集中存储

轨道交通视频监视云存储方案推荐采用对象存储技术，此技术综合了NAS和SAN的优点，具有数据高速直接访问的同时还拥有数据共享的优势，可以为用户提供海量、安全、高可靠以及低成本的数据存储方案。

云存储的核心是软硬件相互结合，利用软件来实现存储设备向存储服务的转变。利用云计算的相关技术，如分布式集群和虚拟化等实现系统内设备协同运行与资源虚拟化整合，充分提高硬件资源的利用率。利用简单易用的管理界面及开放透明的应用接口为视频监视系统提供高效且可靠的数据存储服务[5]。

5 云存储方案的优势

5.1 可靠性高

云存储采用多重备份机制，每份数据都至少有一个或多个备份，即使硬盘出现故障也不会引起数据丢失，系统仍会正常运行。而常规视频存储方案所采用的RAID技术只保护本地硬盘，RAID6也只允许两块硬盘故障，不能保证多块硬盘故障或者整台设备的故障，可靠性较低[6]。

5.2 扩展性好

与直接使用硬盘存储数据不同，云存储采取的是并行扩容，容量不够只需采购新的存储设备，配置好节点网络地址即可加入系统工作，容量大小可根据用户需要灵活进行调整。

5.3 易于维护

云管理系统可有效对存储设备进行管理，包括故障预警和定位等，支持硬盘热插拔，在系统设备不中断运行的情况下更换硬盘。云存储具备数据校验机制，可有效保证数据安全，允许多块硬盘损坏后批量更换，再加上集中方式存储，更减轻了运维人员的工作量。

5.4 数据共享

云存储集中方式打破了传统存储模式信息孤岛的问题，尤其是成线网后，更有利于数据融合和智能应用。云存储运用对象存储技术，保证数据读写性能的前提下又拥有高共享性，视频相关的智能分析系统可直接读取数据，不需要通过监视平台转发[7]。

6 云存储的工程实施方案

6.1 容量设计

一条线按20个车站，1个车辆段，1个控制中心考虑，采用1080P高清IP摄像机，视频码率按4 Mb/s考虑，控制中心集中存储90天。车站中每站按120个摄像机考虑，1个车站的存储容量为120×4×90×24×3 600/8/1 024/1 024≈445 TB，20个车站总计8 900 TB，即8.9 PB。车辆段按360路考虑，存储容量为1.335 PB。控制中心按500路考虑，存储容量为1.854 PB。总容量为8.9+1.335+1.854=12.089 PB。

6.2 带宽设计

视频云存储的带宽需求计算为录像带宽+回放带宽。录像带宽考虑10%的余量，回放带宽通常按录像带宽的20%进行估算。录像带宽=（摄像头数×4 Mb/s）×1.1，总带宽需求为录像带宽×1.2。全线摄像头数为120×20+360+500=3 260个。带宽总计为（3 260×4）×1.1×1.2=17 212.8 Mb/s。另传输系统还需配置相应的保护带宽保障视频流的传输。

传输系统为轨道交通各业务系统，包括视频监视系统提供可靠冗余的传输网络。鉴于视频监视系统的带宽总计已接近18 G以及延伸线接入的需要，并顺应智慧城市轨道交通发展的趋势，控制中心、车辆段以及车站所组成的环采用100 Gb/s的自愈保护环（业务可使用的带宽50 Gb/s，保护带宽50 Gb/s）[8]。

6.3 云存储配置

在实际部署配置中需要考虑到冗余配置，保证云存储的可靠性。为防止云存储数据写满后需要循环覆盖，预留10%的缓冲区空间，所需容量为12.089×1.1=13.297 9 PB。

云存储可以提供多种模式的N+M存储策略，采用4+1模式存储利用率为80%，硬盘初始化后实际可以利用的存储空间为硬盘标称的90%，整个视频存储系统的容量为13.297 9/0.9/0.8≈18.47 PB。

云存储支持在线扩容，设备不停运的情况下，可动态增加或缩小云存储系统的容量，因此对于延伸线或新线的接入相当方便，只需增加新的节点，配置好节点的网络地址即可加入云存储系统工作[9,10]。

7 结 论

轨道交通视频监视系统传统存储的计算能力与存储能力是强耦合，任一故障都会导致整节点能力迁移至其他节点，而云存储是分层耦合，计算能力和存储能力可独立调度。云存储各存储节点资源共享，形成统一的云存储资源池，数据可均匀离散分布于各个节点内。传统存储上层业务访问必须通过SDK完成，延长I/O访问路径，效率低下，云存储各种业务通过标准化读写接口进行访问，极大地提升了数据读写效率。传统存储摄像机与存储资源有绑定关系，数据固定存储在某一台设备上，云存储无绑定关系，数据离散存储在多台设备上。此外，传统存储摄像机对应的存储故障，若存储业务中断，如阵列失效，则数据丢失，而云存储中任意一台存储设备故障事，存储业务不中断，单点故障数据丢失风险小。

云存储本质是用软件来定义硬件，相比传统存储已经从一套设备走向一个体系，综合了各种方式为轨道交通视频监视系统提供优质高效且安全可靠的存储服务。