地铁电视监控图像集中存储系统网络设计

        近期国务院又批复了22个城市的地铁建设规划，对电视监控视频图像存储在反恐、日常管理和高清数字监控发展提出更高要求，现在我国已建的大部分地铁电视监控图像存储在车站采用传统DVR硬盘录像机录像，硬盘发生故障，没有RAID保护机制，监控图像丢失，可维修时间增加，存放硬盘空间小，录像时间少，不易扩容，数字高清摄像机录像无法接入，这对地铁在遭到诸如恐怖袭击和日常案件录像判定是不利的。系统可靠性、可维修性、可扩展性不能满足业主对地铁电视监控功能，存储局域网络SAN（StorageAreaNetwork）的高扩展性、高可靠性、低维护成本非常适应今后地铁视频监控发展，正在逐渐被今后地铁建设采纳。

　　监视图像集中存储需求分析

　　对于地铁电视监控系统，平均每个车站前端摄像头一般在60路左右，录像保有时间需要7天，录像回放分辨率4CIF，监控图像录像要有足够清晰度看清现场、人物特征等，对事故和案件分析能够较好提供破案线索，录像资料查找方便，录像可靠性、存储设备可维护性要高，方便扩容，新建地铁传输通信网络具备了集中存储网络通道，有光纤专用网络通道，可采用光纤网络集中存储，没有光纤专用网络通道可采用IP网络集中存储。

　　SAN架构

　　SAN是一个高速的、专用的服务器网络以及共享存储设备，目前SAN架构又分为FCSAN（FibreChannelStorageAreaNetwork）和IPSAN（InternetProtocolStorageAreaNetwork）两种，FCSAN的网络介质为光纤通道，更高的数据传输速度是FC网络技术特征，FC在全双工模式中可以支持200MB/s的吞吐率，主机接口速率FC：4Gbps，在最新的8GFC(8G光纤通道)提供1600MB/s的吞吐率，FC结构是高可扩展的，理论上一个FC网络可以容纳大约1500万个节点。

　　系统结构图

　　IPSAN网络存储技术，用TCP/IP以太网替代光纤通道网络。IPSAN的好处在于：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。

　　地铁电视监控网络区域存储设计

　　视频存储系统由各车站视频管理服务器、光纤、光纤SAN交换机、中心储存磁盘阵列组成。

　　视频管理服务器其主要功能是管理数字视频编解码设备和数字视频录像，实现针对视频网络系统全部资源（包括：视频输入/输出设备、视频编解码器及全体操作者的应用权限），进行统一的配置、管理，根据用户端的请求，来控制前端视频流的连接，当无用户请求视频连接时，视频控制服务自动断开前端编码器的视频连接。当多个用户同时申请连接同一路视频时，视频控制服务与前端编码的视频流还是单路，不用同时产生多个视频流，到中心后再通过视频控制服务来组播给所有用户。这样能够有效地控制视频所占用的带宽。

　　HBA（HostBusAdaptor）卡是主机总线适配器承担着主机和外存之间I/O接口处理的功能，将CPU从多余的I/O处理负担中解脱出来。

　　1、线路控制中心至车站的传输通道

　　线路控制中心至车站设备之间的传输通道需要采用传输系统提供的千兆以太网通道，通道带宽满足线路控制中心同时调看任意一个车站全部图像的需要。传输系统为电视监视系统提供满足64路视频图像同时上传所需的通道。

　　在线路控制中心设置1个集中式储存数据中心，从储存数据中心到其每个车站各设置一个光纤通道，与光纤SAN交换机组成，SAN光纤网络满足集中式存储的需要，此通道为集中存储专用视频流传输通道。

　　2、链路带宽计算

　　本次设计我们选定的参考值：为编码器产生的视频流码率按照6MbpsMEPG-2实时视频流计算，存储的视频流码率按照2MbpsMEPG-4进行计算。控制数据流由于不占用固定带宽，并且只有10Kbps左右。

　　实时监视视频流。在车站等站点，前端摄像机的模拟视频信号经编码器后，编码器将接收到的模拟视频信号转换为两路数字视频信号（MPEG-2、MPEG-4），并接入站点以太网交换机。

　　一般是8路1台编码器，接入交换机，到以太网交换机占用带宽8×6Mbps=48Mbps，交换机接口是包括48个10/100BaseT端口和4个Gigabit以太网端口，满足需要。

　　MPEG-2格式数字视频信号由通信传输网设备送入中心以太网交换机。中心交换机将数字视频信号提供给视频解码器、中心调度员视频监控终端。视频解码器将还原出的模拟视频信号送入显示大屏。以太网交换机到传输系统占用带宽64×6Mbps=384Mbps，交换机接口4个Gigabit以太网端口，满足需要。

 
　　中央存储的视频流。以太网交换机到视频服务器和光纤SAN交换机占用带宽64×2Mbps=128Mbps，SAN交换机接视频服务器，SAN交换机光口接中心光纤SAN交换机，同时SAN光纤存储网均采用4GB光纤通道，完全满足存储的需要。

　　录像回放视频流。从光纤SAN存储设备开始，经过网络以单播的方式到一个合法用户使用的控制终端的打开窗口。

　　由于编码器产生的视频流码率为2Mbps，因此计算网络视频录像服务器的处理性能按2Mbps计算。

　　视频管理服务器（含录像管理）按照接入64路视频计算。录像回放比例按照7：3，那么录像需求带宽的公式如下：

　　MEPG-4录像带宽（MB）=摄像机数×2Mbps÷8

　　总带宽要求（MB）＝录像带宽÷0.7

　　计算方法：

　　视频管理服务器录像带宽（MB）=64×2Mbps÷8=128Mbps÷8=16MBps

　　视频管理服务器回放带宽（MB）=录像带宽（MB）÷0.7×0.3=6.86MBps

　　1Byte=8bit

　　同时SAN光纤存储网均采用4GB光纤通道，完全满足存储的需要。

　　3、存储量计算公式

　　每路数字视频流在4CIF@25IPS的情况下峰值带宽按照MEPG-4编码方式码率2Mbps，每种类型摄像机存储量的计算公式如下：

　　摄像机总存储量（TB）=摄像机数×视频带宽（bps码流）×录像时间÷{8（b变B）×1000（B变K）×1000（K变M）×1000（M变G）×1000（G变T）}

　　录像时间=3600(秒)×每天需存储小时数×需存储天数

　　在此需要明确一些基本的流量和存储量的转换问题，通常：

　　视频流量的1Kbps=1024bps，1Mbps=1024Kbps，1Gbps=1024Mbps，1Tbps=1024Gbps；

　　存储容量的1KB=1000Byte，1MB=1000KB，1GB=1000MB，1TB=1000GB；

　　而只有1Byte=8bit是视频流量和存储容量的最基本而且统一的单位。因此，两种进制之间均需要换算到Byte之后才能进行流量和容量的换算。

　　从数据安全角度考虑，在每次写入512字节时会加入8字节的校验码，以此保证数据的完整性。在地铁监控项目中，由于采用相对集中的SAN存储系统，因此视频数据量非常庞大，所以8字节的校验码占用硬盘空间也不是可以忽视存储量，这些问题也成为存储容量规划时必须考虑的一个因素，选择的磁盘类型均为1TBSATA磁盘，所以1TBSATA磁盘的存储可用存储视频图像容量经计算为917GB。

　　在地铁监控项目采用RAID5(9+1)的数据保护方式是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案性，9块1TB硬盘需1块1TB硬盘镜像备份，而RAID5(9+1)的实际可用空间约等于917GB×9=8253GB。

　　以1110路摄像机为例，每路数字视频流在4CIF@25IPS按照MEPG-4编码方式码率2Mbps，存储7天，计算集中存储磁盘阵列所需1TB硬盘个数：

　　摄像机总存储量（TB）=1110路×2×1024×1024（bps码流）×3600(秒)×24小时×7天÷（8×1000×1000×1000×1000）=176TB

　　硬盘备份176÷9=20TB,176TB+20TB=196TB

　　8字节的校验码占用硬盘空间：1000-917=83GB，196×83÷1000=16TB

　　磁盘阵列所以需1TB硬盘：196+16=212块

　　结束语

　　地铁电视监控系统很快会进入高清时代，高清百万像素网络摄像机监控的图像更加清晰和细腻，对地铁车站监控，既要求摄像机能大范围的控制人流的动向，又要求在录像回放中能够识别人物的脸部特征，监控图像需大量存储空间，FCSAN和IPSAN是高清监控基础，它的高扩展性、高可靠性、低维护成本是今后地铁电视监控的选择。