分布式視頻監控管理平臺的技術(shù)實(shí)現要點(diǎn)

　　目前安防市場(chǎng)上的多數監控管理平臺都是分布式系統，行業(yè)內不管是用戶(hù)、工程商還是產(chǎn)品商都一致認可分布式系統帶來(lái)的好處。本文從技術(shù)實(shí)現的角度，描述分布式監控管理平臺的關(guān)鍵要點(diǎn)。

　　開(kāi)放的分布式軟件架構

　　分布式監控管理平臺至少說(shuō)明了兩點(diǎn)：一是軟件產(chǎn)品是分布式系統，二是該分布式系統是用于安防監控管理的。軟件架構是軟件產(chǎn)品的基礎，本節從這兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明分布式監控管理平臺的軟件架構特點(diǎn)。

　　與一般的聯(lián)網(wǎng)系統不一樣，分布式系統有兩個(gè)基本特性，一是透明性，二是開(kāi)放性。透明性是指系統能夠在用戶(hù)和應用程序面前呈現為單個(gè)計算機的特征。一般的聯(lián)網(wǎng)系統中，如果兩個(gè)不同的攝像機在不同的服務(wù)器上管理，這兩個(gè)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互連互通，它們就形成了一個(gè)聯(lián)網(wǎng)系統，但這樣的聯(lián)網(wǎng)系統不一定是分布式系統，分布式系統要求這兩個(gè)攝像機在用戶(hù)和應用程序看來(lái)，都像在一臺計算機或一個(gè)系統上。透明性又分為訪(fǎng)問(wèn)透明性、位置透明性、復制透明性、并發(fā)透明性等類(lèi)型。

　　分布式系統要求的開(kāi)放性，從安防行業(yè)來(lái)理解，就更加簡(jiǎn)單和直接。系統要求接入不同類(lèi)型的設備或系統、不同品牌的設備或系統，同時(shí)要求為各類(lèi)上層應用提供訪(fǎng)問(wèn)接口，服務(wù)于各個(gè)行業(yè)用戶(hù)。

　　若干年前，好用的、可供選擇的分布式軟件架構不多，典型的有COM/DCOM、CORBA、ICE等，后來(lái)發(fā)展得更容易使用、也更為龐大的軟件架構有.NET和J2EE等。但這些軟件架構并不能直接就成為分布式監控管理平臺的軟件架構，因為它們沒(méi)有包含安防監控的行業(yè)需求。適合分布式監控管理平臺的軟件架構必須具備數據庫或目錄管理、視頻管理、報警管理、存儲管理、權限和日志管理等需求特征。

　　POSA(Pluggable Objects and Services Architecture)是符合上述特征的分布式軟件架構。在POSA架構里，新需求、新設備的接入都體現為實(shí)現一個(gè)或一組新的組件和服務(wù)。POSA架構從版本1.0、2.0發(fā)展到今天的3.0版本。其中，POSA2以組件為設計中心，而POSA3是以服務(wù)為中心。在POSA3中，原有的POSA2組件仍然可以很好地工作。POSA組件技術(shù)、服務(wù)技術(shù)，為PVG網(wǎng)絡(luò )視頻管理平臺奠定了堅實(shí)的基礎。

　　統一管理的命名體系

　　有了一個(gè)開(kāi)放的分布式軟件架構之后，若要實(shí)現分布式軟件，還需要一個(gè)基礎是需要適合的命名體系。在分布式系統中，命名體系的實(shí)現通常是在多臺計算機上完成的。命名體系一般要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是如何組織所有的實(shí)體對象，二是如何描述每一個(gè)實(shí)體對象;一般來(lái)說(shuō)，最常用的組織實(shí)體對象的方法是分層描述;而描述每一個(gè)實(shí)體對象的方法分為兩類(lèi)：一是基于屬性的命名系統，一是支持結構化的命名系統。前者描述實(shí)體對象的最常用方法是用(屬性、值)對來(lái)描述，一個(gè)實(shí)體對象的所有(屬性、值)對就組成了該對象的屬性集。上述基于屬性的命名體系又稱(chēng)為目錄服務(wù)。輕量級目錄訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議LDAP是目錄服務(wù)的一種實(shí)現。

　　PVG使用了兼容LDAP的分布式目錄服務(wù)。在PVG中，每個(gè)對象有一個(gè)全名，還有一個(gè)相對名。例如，av/cam/1@192.168.11.5是一個(gè)全局的名稱(chēng)，這個(gè)名稱(chēng)的含義是192.168.11.5這臺機器上的“av/cam/”組下面的“1”號攝像機。相對名稱(chēng)則是通過(guò)上下文識別的簡(jiǎn)短名稱(chēng)。PVG的每個(gè)對象有若干個(gè)屬性，每個(gè)屬性有一個(gè)唯一的標識符，屬性是有不同的類(lèi)型和相應的值。

　　PVG的目錄服務(wù)機制、對象集和屬性集構成了PVG網(wǎng)絡(luò )視頻管理平臺的命名基礎，為分布式的資源定位和查找等應用提供了依據。

　　適合行業(yè)需求的聯(lián)網(wǎng)方式

　　分布式監控管理平臺要實(shí)現和滿(mǎn)足行業(yè)各種各樣的聯(lián)網(wǎng)需求。在實(shí)現這些聯(lián)網(wǎng)需求時(shí)，開(kāi)發(fā)人員很容易想到以下幾點(diǎn)：控制信令和數據流是要分開(kāi)的;要支持各種各樣的聯(lián)網(wǎng)方式;要管理好聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器或節點(diǎn)之間實(shí)時(shí)流和歷史流的流向;要管理好節點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò )帶寬等問(wèn)題。本節詳細分析了這些問(wèn)題，并給出適合行業(yè)需求的參考解釋。

　　控制信令和數據流的分開(kāi)問(wèn)題在模擬聯(lián)網(wǎng)系統中是不需要考慮的，而數字聯(lián)網(wǎng)系統中則必須考慮。

　　聯(lián)網(wǎng)方式一般有兩種：一是級聯(lián)，二是互聯(lián)。級聯(lián)是上下級之間的聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)反映的是平等關(guān)系的聯(lián)網(wǎng)。

　　不管是級聯(lián)的系統描述，還是互聯(lián)的系統描述，一般都是只指出了控制流的走向，而沒(méi)有清楚地定義數據流的管理，更沒(méi)有明確網(wǎng)絡(luò )帶寬的管理。從模擬系統演化過(guò)來(lái)的數字干線(xiàn)是符合行業(yè)需求的流和帶寬管理的。

　　數字干線(xiàn)可以定義為PVG服務(wù)器之間建立聯(lián)系的數字通道。通過(guò)干線(xiàn)，若干臺PVG可以建立各種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，為多級數字聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )安全和網(wǎng)絡(luò )帶寬管理提供了有力的保障。干線(xiàn)管理的內容有：干線(xiàn)路由選擇、復用、搶占及搶占后處理和預留。干線(xiàn)路由選擇是指在一個(gè)節點(diǎn)上調用其它節點(diǎn)的某路圖像的時(shí)候，PVG系統將采用什么樣的算法來(lái)選擇最應該經(jīng)過(guò)哪些節點(diǎn)以及哪些干線(xiàn)。干線(xiàn)的復用是指在多個(gè)用戶(hù)在調用同一個(gè)攝像機時(shí)，后面的用戶(hù)應該復用已經(jīng)使用過(guò)的干線(xiàn)，而不應該另外再使用一條新的干線(xiàn)。干線(xiàn)的搶占是指當所有的干線(xiàn)都有用戶(hù)在使用時(shí)，PVG系統將采用什么樣的算法來(lái)?yè)屨夹碌母删€(xiàn)。搶占后處理是指搶占后要友好地通知以前占用該干線(xiàn)的所有用戶(hù)。干線(xiàn)的預留是指某些干線(xiàn)在配置的時(shí)候就專(zhuān)門(mén)預留給某些節點(diǎn)，只有這些節點(diǎn)上的用戶(hù)才能使用預留的干線(xiàn)。預留干線(xiàn)一般應用在特定的場(chǎng)合。

　　數字干線(xiàn)對實(shí)時(shí)流的管理在項目中得到了很好的驗證，在此基礎上，進(jìn)一步深化，把這個(gè)概念演進(jìn)和推廣到對歷史圖像的管理上。在歷史圖像的數字干線(xiàn)管理上，通過(guò)路由選擇、搶占等概念，可以很好地解決網(wǎng)絡(luò )隔離(例如公安網(wǎng)和視頻專(zhuān)網(wǎng)的隔離)、調閱歷史圖像的問(wèn)題。

　　可以說(shuō)，從模擬干線(xiàn)管理到數字干線(xiàn)管理，再到歷史圖像的數字干線(xiàn)管理和應用，PVG完成了多次聯(lián)網(wǎng)功能的跳躍，滿(mǎn)足了各種條件下的聯(lián)網(wǎng)需求。

　　強大可靠的分布式存儲服務(wù)

　　傳統的視頻錄像技術(shù)大都采用在普通文件系統上用視頻錄像文件的方式來(lái)進(jìn)行錄像。因為普通文件系統固有的特點(diǎn)，導致在做視頻存儲應用時(shí)出現很多問(wèn)題。

　　· 普通文件系統以簇為單位分配磁盤(pán)空間，為了提高空間利用率，簇的字節數一般都很小，文件反復讀寫(xiě)/創(chuàng )建/刪除導致簇不斷被分配和釋放，時(shí)間稍微一長(cháng)就會(huì )產(chǎn)生磁盤(pán)碎片，導致磁盤(pán)讀寫(xiě)性能急劇下降，嚴重時(shí)甚至會(huì )損壞磁盤(pán);

　　· 普通的文件系統采用元數據來(lái)保證數據的一致性，魯棒性不強，一旦元數據受到損害，即使數據部分沒(méi)有損害，也無(wú)法還原。而超過(guò)100路的并發(fā)錄像，若使用普通文件系統，元數據損壞的機率極大;

　　· 由于文件系統的限制，文件不能太大，也不能太小，一般采用幾分鐘一個(gè)文件進(jìn)行錄像，難以實(shí)現檢索幾秒以前的錄像數據，很難支持對正在錄像的文件的檢索回放;

　　· 掃描磁盤(pán)文件、清理舊錄像、檢索等操作效率低下，且格式化非常緩慢。

　　所以，如果采用普通文件來(lái)實(shí)現存儲服務(wù)，一般需要很多特殊的手段和技巧來(lái)避免上述問(wèn)題，其中有一個(gè)辦法就是采用文件預分配機制，多數的DVR廠(chǎng)商使用這個(gè)方案。

　　對于海量的分布式存儲，使用上述方案也會(huì )碰到很多的挑戰，通常更徹底的辦法是開(kāi)發(fā)自己的基于磁盤(pán)設備塊和流媒體特性的文件系統。PVG選擇了這個(gè)方案，PVG支持的文件系統命名為ROFS(Ring Objects File System)。

　　ROFS文件系統擁有最高的磁盤(pán)讀寫(xiě)性能，還有極高的魯棒性。系統采用大數據塊方式讀寫(xiě)磁盤(pán)，但以視頻幀為單位進(jìn)行提交，視頻幀是一個(gè)最小可修復的單位，任何一個(gè)視頻幀損壞不會(huì )影響其它視頻幀，所以即使在沒(méi)有任何RAID防護的情況下的硬盤(pán)物理?yè)p壞也只會(huì )損失非常短的一小段錄像，如果是軟損壞(程序錯誤導致的損壞)則甚至只會(huì )僅僅損失一幀或數幀(<1秒)而已，又因為ROFS為完全自主的文件系統，任何部分數據損壞都不會(huì )影響到其它地方的數據(沒(méi)有破壞的完好數據全部可以修復),所以ROFS有極高的魯棒性。

　　因為以視頻幀為基本存儲單位，一旦一個(gè)視頻幀寫(xiě)入完成就立即可以進(jìn)行檢索，采用ROFS的錄像系統可以檢索到40毫秒前的錄像。另外，視頻幀的索引內建在ROFS中，所以可以快速地定位到任何一個(gè)視頻幀并開(kāi)始播放。最后，ROFS的格式化也非常迅速，幾T磁盤(pán)的格式化時(shí)間也只需要數秒的時(shí)間。

　　ROFS文件系統基于POSA3構建的分布式存儲服務(wù)提供強大的存儲服務(wù)功能，可以作為云存儲的一個(gè)現成解決方案。

　　易于擴充的協(xié)議標準化

　　隨著(zhù)國標GB/T28181-2011<<安全防范視頻監控聯(lián)網(wǎng)系統信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求>>、公安部<<全國公安機關(guān)視頻圖像信息整合與共享工作任務(wù)書(shū)>>等文件的發(fā)布，分布式監控管理平臺支持標準化協(xié)議勢在必行。

　　如果監控管理平臺在設計之初只支持內部的協(xié)議，對標準化的協(xié)議改造會(huì )是碰到一些困難，而PVG由于基于POSA構架，對新協(xié)議的滿(mǎn)足、協(xié)議的擴充是比較容易處理的。事實(shí)上，每個(gè)協(xié)議只需要實(shí)現為一個(gè)組件或一個(gè)服務(wù)，就能滿(mǎn)足通訊協(xié)議規定的要求。PVG已經(jīng)基本上完成了國標GB/T28181-2011常用功能的實(shí)現。

　　分布式監控管理平臺的前沿技術(shù)應用

　　分布式監控管理平臺的前沿技術(shù)的應用，從近期來(lái)看，是進(jìn)一步強化分布式集群服務(wù)的應用，從遠期來(lái)看，應該是云計算的應用。事實(shí)上，我們可以認為分布式集群計算和云計算都是分布式系統的一種特殊形式。當然，云計算還包含運營(yíng)、服務(wù)等更多的概念和內容。

　　PVG在流媒體轉發(fā)服務(wù)器的模型中，支持多臺流媒體的集群計算，其結構如下圖2所示。

　　可以稱(chēng)為云計算監控管理平臺的軟件應該具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　· 應該是私有云，是在視頻專(zhuān)網(wǎng)上運行的云;

　　· 是業(yè)務(wù)和需求驅動(dòng)的;

　　· 既是一種技術(shù)架構，又是一種創(chuàng )新管理模式;

　　· 穩定、安全、涉密等是首先需要面對的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題;

　　· 移動(dòng)終端會(huì )是云計算監控管理平臺的重要入口，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提供了重要的網(wǎng)絡(luò )支。

　　分布式監控管理平臺是監控管理平臺的主流和方向，平臺廠(chǎng)商在面臨不同的技術(shù)路線(xiàn)、技術(shù)方案的選擇時(shí)采用的思路和方法決定了其產(chǎn)品的高度、深度和廣度，所以技術(shù)決策不僅需要來(lái)源于安防行業(yè)、工程商和用戶(hù)，還需要來(lái)源于IT等行業(yè)。

　　監控管理平臺的兼容性讓平臺生命延續

　　平臺兼容性問(wèn)題一直是平臺的老大難問(wèn)題，由于各個(gè)廠(chǎng)家的私有協(xié)議、各個(gè)運營(yíng)商標準等等各自并存，沒(méi)有統一可行的行業(yè)標準，各廠(chǎng)商之間甚至廠(chǎng)商自己的產(chǎn)品之間不能互連，無(wú)法穩定可靠地組成能容納不同廠(chǎng)商產(chǎn)品的監控系統。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有些設備商以開(kāi)放心態(tài)將自己產(chǎn)品的SDK提供給二次開(kāi)發(fā)商，或是采用中間件技術(shù)，由中間件來(lái)與不同設備打交道，實(shí)現兼容。

　　中盛益華的研發(fā)總監顧長(cháng)海表示，平臺的兼容性是不可避免的問(wèn)題。平臺的兼容性主要包括前端兼容與后端兼容兩種需求。所謂前端兼容，即監控平臺必須要適應越來(lái)越多的前端編碼設備，如不同品牌的IPC、DVR與DVS等，隨著(zhù)系統的升級還會(huì )涉及兼容不同品牌的NVR。隨著(zhù)高清設備的使用越來(lái)越廣，監控平臺對后端的存儲設備也要具備相當的兼容性，另外針對業(yè)主的視頻上墻管理需求,也必須提供一套適應后端矩陣管理與控制的系統。

　　目前分布式監控管理平臺無(wú)論是前端還是后端，采用的大多是私有協(xié)議，平臺對設備的兼容性往往通過(guò)代理的方式來(lái)實(shí)現，通過(guò)代理平臺對每個(gè)廠(chǎng)家的前端設備都要進(jìn)行一次接入開(kāi)發(fā)，而且多一步轉碼運算，運行效率也就會(huì )有所降低。浙江大華產(chǎn)品經(jīng)理陳志華表示，現在ONVIF協(xié)議漸漸被市場(chǎng)接受，平臺支持ONVIF協(xié)議無(wú)疑是解決前端兼容性的最佳辦法。而平臺與平臺的兼容性則更是現在“平安城市”建設面臨的最大問(wèn)題之一，每個(gè)廠(chǎng)家都有自己的私有協(xié)議，協(xié)議之間不能相互兼容，意味著(zhù)每個(gè)平臺都是一個(gè)大的信息孤島。以前，平臺互聯(lián)的統一標準一直不為大家所關(guān)注，浙江省公安廳走在了行業(yè)的前沿，于2007年制定了《跨區域視頻監控聯(lián)網(wǎng)共享技術(shù)規范》，經(jīng)過(guò)大華、?？?、華三等主流廠(chǎng)家的實(shí)踐和運用，已不斷完善和日漸成熟，2011年已經(jīng)提交公安廳審核，或即將成為國標。有了全國性的平臺互聯(lián)協(xié)議，將極大地提高資源的利用率，節約社會(huì )成本，利國利民。

　　結語(yǔ)

　　安防平臺產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展尚在起步階段，國內市場(chǎng)非常期待高可靠、高穩定、成熟的商用級或者運營(yíng)級平臺產(chǎn)品的出現。視頻監控管理平臺產(chǎn)品的研發(fā)既有有利的方面，如可以借鑒象通訊行業(yè)的經(jīng)驗進(jìn)行技術(shù)積累，把成熟的技術(shù)直接搬到安防領(lǐng)域來(lái)用;也有不利的方面，即安防的應用模式太復雜，必須結合安防的需求，進(jìn)行平臺架構的重整和技術(shù)再造。

　　對于未來(lái)的期許，?？低?/a>產(chǎn)品經(jīng)理趙樹(shù)磊表達了自己的看法，未來(lái)分布式監控管理平臺將成為視頻安防行業(yè)的主流平臺，它可以提升安防監控的便利性，滿(mǎn)足多個(gè)用戶(hù)監控的需求，后續需要做的是協(xié)議的統一，使平臺之間能方便地實(shí)現級聯(lián)。