Системы архивирования видеоинформации: отличительные решения и тенденции.

Системы архивирования видеоинформации: отличительные решения и тенденции.

Несмотря на все более широкое внедрение цифровых технологий, для заказчика вопрос о выборе аналоговой, гибридной или полностью IP-системы все еще открыт. Сейчас тип системы определяется выбранными камерами. Но какую бы систему пользователь ни выбрал, хранение видеоинформации будет осуществляться в цифровом виде и на жестких дисках (HDD). Поэтому вопрос о тенденциях в области хранения видеоинформации будет сводиться к одному: как осуществить запись с камеры напрямую на жесткий диск.
Что касается систем хранения видеоматериалов, мы в одночасье отказались от аналоговых видеомагнитофонов и видеокассет (хотя последние широко применяются во многих системах) и перешли на хранение информации в цифровом виде. Какие преимущества были получены при переходе от видеомагнитофонов? Видеомагнитофоны с аналоговым хранением не позволяют оперативно осуществлять поиск по архиву. Кроме того, дальнейшая обработка аналоговой информации практически не возможна, так как запись видеомагнитофона имеет меньшее качество, чем у исходного сигнала.

Несмотря на все более широкое внедрение цифровых технологий, для заказчика вопрос о выборе аналоговой, гибридной или полностью IP-системы все еще открыт. Сейчас тип системы определяется выбранными камерами. Но какую бы систему пользователь ни выбрал, хранение видеоинформации будет осуществляться в цифровом виде и на жестких дисках (HDD). Поэтому вопрос о тенденциях в области хранения видеоинформации будет сводиться к одному: как осуществить запись с камеры напрямую на жесткий диск.
Что касается систем хранения видеоматериалов, мы в одночасье отказались от аналоговых видеомагнитофонов и видеокассет (хотя последние широко применяются во многих системах) и перешли на хранение информации в цифровом виде. Какие преимущества были получены при переходе от видеомагнитофонов? Видеомагнитофоны с аналоговым хранением не позволяют оперативно осуществлять поиск по архиву. Кроме того, дальнейшая обработка аналоговой информации практически не возможна, так как запись видеомагнитофона имеет меньшее качество, чем у исходного сигнала.
По сравнению с видеокассетой, да и с другими устройствами хранения (flash-карта, CD или DVD) жесткий диск имеет значительно более высокую скорость передачи данных и большую емкость, позволяет записывать видео с качеством выше, чем S-VHS, при использовании соответствующих алгоритмов компрессии аналогового видео. Сейчас широко распространены жесткие диски объемом 750 Гб, что решает проблему длительности записи, которая существовала еще пару лет назад.
В данной статье делается попытка проследить тенденции в области хранения информации. Для наглядности будем рассматривать распределенную (до 2000 камер) систему видеонаблюдения. Проследим возможные варианты развертывания системы и варианты хранения полученной видеоинформации.
Задачу видеонаблюдения можно разбить на три составляющие. Первая – это глаза системы видеонаблюдения – камеры. На данный момент можно выбрать аналоговые, IP (704 х 576 пикселей) или мегапиксельные камеры, что в принципе и определяет будущую систему. Полученное с помощью камер изображение необходимо доставить оператору для принятия оперативных решений в зависимости от наблюдаемой сцены. Кроме этого мы должны обеспечить сохранность видеоматериалов. Идеальная система видеонаблюдения – это сумма трех независимых составляющих: получение изображения, его просмотр и хранение.

Видеорегистраторы
При использовании аналоговых камер необходимо использовать устройства кодирования аналогового сигнала в цифровой, для того чтобы в итоге хранить полученную информацию на жестких дисках.

Цифровой видеорегистратор (DVR) – это некое устройство, к которому подключаются коаксиальные кабели от аналоговых камер. Как правило, такое устройство имеет внутренние или внешние жесткие диски для хранения. Существует огромное количество DVR, такие как PC-Based или Stand Alone, с операционной системой Windows или Linux, с установленными или расширяемыми платами захвата, с разным количеством каналов (4, 8, 16, 24, 30). Однако принцип их работы неизменен – оцифровка сигнала и его хранение. Изображение в режиме реального времени можно получать непосредственно от DVR или объединять видеорегистраторы в сеть Ethernet с целью удаленного просмотра оператором. Очевидным недостатком такой системы является вероятность отказа видеорегистратора. Причем оператор теряет возможность осуществлять мониторинг с камер, а DVR вследствие своей неисправности перестает не только вести запись, но и получать доступ к ранее записанному архиву. Для нашей предполагаемой системы в 2000 камер потребуется 125 16-канальных видеорегистраторов.

Сетевые видеорегистраторы
В описанном выше примере видеорегистраторы имеют предел для хранения видеоинформации. Объем внутреннего хранения DVR около 2ТБ, которые необходимо делить между всеми камерами. Многие видеорегистраторы имеют возможность наращивать дисковое пространство путем подключения внешнего хранилища (USB, SCSI) и достигать десятки терабайт. Однако видеорегистратору все еще приходится быть потенциальной точкой отказа, и помимо этого он проводит оцифровку сигнала, запись и передачу видео для просмотра (многозадачность).

Поэтому логично использовать профессиональные устройства хранения видеоинформации. На рынке IT-технологий подобные решения существуют. Зачем изобретать велосипед? Мы отделим устройство хранения из видеорегистратора. Это устройство получило название сетевой видеорегистратор или Network Video Recorder (NVR). NVR представляет собой программное обеспечение, установленное на сервер, подключенный к сети Ethernet. На сервере создается дисковое пространство (внутренние SATA-диски или внешние SCSI-массивы). Дисковые массивы SCSI (Small Computer System Interface) представляют собой корзину, в которую устанавливаются жесткие диски, образуя высокоскоростную и надежную систему хранения. В настоящее время подобные массивы в среднем имеют 16 лотков для установки дисков емкостью 500 Гб, 750 Гб или 1 Тб. В связи с ростом требований, предъявляемых к размеру дискового пространства и надежности хранения данных, применяют RAID-массивы (Redundant Arrays of Independent Disks). RAID объединяет несколько жестких дисков, если один из дисков выходит из строя, то данные не будут потеряны и вышедший из строя диск можно заменить в процессе работы.
Таким образом, происходит деление видеорегистратора на две независимые системы: хранения и получения изображения, объединенные локальной сетью. Понадобятся устройства, способные получать цифровой поток и передавать его по сети на сетевой видеорегистратор. Можно использовать IP-камеры, позволяющие получать цифровой поток (MPEG4), который направляется на NVR. Для оцифровки аналоговых камер применяются видеокодеры сигнала на 1, 2, 4, 8, 12 или 16 каналов. В отличие от DVR видеокодеры выполняют только функцию кодирования аналогового изображения и передачи его в сеть для просмотра оператором и записи на NVR. Как правило, поэтому производители систем наблюдения наделяют IP-камеры и кодеры возможностью создания двух независимых потоков. Один поток на просмотр – 25к/с с разрешением CIF, а другой от 4 до 12 к/с, 4CIF. Хотя возможно оба потока настроить на максимальную производительность (4CIF@25ips, ~ 3Mbit/sec).

Современные сетевые видеорегистраторы способны вести запись до 300 камер. Для системы в 2000 камер в зависимости от качества кодирования потребуется около 50 серверов. Однако подобные устройства хотя и являются надежными, но требуют соответствующего обслуживания. Сетевой регистратор работает под управлением операционной системы Windows Server 2003, для которого необходимы обновления, и как любой компьютер требует антивирусной защиты. Часто для резервирования применяют отказоустойчивый Failover NVR, способный принять цифровые потоки в случае поломки основного NVR. Таким образом, следующий этап развития систем хранения – исключение сервера.

Прямая запись
Идеальная система IP-видеонаблюдения – это сумма трех составляющих (получение изображения, просмотр и хранение), связанная сетью Eternet. С появлением Fibre Channel (FC) и SAN, построенных на нем, мир storage сделал ставку на сетевой доступ к системам хранения, за сетями хранения данных – будущее. На протяжении нескольких лет FC интерфейс оставался безальтернативным стандартом для их построения, но уже сегодня многие понимают, что наступает время перемен. Интереснейшая система хранения – iSCSI (Internet Small Computer System Interface). iSCSI – это протокол, который базируется на TCP/IP и разработан для установления взаимодействия и управления системами хранения данных, серверами и клиентами. Не вдаваясь в технические подробности, отмечу, что на рынке систем видеонаблюдения устройство представляет собой корзину для установки жестких дисков, напоминающую SCSI, но на тыльной стороне у такой корзины вместо привычного SCSI интерфейса, размещаются разъемы RJ45 для подключения массива в локальную сеть.
,

Как показано выше, по локальной сети передаются потоки от IP-камер или IP-кодеров. Дисковый массив iSCSI принимает цифровой поток непосредственно от IP-устройства по сети и размещает на жестких дисках массива. Компьютер необходим лишь на этапе конфигурирования системы. Суть конфигурирования заключается в том, что диск разбивается на логические разделы (LUN), каждому LUN присваивается IP-адрес камеры или кодера. Однако если потребуется увеличить емкость, отведенную под камеру, то возникают проблемы. При переформатировании данные теряются.
Этот вариант хорошо зарекомендовал себя для небольших гибридных систем, например многоканальный кодер (на 16 камер и имеющий два гигабитных порта) подключается напрямую к дисковому массиву iSCSI. Таким образом, локальная сеть не загружена видеопотоком, направленным на запись.
Как мы знаем, например цифровой видео формата MPEG4 имеет переменную скорость потока, что означает различный объем хранения изображения с камеры, наблюдающей динамичную сцену (вход в офис, особенно в часы пик), или камеры, установленной на тихом заднем дворе или подвале. Поэтому невозможно точно рассчитать место, необходимое для хранения видео в течение, например, 7 суток. Мы либо создаем разделы, которые слишком велики (заказчик переплачивает), либо слишком малы (заказчик в гневе: вместо 7 суток часть камер пишет только 5!).
Поэтому необходим некий инструмент для оптимизации дискового пространства. Например, в нашем проекте будем использовать 80 дисковых массивов iSCSI по 6Тб каждый для 2000 камер, что практические делает нереальным осуществить конфигурацию вручную. Нужен некий управляющий софт (назовем его Video Recording Manager, VRM), в котором вы просто указываете IP-камеры/кодеры и дисковые массивы iSCSI, находящиеся в системе.
VRM представляет концепцию виртуализационного слоя хранения. Этот абстрактный слой позволяет управлять всеми отдельными дисковыми массивами системы как одним виртуальным общим пулом хранения, который интеллектуально распределяется по мере надобности. VRM устраняет необходимость в использовании сетевых видеорегистраторов и связанного с ними серверного аппаратного оборудования, операционных систем, антивирусного ПО, а также постоянных программных исправлений и обновлений, которых требуют эти системы. Благодаря этой новой технологии установка, эксплуатация и обслуживание системы становятся намного более простыми и экономичными. В любой момент времени количество массивов может быть увеличено, качество и продолжительность записи может также меняться в зависимости от текущих потребностей.
На данный момент технология iSCSI работает на скорости до 1 Гбит/сек. В будущем ожидается переход на технологию 10 Гбит/сек. Однако сейчас у iSCSI есть конкурент в лице Fiber Channel со скоростью в 4 Гбит/сек. Производители IP-оборудования готовятся на переход к Fiber Channel, на некоторых моделях видеокодеров присутствует разъем SFP, который используется как для подключения оптического Ethernet, так и для подключения к хранилищу Fiber Channel.
Меняются технологии и скорости, но одно лишь неизменно – жесткий диск.