开放的分布式安防视频监控管理平台的技术实现要点

目前安防市场上的多数监控管理平台都是分布式系统,行业内不管是用户、工程商还是产品商都一致认可分布式系统带来的好处。本文从技术实现的角度,描述分布式监控管理平台的关键要点。

开放的分布式软件架构

分布式监控管理平台至少说明了两点:一是软件产品是分布式系统,二是该分布式系统是用于安防监控管理的。软件架构是软件产品的基础,本节从这两个方面来说明分布式监控管理平台的软件架构特点。

与一般的联网系统不一样,分布式系统有两个基本特性,一是透明性,二是开放性。透明性是指系统能够在用户和应用程序面前呈现为单个计算机的特征。一般的联网系统中,如果两个不同的摄像机在不同的服务器上管理,这两个服务器通过网络互连互通,它们就形成了一个联网系统,但这样的联网系统不一定是分布式系统,分布式系统要求这两个摄像机在用户和应用程序看来,都像在一台计算机或一个系统上。透明性又分为访问透明性、位置透明性、复制透明性、并发透明性等类型。

分布式系统要求的开放性,从安防行业来理解,就更加简单和直接。系统要求接入不同类型的设备或系统、不同品牌的设备或系统,同时要求为各类上层应用提供访问接口,服务于各个行业用户。

若干年前,好用的、可供选择的分布式软件架构不多,典型的有COM/DCOM、CORBA、ICE等,后来发展得更容易使用、也更为庞大的软件架构有.NET和J2EE等。但这些软件架构并不能直接就成为分布式监控管理平台的软件架构,因为它们没有包含安防监控的行业需求。适合分布式监控管理平台的软件架构必须具备数据库或目录管理、视频管理、报警管理、存储管理、权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软件架构。在POSA架构里,新需求、新设备的接入都体现为实现一个或一组新的组件和服务。POSA架构从版本1.0、2.0发展到今天的3.0版本。其中,POSA2以组件为设计中心,而POSA3是以服务为中心。在POSA3中,原有的POSA2组件仍然可以很好地工作。POSA组件技术、服务技术,为PVG网络视频管理平台奠定了坚实的基础。

安防视频监控综合管理平台3层架构
安防视频监控综合管理平台3层架构

统一管理的命名体系

有了一个开放的分布式软件架构之后,若要实现分布式软件,还需要一个基础是需要适合的命名体系。在分布式系统中,命名体系的实现通常是在多台计算机上完成的。命名体系一般要考虑两个问题:一是如何组织所有的实体对象,二是如何描述每一个实体对象;一般来说,最常用的组织实体对象的方法是分层描述;而描述每一个实体对象的方法分为两类:一是基于属性的命名系统,一是支持结构化的命名系统。前者描述实体对象的最常用方法是用(属性、值)对来描述,一个实体对象的所有(属性、值)对就组成了该对象的属性集。上述基于属性的命名体系又称为目录服务。轻量级目录访问协议LDAP是目录服务的一种实现。

PVG使用了兼容LDAP的分布式目录服务。在PVG中,每个对象有一个全名,还有一个相对名。例如,av/cam/1@192.168.11.5是一个全局的名称,这个名称的含义是192.168.11.5这台机器上的“av/cam/”组下面的“1”号摄像机。相对名称则是通过上下文识别的简短名称。PVG的每个对象有若干个属性,每个属性有一个唯一的标识符,属性是有不同的类型和相应的值。

PVG的目录服务机制、对象集和属性集构成了PVG网络视频管理平台的命名基础,为分布式的资源定位和查找等应用提供了依据。

适合行业需求的联网方式

分布式监控管理平台要实现和满足行业各种各样的联网需求。在实现这些联网需求时,开发人员很容易想到以下几点:控制信令和数据流是要分开的;要支持各种各样的联网方式;要管理好联网服务器或节点之间实时流和历史流的流向;要管理好节点之间的网络带宽等问题。本节详细分析了这些问题,并给出适合行业需求的参考解释。

控制信令和数据流的分开问题在模拟联网系统中是不需要考虑的,而数字联网系统中则必须考虑。

联网方式一般有两种:一是级联,二是互联。级联是上下级之间的联网,互联反映的是平等关系的联网。

不管是级联的系统描述,还是互联的系统描述,一般都是只指出了控制流的走向,而没有清楚地定义数据流的管理,更没有明确网络带宽的管理。从模拟系统演化过来的数字干线是符合行业需求的流和带宽管理的。

数字干线可以定义为PVG服务器之间建立联系的数字通道。通过干线,若干台PVG可以建立各种网络拓扑结构,为多级数字联网、网络安全和网络带宽管理提供了有力的保障。干线管理的内容有:干线路由选择、复用、抢占及抢占后处理和预留。干线路由选择是指在一个节点上调用其它节点的某路图像的时候,PVG系统将采用什么样的算法来选择最应该经过哪些节点以及哪些干线。干线的复用是指在多个用户在调用同一个摄像机时,后面的用户应该复用已经使用过的干线,而不应该另外再使用一条新的干线。干线的抢占是指当所有的干线都有用户在使用时,PVG系统将采用什么样的算法来抢占新的干线。抢占后处理是指抢占后要友好地通知以前占用该干线的所有用户。干线的预留是指某些干线在配置的时候就专门预留给某些节点,只有这些节点上的用户才能使用预留的干线。预留干线一般应用在特定的场合。

数字干线对实时流的管理在项目中得到了很好的验证,在此基础上,进一步深化,把这个概念演进和推广到对历史图像的管理上。在历史图像的数字干线管理上,通过路由选择、抢占等概念,可以很好地解决网络隔离(例如公安网和视频专网的隔离)、调阅历史图像的问题。

可以说,从模拟干线管理到数字干线管理,再到历史图像的数字干线管理和应用,PVG完成了多次联网功能的跳跃,满足了各种条件下的联网需求。

强大可靠的分布式存储服务

传统的视频录像技术大都采用在普通文件系统上用视频录像文件的方式来进行录像。因为普通文件系统固有的特点,导致在做视频存储应用时出现很多问题。

· 普通文件系统以簇为单位分配磁盘空间,为了提高空间利用率,簇的字节数一般都很小,文件反复读写/创建/删除导致簇不断被分配和释放,时间稍微一长就会产生磁盘碎片,导致磁盘读写性能急剧下降,严重时甚至会损坏磁盘;

· 普通的文件系统采用元数据来保证数据的一致性,鲁棒性不强,一旦元数据受到损害,即使数据部分没有损害,也无法还原。而超过100路的并发录像,若使用普通文件系统,元数据损坏的机率极大;

· 由于文件系统的限制,文件不能太大,也不能太小,一般采用几分钟一个文件进行录像,难以实现检索几秒以前的录像数据,很难支持对正在录像的文件的检索回放;

· 扫描磁盘文件、清理旧录像、检索等操作效率低下,且格式化非常缓慢。

所以,如果采用普通文件来实现存储服务,一般需要很多特殊的手段和技巧来避免上述问题,其中有一个办法就是采用文件预分配机制,多数的DVR厂商使用这个方案。

对于海量的分布式存储,使用上述方案也会碰到很多的挑战,通常更彻底的办法是开发自己的基于磁盘设备块和流媒体特性的文件系统。PVG选择了这个方案,PVG支持的文件系统命名为ROFS(Ring Objects File System)。

ROFS文件系统拥有最高的磁盘读写性能,还有极高的鲁棒性。系统采用大数据块方式读写磁盘,但以视频帧为单位进行提交,视频帧是一个最小可修复的单位,任何一个视频帧损坏不会影响其它视频帧,所以即使在没有任何RAID防护的情况下的硬盘物理损坏也只会损失非常短的一小段录像,如果是软损坏(程序错误导致的损坏)则甚至只会仅仅损失一帧或数帧(<1秒)而已,又因为ROFS为完全自主的文件系统,任何部分数据损坏都不会影响到其它地方的数据(没有破坏的完好数据全部可以修复),所以ROFS有极高的鲁棒性。

因为以视频帧为基本存储单位,一旦一个视频帧写入完成就立即可以进行检索,采用ROFS的录像系统可以检索到40毫秒前的录像。另外,视频帧的索引内建在ROFS中,所以可以快速地定位到任何一个视频帧并开始播放。最后,ROFS的格式化也非常迅速,几T磁盘的格式化时间也只需要数秒的时间。

ROFS文件系统基于POSA3构建的分布式存储服务提供强大的存储服务功能,可以作为云存储的一个现成解决方案。

易于扩充的协议标准化

随着国标GB/T28181<<安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求>>、公安部<<全国公安机关视频图像信息整合与共享工作任务书>>等文件的发布,分布式监控管理平台支持标准化协议势在必行。

如果监控管理平台在设计之初只支持内部的协议,对标准化的协议改造会是碰到一些困难,而PVG由于基于POSA构架,对新协议的满足、协议的扩充是比较容易处理的。事实上,每个协议只需要实现为一个组件或一个服务,就能满足通讯协议规定的要求。PVG已经基本上完成了国标GB/T28181常用功能的实现。

分布式监控管理平台的前沿技术应用

分布式监控管理平台的前沿技术的应用,从近期来看,是进一步强化分布式集群服务的应用,从远期来看,应该是云计算的应用。事实上,我们可以认为分布式集群计算和云计算都是分布式系统的一种特殊形式。当然,云计算还包含运营、服务等更多的概念和内容。

PVG在流媒体转发服务器的模型中,支持多台流媒体的集群计算,其结构如下图2所示。

可以称为云计算监控管理平台的软件应该具备以下几个特点:

· 应该是私有云,是在视频专网上运行的云;

· 是业务和需求驱动的;

· 既是一种技术架构,又是一种创新管理模式;

· 稳定、安全、涉密等是首先需要面对的关键技术问题;

· 移动终端会是云计算监控管理平台的重要入口,移动互联网提供了重要的网络支。

分布式监控管理平台是监控管理平台的主流和方向,平台厂商在面临不同的技术路线、技术方案的选择时采用的思路和方法决定了其产品的高度、深度和广度,所以技术决策不仅需要来源于安防行业、工程商和用户,还需要来源于IT等行业。

监控管理平台的兼容性让平台生命延续

平台兼容性问题一直是平台的老大难问题,由于各个厂家的私有协议、各个运营商标准等等各自并存,没有统一可行的行业标准,各厂商之间甚至厂商自己的产品之间不能互连,无法稳定可靠地组成能容纳不同厂商产品的监控系统。为了解决这个问题,有些设备商以开放心态将自己产品的SDK提供给二次开发商,或是采用中间件技术,由中间件来与不同设备打交道,实现兼容。

中盛益华的研发总监顾长海表示,平台的兼容性是不可避免的问题。平台的兼容性主要包括前端兼容与后端兼容两种需求。所谓前端兼容,即监控平台必须要适应越来越多的前端编码设备,如不同品牌的IPC、DVR与DVS等,随着系统的升级还会涉及兼容不同品牌的NVR。随着高清设备的使用越来越广,监控平台对后端的存储设备也要具备相当的兼容性,另外针对业主的视频上墙管理需求,也必须提供一套适应后端矩阵管理与控制的系统。

目前分布式监控管理平台无论是前端还是后端,采用的大多是私有协议,平台对设备的兼容性往往通过代理的方式来实现,通过代理平台对每个厂家的前端设备都要进行一次接入开发,而且多一步转码运算,运行效率也就会有所降低。浙江大华产品经理陈志华表示,现在ONVIF协议渐渐被市场接受,平台支持ONVIF协议无疑是解决前端兼容性的最佳办法。而平台与平台的兼容性则更是现在“平安城市”建设面临的最大问题之一,每个厂家都有自己的私有协议,协议之间不能相互兼容,意味着每个平台都是一个大的信息孤岛。以前,平台互联的统一标准一直不为大家所关注,浙江省公安厅走在了行业的前沿,于2007年制定了《跨区域视频监控联网共享技术规范》,经过大华、海康、华三等主流厂家的实践和运用,已不断完善和日渐成熟,2011年已经提交公安厅审核,或即将成为国标。有了全国性的平台互联协议,将极大地提高资源的利用率,节约社会成本,利国利民。

结语

安防平台产品及其技术的发展尚在起步阶段,国内市场非常期待高可靠、高稳定、成熟的商用级或者运营级平台产品的出现。视频监控管理平台产品的研发既有有利的方面,如可以借鉴象通讯行业的经验进行技术积累,把成熟的技术直接搬到安防领域来用;也有不利的方面,即安防的应用模式太复杂,必须结合安防的需求,进行平台架构的重整和技术再造。

对于未来的期许,海康威视产品经理赵树磊表达了自己的看法,未来分布式监控管理平台将成为视频安防行业的主流平台,它可以提升安防监控的便利性,满足多个用户监控的需求,后续需要做的是协议的统一,使平台之间能方便地实现级联。

大华陈志华则表示,分布式监控管理平台已经成熟地被产品化,并在市场上广泛地应用,分布式的下一个发展阶段是云计算和云存储。大华股份对此进行了积极的创新和尝试,率先在传统的DVR产品上,创造性地提出DVR3.0的概念,并将云计算的理念运用到DVR的主控程序上,通过设备自组网,实现整个监控联网系统能够在无传统意义上的平台服务器的条件下,实现设备间的流媒体转发、相互存储备份、音视频解码和自我管理。

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