固态硬盘(SSD硬盘)存储技术在安防视频监控行业的应用

  到目前为止,我国安防监控系统主要历经了模拟化、数字化、网络化以及智能化四个阶段。在这四个阶段都分别出现了不同形态的监控数据存储系统,从早先的VCR到DVR,混合DVR到NVR和SAN存储网络。在现阶段开始大规模部署高清和网络化视频监控系统以后,智能存储服务器出现,以呈现更高品质的视频图像以及精准的智能数据分析和挖掘。在监控视频方面,从原先的“看得见”到“看得清、看得远”,再到现在的“看明白、看得懂”,从人工图像监控和数据分析到使用智能分析技术实现智能化的实时视频分析和智能监控,通过对海量视频监控数据的计算和处理,能够实现高清视频画质的细节分析,智能挖掘出类似特征和行为数据,为事件决策和业务分析提供精准的数据依据。
  在大规模的高清视频监控系统应用中,海量高清的视频数据存储,如720P、1080P、5MP、8MP等高分辨率IPC的接入,大路数并发大码流的实时数据读写对存储的性能挑战很大。同时由于越来越多的监控应用趋向视频图像的高清显示、海量数据存储、多元信息融合、信息智能挖掘以及大规模数据的智能分析及决策等,在平安城市、智慧城市以及跨地域的大规模行业应用当中,对于海量高清视频数据存储系统的需求意味着数据存储能力和计算性能的提升,存储产品应具备高性能、高容量、高可靠性以及可扩展性,同时实现与监控系统应用的深度结合,满足视频监控系统对视频数据管理的特殊业务应用。
  硬盘作为安防监控系统内至关重要的设备之一,承载着数据存储和保护数据安全的作用。传统机械硬盘并不适用于安防监控领域的发展需求,首先在海量数据存储、云存储、人工智能以及智能分析等应用下要求顺序和随机读写的速度越来越高,远超出传统机械硬盘的性能;其次长时间的工作需求和恶劣的工作环境对普通硬盘来说都是一个巨大的考验。更高性能、持久可靠、稳定、低耗以及低噪音的专业性固态硬盘将更适用于安防监控领域的特殊要求。

  固态硬盘技术介绍

  说到固态硬盘,不得不提及存储的霸主机械硬盘。机械硬盘是过去几十年的主要存储介质。按照构成技术的不同,硬盘主要分为机械硬盘(后续简称HDD)和固态硬盘(后续简称SSD),其中HDD主要由高速转动的盘片、快速移动的磁头以及磁场电机等机械部件组成;SSD是一个半导体器件组成的存储器设备,主要由电路板以及金属或塑料外壳组成,其中电路板上主要有控制器、缓存芯片和闪存组成,由于没有盘片、磁头和马达等机械装置,所以没有寻道延时,具有很高的随机读写能力。
  SSD可以从多种维度进行分类,按存储介质分为基于Flash、Dram、3DXpointor三种;按使用场景分为企业级、消费级和监控级等;按接口类型分为SATA、PCI-E、M.2、U.2、mSATA以及SATAExpress等;按物理尺寸分为2.5英寸、2280、2242等;按照协议主要分为SATA和NVMe协议,分别高达500MB/s和3500MB/s(PCIeGEN3X4为例)以上的顺序读取速度。
  由于SSD基本由电子半导体器件构成,决定其有电子产品的特点,主要有速度快、防振抗摔、低功耗、无噪音、温升低、启动快、温度范围更大、轻便以及寿命长可靠等优点。但由于SSD发展历程相对HDD较短,其也具有容量小、价格高以及磨损限制等缺点。

  固态硬盘技术在安防行业的应用

  1.在普通视频监控上的应用
  在典型的监控应用场景,由于监控系统每秒产生大量的视频数据和小量的日志信息,并伴有随机读取视频数据进行回放的需求,就需要固态硬盘保持高速稳态写入速度的同时快速响应视频数据的随机读取。消费类固态硬盘的固件主要是满足消费者日常生活中的存储需求,无法适应7×24小时高数据量的读写模型需求,往往会出现写入速度大幅波动。常见故障形象就是录像数据的丢帧造成用户关键数据的丢失,这是在安防监控领域无法接受的故障现象。
  为了解决此类问题,大华存储S810视频监控系列SSD,固件完全匹配大华视频文件系统,通过智能垃圾回收技术,自适应I/O和垃圾回收速率,保持长期稳态高速写入,完全可以做到7×24小时的录像数据不丢帧。大华通过长期积累的安防监控经验,掌握各种监控场景下的数据读写模型,将固件的写入放大优化到最小,使固态硬盘增加2~4倍的使用寿命。功耗方面,相较于其他HDD有明显降低,更适合市场的应用需求。
  2.在车载交通监控上的应用
  在车载交通监控存储中有以下两个典型的问题:
  一是振动问题。汽车、火车或高铁等会随着公路起伏或轨道变化剧烈颠簸,在此种场景中最不安全和无法保证的是保存数据的硬盘,硬盘一旦出问题,那么所有监控信息将会造成无法挽回的损失。机械硬盘的天敌就是车载设备应用,因为车载设备一直处于不断振动,并伴有偶然冲击,硬盘里高速旋转的盘片和移动磁头间要保证平稳就不能有外界的作用力,否则就不能正常运行或作用力大时造成损坏,就好比高速飞行中的飞机遇上小鸟就能使飞机毁掉一样,因为运行速度快与小物体相碰后产生巨大力量。目前很多硬盘宣称有防振动设计,但其实只是相对比普通的要好,并不是100%安全。
  二是温度问题。户外公交和铁轨视频监控在其高铁铁轨安全监测项目上使用机械硬盘作为系统的承载,采集并存储大量数据,集成在特种铁路轨道检测小车上,在户外太阳光直射后,经受高温后频频发生因硬盘问题死机。在车载DVR中,虽然很多车辆具备空调,但是长时间运行,太阳照射等还是会造成车内温度的升高。且车厢内会空气流动不畅,而普通机械硬盘、电源及各芯片功耗很大,一般自然散热效率太低,需要效率高的风机散热。但车辆上灰尘、油烟严重,传统的风机散热会把大量灰尘带进机箱,加上油烟、潮湿等因素,灰尘会沉积在芯片引脚上形成短路,并阻碍散热。虽然使用防尘网可缓解压力,但也会使得灰尘积聚到防尘网上,造成风道堵塞,无法散热。
  固态硬盘是一个半导体器件组成的存储器设备,没有像机械硬盘的电机、盘片、磁头等机械部件,所以具备抗振的特点,且可以根据需要设计成普通温度(0~70℃)和工业级宽温(-40~85℃)。以上特点解决了高温和振动对于设备的影响,使设备得以持续安全稳定地运行。
  利用固态存储技术还可以为车载监控带来以下优点:
  (1)SSD是车载DVR中抗振性最强的设备之一,因此不用再为硬盘的抗振花更多的精力设计和生产成本。
  (2)由于SSD抗振强,因此不怕出现车辆颠簸时录像画质的损坏。
  (3)由于SSD比机械硬盘有着更快的随机读写性能,可保证高端的DVR在网络中随时访问监控中的速度要求。同时利用独有的稳态写入技术,长期写入不掉速,可以做到高达100MB/s以上,远大于普通监控8路x2Mb/s(总2MB/s的码流)的需求,所以可以承担更高的画质录像和多路录像。
  (4)SSD坏掉后可修复几率大,在没有特别严重的物理损坏条件下一般资料不会丢失。
  3.在存储服务器上的应用
  固态硬盘具有明显顺序和随机读写速度优势,不仅能够极大提升存储系统的使用性能,同时在系统优化方面也有积极影响。固态硬盘在存储系统中的应用形式表现为以下几种:
  (1)固态硬盘在服务器上的应用
  这一方式是当前应用最为广泛的固态硬盘部署方式,通过服务器与PCI-e卡联合部署的方式应用于存储系统当中。基于服务器的固态硬盘就类似于对大量缓存概念的调用,无论是信息提供方式还是管理方式都表现出一定的相似性。这一应用过程中数据的存放地点为服务器内的固态硬盘,有着时间花费少、部署难度低的优势。这一部署方式是固态硬盘存储速度的集中体现,SAN网络设备的延迟问题不会在固态硬盘应用中出现。这一应用模式较为适用于大量数据的读取任务,而固态硬盘的使用极大地改善了数据访问中的延迟问题,对存储系统性能优化而言是极大的进步。
  (2)固态硬盘在存储缓存上的应用
  上述应用形式在成本消耗方面较大,而基于存储缓存的固态硬盘部署方式在成本消耗方面相对较低,通过对存储系统中固态硬盘缓存的设置来提升整个存储系统的使用性能,这一方式在应用过程中不存在设备的兼容问题。基于存储缓存的固态硬盘应用形式类似于在存储一端放置额外的一块DRAM,在缓存容量不断增加的同时也是对存储性能的优化过程。当前不少存储控制器都是封闭独立的系统,系统的缓存容量是固定不变的,因此设置固态硬盘是增加缓存容量的有效途径。这一升级过程并非是对原有磁盘驱动器的替换过程,而是通过固态硬盘的加入来扩展缓存容量,对数据信息存储显然是极为有利的。
  (3)基于分层存储的固态硬盘应用形式
  所谓的分层存储主要是从访问频率、容量以及性能和时间等指标出发,通过不同的存储方式实现对数据信息的存储,利用分层存储管理来促进存储客体的自动迁移,简单来说就是对资料的重要程度以及访问量等方面来实现对不同资料类型的划分,并存储至相对应的磁盘空间当中。数据分层实施过程中对数据信息进行自动分层操作,访问频繁的被分到储存空间中层次较高的部分,访问量少的被分配到存储空间中较低的部分,该种分配数据的方式也称为热数据(访问频率高)和冷数据(访问频率低)。基于分层存储的固态硬盘部署方式无论是在存储系统性能还是性价比方面都有相对的优势。

  固态硬盘存储技术在安防行业的应用机遇与挑战

  随着4K、H.265、大数据、云存储技术以及人工智能等新兴技术在安防领域的逐步应用,视频监控高清化和智能化成为行业标准。智能化技术的深入推进提升了安防视频监控领域中复杂的动态数据要求,比如需要支持网络与AI摄像系统,以及要满足其他终端智能视频设备对高性能、大容量及高耐久性的需求。因SSD技术具有读写速度快、防振抗摔、低功耗、无噪音、温升低以及轻便小巧等特点,更能满足4K高清视频、多路并发存储保证速度不丢帧、大数据云存储随机访问速度快、AI人工智能、人脸识别/车牌识别的搜图以及快速精准比对等需求,这些都是传统HDD不可比拟的优势。势必让SSD在新一轮技术变革的浪潮之巅游刃有余。
  同时我们也看到SSD在安防行业应用的挑战:1.SSD是电子半导体器件,正常每GB成本就是普通HDD价格的近2~3倍,再加上去年底以来的半导体行业产能紧缺,芯片慌,短期内SSD价格不具有优势;2.SSD技术发展时间相对HDD短,在1989年世界上第一款固态硬盘才出现,到目前为止也就30年左右的发展时间。SSD技术发展还不够充分完善,存在存储容量小(主流在2T以下)、数据不能断电永久保存(需要半年到1年上电一次)以及磨损限制(擦写次数有限)等问题;3.新兴存储技术的出现可能颠覆现有的存储技术,如Intel的3DXPonit闪存介质比普通SSD的FLASH闪存介质高出3~4倍,仅有1/10的延迟时间和30%的功耗。
  随着个人PC、普通电脑等应用对SSD的需求越来越大,半导体技术发展越来越成熟,FLASH存储芯片的成本不断下降,SSD将来应用会越来越广泛。当SSD的价格接近HDD时,在安防监控存储领域SSD预计会大规模的替换HDD,到那时SSD将会大规模取代HDD,SSD可能成为新时代的存储霸主。当然目前来看,因SSD(速度快,不能断电长久存储)和HDD(速度一般,可以断电永久存储)本身特点,SSD不太可能完全取代HDD,在相当长一段时间内二者会同时并存。
  智慧城市建设的快速推进,海量视频监控数据呈井喷式增长,高清视频、智能分析、云计算和大数据等技术的发展需要存储企业为用户提供兼具创新、低成本、高性能和高可靠性的存储解决方案,为视频监控应用保驾护航,推动整个安防行业的持续发展。同时随着技术和存储技术的持续发展,以及半导体技术的不断进步,成本也会越来越低。固态存储技术必然会成为未来主流技术,同时固态存储技术也会推动安防新技术的不断进步与向前发展。
  作者:宋玲  浙江大华存储科技有限公司

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