分布式視頻監(jiān)控管理平臺(tái)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

　　目前安防市場(chǎng)上的多數(shù)監(jiān)控管理平臺(tái)都是分布式系統(tǒng)，行業(yè)內(nèi)不管是用戶、工程商還是產(chǎn)品商都一致認(rèn)可分布式系統(tǒng)帶來的好處。本文從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，描述分布式監(jiān)控管理平臺(tái)的關(guān)鍵要點(diǎn)。

　　開放的分布式軟件架構(gòu)

　　分布式監(jiān)控管理平臺(tái)至少說明了兩點(diǎn)：一是軟件產(chǎn)品是分布式系統(tǒng)，二是該分布式系統(tǒng)是用于安防監(jiān)控管理的。軟件架構(gòu)是軟件產(chǎn)品的基礎(chǔ)，本節(jié)從這兩個(gè)方面來說明分布式監(jiān)控管理平臺(tái)的軟件架構(gòu)特點(diǎn)。

　　與一般的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不一樣，分布式系統(tǒng)有兩個(gè)基本特性，一是透明性，二是開放性。透明性是指系統(tǒng)能夠在用戶和應(yīng)用程序面前呈現(xiàn)為單個(gè)計(jì)算機(jī)的特征。一般的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，如果兩個(gè)不同的攝像機(jī)在不同的服務(wù)器上管理，這兩個(gè)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)互連互通，它們就形成了一個(gè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但這樣的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不一定是分布式系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)要求這兩個(gè)攝像機(jī)在用戶和應(yīng)用程序看來，都像在一臺(tái)計(jì)算機(jī)或一個(gè)系統(tǒng)上。透明性又分為訪問透明性、位置透明性、復(fù)制透明性、并發(fā)透明性等類型。

　　分布式系統(tǒng)要求的開放性，從安防行業(yè)來理解，就更加簡(jiǎn)單和直接。系統(tǒng)要求接入不同類型的設(shè)備或系統(tǒng)、不同品牌的設(shè)備或系統(tǒng)，同時(shí)要求為各類上層應(yīng)用提供訪問接口，服務(wù)于各個(gè)行業(yè)用戶。

　　若干年前，好用的、可供選擇的分布式軟件架構(gòu)不多，典型的有COM/DCOM、CORBA、ICE等，后來發(fā)展得更容易使用、也更為龐大的軟件架構(gòu)有.NET和J2EE等。但這些軟件架構(gòu)并不能直接就成為分布式監(jiān)控管理平臺(tái)的軟件架構(gòu)，因?yàn)樗鼈儧]有包含安防監(jiān)控的行業(yè)需求。適合分布式監(jiān)控管理平臺(tái)的軟件架構(gòu)必須具備數(shù)據(jù)庫或目錄管理、視頻管理、報(bào)警管理、存儲(chǔ)管理、權(quán)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(gòu)。在POSA架構(gòu)里，新需求、新設(shè)備的接入都體現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)一個(gè)或一組新的組件和服務(wù)。POSA架構(gòu)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(shè)計(jì)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(tái)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　統(tǒng)一管理的命名體系

　　有了一個(gè)開放的分布式軟件架構(gòu)之后，若要實(shí)現(xiàn)分布式軟件，還需要一個(gè)基礎(chǔ)是需要適合的命名體系。在分布式系統(tǒng)中，命名體系的實(shí)現(xiàn)通常是在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成的。命名體系一般要考慮兩個(gè)問題：一是如何組織所有的實(shí)體對(duì)象，二是如何描述每一個(gè)實(shí)體對(duì)象;一般來說，最常用的組織實(shí)體對(duì)象的方法是分層描述;而描述每一個(gè)實(shí)體對(duì)象的方法分為兩類：一是基于屬性的命名系統(tǒng)，一是支持結(jié)構(gòu)化的命名系統(tǒng)。前者描述實(shí)體對(duì)象的最常用方法是用(屬性、值)對(duì)來描述，一個(gè)實(shí)體對(duì)象的所有(屬性、值)對(duì)就組成了該對(duì)象的屬性集。上述基于屬性的命名體系又稱為目錄服務(wù)。輕量級(jí)目錄訪問協(xié)議LDAP是目錄服務(wù)的一種實(shí)現(xiàn)。

　　PVG使用了兼容LDAP的分布式目錄服務(wù)。在PVG中，每個(gè)對(duì)象有一個(gè)全名，還有一個(gè)相對(duì)名。例如，av/cam/1@192.168.11.5是一個(gè)全局的名稱，這個(gè)名稱的含義是192.168.11.5這臺(tái)機(jī)器上的“av/cam/”組下面的“1”號(hào)攝像機(jī)。相對(duì)名稱則是通過上下文識(shí)別的簡(jiǎn)短名稱。PVG的每個(gè)對(duì)象有若干個(gè)屬性，每個(gè)屬性有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，屬性是有不同的類型和相應(yīng)的值。

　　PVG的目錄服務(wù)機(jī)制、對(duì)象集和屬性集構(gòu)成了PVG網(wǎng)絡(luò)視頻管理平臺(tái)的命名基礎(chǔ)，為分布式的資源定位和查找等應(yīng)用提供了依據(jù)。

　　適合行業(yè)需求的聯(lián)網(wǎng)方式

　　分布式監(jiān)控管理平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)和滿足行業(yè)各種各樣的聯(lián)網(wǎng)需求。在實(shí)現(xiàn)這些聯(lián)網(wǎng)需求時(shí)，開發(fā)人員很容易想到以下幾點(diǎn)：控制信令和數(shù)據(jù)流是要分開的;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(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)流和歷史流的流向;要管理好節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬等問題。本節(jié)詳細(xì)分析了這些問題，并給出適合行業(yè)需求的參考解釋。

　　控制信令和數(shù)據(jù)流的分開問題在模擬聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中是不需要考慮的，而數(shù)字聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中則必須考慮。

　　聯(lián)網(wǎng)方式一般有兩種：一是級(jí)聯(lián)，二是互聯(lián)。級(jí)聯(lián)是上下級(jí)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(jí)聯(lián)的系統(tǒng)描述，還是互聯(lián)的系統(tǒng)描述，一般都是只指出了控制流的走向，而沒有清楚地定義數(shù)據(jù)流的管理，更沒有明確網(wǎng)絡(luò)帶寬的管理。從模擬系統(tǒng)演化過來的數(shù)字干線是符合行業(yè)需求的流和帶寬管理的。

　　數(shù)字干線可以定義為PVG服務(wù)器之間建立聯(lián)系的數(shù)字通道。通過干線，若干臺(tái)PVG可以建立各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為多級(jí)數(shù)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。干線管理的內(nèi)容有：干線路由選擇、復(fù)用、搶占及搶占后處理和預(yù)留。干線路由選擇是指在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上調(diào)用其它節(jié)點(diǎn)的某路圖像的時(shí)候，PVG系統(tǒng)將采用什么樣的算法來選擇最應(yīng)該經(jīng)過哪些節(jié)點(diǎn)以及哪些干線。干線的復(fù)用是指在多個(gè)用戶在調(diào)用同一個(gè)攝像機(jī)時(shí)，后面的用戶應(yīng)該復(fù)用已經(jīng)使用過的干線，而不應(yīng)該另外再使用一條新的干線。干線的搶占是指當(dāng)所有的干線都有用戶在使用時(shí)，PVG系統(tǒng)將采用什么樣的算法來搶占新的干線。搶占后處理是指搶占后要友好地通知以前占用該干線的所有用戶。干線的預(yù)留是指某些干線在配置的時(shí)候就專門預(yù)留給某些節(jié)點(diǎn)，只有這些節(jié)點(diǎn)上的用戶才能使用預(yù)留的干線。預(yù)留干線一般應(yīng)用在特定的場(chǎng)合。

　　數(shù)字干線對(duì)實(shí)時(shí)流的管理在項(xiàng)目中得到了很好的驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化，把這個(gè)概念演進(jìn)和推廣到對(duì)歷史圖像的管理上。在歷史圖像的數(shù)字干線管理上，通過路由選擇、搶占等概念，可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)隔離(例如公安網(wǎng)和視頻專網(wǎng)的隔離)、調(diào)閱歷史圖像的問題。

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

　　強(qiáng)大可靠的分布式存儲(chǔ)服務(wù)

　　傳統(tǒng)的視頻錄像技術(shù)大都采用在普通文件系統(tǒng)上用視頻錄像文件的方式來進(jìn)行錄像。因?yàn)槠胀ㄎ募到y(tǒng)固有的特點(diǎn)，導(dǎo)致在做視頻存儲(chǔ)應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)很多問題。

　　· 普通文件系統(tǒng)以簇為單位分配磁盤空間，為了提高空間利用率，簇的字節(jié)數(shù)一般都很小，文件反復(fù)讀寫/創(chuàng)建/刪除導(dǎo)致簇不斷被分配和釋放，時(shí)間稍微一長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生磁盤碎片，導(dǎo)致磁盤讀寫性能急劇下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞磁盤;

　　· 普通的文件系統(tǒng)采用元數(shù)據(jù)來保證數(shù)據(jù)的一致性，魯棒性不強(qiáng)，一旦元數(shù)據(jù)受到損害，即使數(shù)據(jù)部分沒有損害，也無法還原。而超過100路的并發(fā)錄像，若使用普通文件系統(tǒng)，元數(shù)據(jù)損壞的機(jī)率極大;

　　· 由于文件系統(tǒng)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(xiàn)檢索幾秒以前的錄像數(shù)據(jù)，很難支持對(duì)正在錄像的文件的檢索回放;

　　· 掃描磁盤文件、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實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)服務(wù)，一般需要很多特殊的手段和技巧來避免上述問題，其中有一個(gè)辦法就是采用文件預(yù)分配機(jī)制，多數(shù)的DVR廠商使用這個(gè)方案。

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

　　ROFS文件系統(tǒng)擁有最高的磁盤讀寫性能，還有極高的魯棒性。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)塊方式讀寫磁盤，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(fù)的單位，任何一個(gè)視頻幀損壞不會(huì)影響其它視頻幀，所以即使在沒有任何RAID防護(hù)的情況下的硬盤物理損壞也只會(huì)損失非常短的一小段錄像，如果是軟損壞(程序錯(cuò)誤導(dǎo)致的損壞)則甚至只會(huì)僅僅損失一幀或數(shù)幀(<1秒)而已，又因?yàn)镽OFS為完全自主的文件系統(tǒng)，任何部分?jǐn)?shù)據(jù)損壞都不會(huì)影響到其它地方的數(shù)據(jù)(沒有破壞的完好數(shù)據(jù)全部可以修復(fù)),所以ROFS有極高的魯棒性。

　　因?yàn)橐砸曨l幀為基本存儲(chǔ)單位，一旦一個(gè)視頻幀寫入完成就立即可以進(jìn)行檢索，采用ROFS的錄像系統(tǒng)可以檢索到40毫秒前的錄像。另外，視頻幀的索引內(nèi)建在ROFS中，所以可以快速地定位到任何一個(gè)視頻幀并開始播放。最后，ROFS的格式化也非常迅速，幾T磁盤的格式化時(shí)間也只需要數(shù)秒的時(shí)間。

　　ROFS文件系統(tǒng)基于POSA3構(gòu)建的分布式存儲(chǔ)服務(wù)提供強(qiáng)大的存儲(chǔ)服務(wù)功能，可以作為云存儲(chǔ)的一個(gè)現(xiàn)成解決方案。

　　易于擴(kuò)充的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

　　隨著國(guó)標(biāo)GB/T28181-2011<<安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求>>、公安部<<全國(guó)公安機(jī)關(guān)視頻圖像信息整合與共享工作任務(wù)書>>等文件的發(fā)布，分布式監(jiān)控管理平臺(tái)支持標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議勢(shì)在必行。

　　如果監(jiān)控管理平臺(tái)在設(shè)計(jì)之初只支持內(nèi)部的協(xié)議，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議改造會(huì)是碰到一些困難，而PVG由于基于POSA構(gòu)架，對(duì)新協(xié)議的滿足、協(xié)議的擴(kuò)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(xiàn)為一個(gè)組件或一個(gè)服務(wù)，就能滿足通訊協(xié)議規(guī)定的要求。PVG已經(jīng)基本上完成了國(guó)標(biāo)GB/T28181-2011常用功能的實(shí)現(xiàn)。

　　分布式監(jiān)控管理平臺(tái)的前沿技術(shù)應(yīng)用

　　分布式監(jiān)控管理平臺(tái)的前沿技術(shù)的應(yīng)用，從近期來看，是進(jìn)一步強(qiáng)化分布式集群服務(wù)的應(yīng)用，從遠(yuǎn)期來看，應(yīng)該是云計(jì)算的應(yīng)用。事實(shí)上，我們可以認(rèn)為分布式集群計(jì)算和云計(jì)算都是分布式系統(tǒng)的一種特殊形式。當(dāng)然，云計(jì)算還包含運(yùn)營(yíng)、服務(wù)等更多的概念和內(nèi)容。

　　PVG在流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的模型中，支持多臺(tái)流媒體的集群計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

　　可以稱為云計(jì)算監(jiān)控管理平臺(tái)的軟件應(yīng)該具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　· 應(yīng)該是私有云，是在視頻專網(wǎng)上運(yùn)行的云;

　　· 是業(yè)務(wù)和需求驅(qū)動(dòng)的;

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

　　· 穩(wěn)定、安全、涉密等是首先需要面對(duì)的關(guān)鍵技術(shù)問題;

　　· 移動(dòng)終端會(huì)是云計(jì)算監(jiān)控管理平臺(tái)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(jiān)控管理平臺(tái)是監(jiān)控管理平臺(tái)的主流和方向，平臺(tái)廠商在面臨不同的技術(shù)路線、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)決策不僅需要來源于安防行業(yè)、工程商和用戶，還需要來源于IT等行業(yè)。

　　監(jiān)控管理平臺(tái)的兼容性讓平臺(tái)生命延續(xù)

　　平臺(tái)兼容性問題一直是平臺(tái)的老大難問題，由于各個(gè)廠家的私有協(xié)議、各個(gè)運(yùn)營(yíng)商標(biāo)準(zhǔn)等等各自并存，沒有統(tǒng)一可行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各廠商之間甚至廠商自己的產(chǎn)品之間不能互連，無法穩(wěn)定可靠地組成能容納不同廠商產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)。為了解決這個(gè)問題，有些設(shè)備商以開放心態(tài)將自己產(chǎn)品的SDK提供給二次開發(fā)商，或是采用中間件技術(shù)，由中間件來與不同設(shè)備打交道，實(shí)現(xiàn)兼容。

　　中盛益華的研發(fā)總監(jiān)顧長(zhǎng)海表示，平臺(tái)的兼容性是不可避免的問題。平臺(tái)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(jiān)控平臺(tái)必須要適應(yīng)越來越多的前端編碼設(shè)備，如不同品牌的IPC、DVR與DVS等，隨著系統(tǒng)的升級(jí)還會(huì)涉及兼容不同品牌的NVR。隨著高清設(shè)備的使用越來越廣，監(jiān)控平臺(tái)對(duì)后端的存儲(chǔ)設(shè)備也要具備相當(dāng)?shù)募嫒菪?，另外針?duì)業(yè)主的視頻上墻管理需求,也必須提供一套適應(yīng)后端矩陣管理與控制的系統(tǒng)。

　　目前分布式監(jiān)控管理平臺(tái)無論是前端還是后端，采用的大多是私有協(xié)議，平臺(tái)對(duì)設(shè)備的兼容性往往通過代理的方式來實(shí)現(xiàn)，通過代理平臺(tái)對(duì)每個(gè)廠家的前端設(shè)備都要進(jìn)行一次接入開發(fā)，而且多一步轉(zhuǎn)碼運(yùn)算，運(yùn)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(xiàn)在ONVIF協(xié)議漸漸被市場(chǎng)接受，平臺(tái)支持ONVIF協(xié)議無疑是解決前端兼容性的最佳辦法。而平臺(tái)與平臺(tái)的兼容性則更是現(xiàn)在“平安城市”建設(shè)面臨的最大問題之一，每個(gè)廠家都有自己的私有協(xié)議，協(xié)議之間不能相互兼容，意味著每個(gè)平臺(tái)都是一個(gè)大的信息孤島。以前，平臺(tái)互聯(lián)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)共享技術(shù)規(guī)范》，經(jīng)過大華、?？?、華三等主流廠家的實(shí)踐和運(yùn)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(guó)標(biāo)。有了全國(guó)性的平臺(tái)互聯(lián)協(xié)議，將極大地提高資源的利用率，節(jié)約社會(huì)成本，利國(guó)利民。

　　結(jié)語

　　安防平臺(tái)產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展尚在起步階段，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)非常期待高可靠、高穩(wěn)定、成熟的商用級(jí)或者運(yùn)營(yíng)級(jí)平臺(tái)產(chǎn)品的出現(xiàn)。視頻監(jiān)控管理平臺(tái)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(yàn)進(jìn)行技術(shù)積累，把成熟的技術(shù)直接搬到安防領(lǐng)域來用;也有不利的方面，即安防的應(yīng)用模式太復(fù)雜，必須結(jié)合安防的需求，進(jìn)行平臺(tái)架構(gòu)的重整和技術(shù)再造。

　　對(duì)于未來的期許，海康威視產(chǎn)品經(jīng)理趙樹磊表達(dá)了自己的看法，未來分布式監(jiān)控管理平臺(tái)將成為視頻安防行業(yè)的主流平臺(tái)，它可以提升安防監(jiān)控的便利性，滿足多個(gè)用戶監(jiān)控的需求，后續(xù)需要做的是協(xié)議的統(tǒng)一，使平臺(tái)之間能方便地實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)。

　　大華陳志華則表示，分布式監(jiān)控管理平臺(tái)已經(jīng)成熟地被產(chǎn)品化，并在市場(chǎng)上廣泛地應(yīng)用，分布式的下一個(gè)發(fā)展階段是云計(jì)算和云存儲(chǔ)。大華股份對(duì)此進(jìn)行了積極的創(chuàng)新和嘗試，率先在傳統(tǒng)的DVR產(chǎn)品上，創(chuàng)造性地提出DVR3.0的概念，并將云計(jì)算的理念運(yùn)用到DVR的主控程序上，通過設(shè)備自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠在無傳統(tǒng)意義上的平臺(tái)服務(wù)器的條件下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、相互存儲(chǔ)備份、音視頻解碼和自我管理。