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固態(tài)硬盤存儲(chǔ)技術(shù)在安防行業(yè)的應(yīng)用
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到目前為止,我國安防監(jiān)控系統(tǒng)主要?dú)v經(jīng)了模擬化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化四個(gè)階段。在這四個(gè)階段都分別出現(xiàn)了不同形態(tài)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),從早先的VCR到DVR,混合DVR到NVR和SAN存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)階段開始大規(guī)模部署高清和網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)以后,智能存儲(chǔ)服務(wù)器出現(xiàn),以呈現(xiàn)更高品質(zhì)的視頻圖像以及精準(zhǔn)的智能數(shù)據(jù)分析和挖掘。在監(jiān)控視頻方面,從原先的“看得見”到“看得清、看得遠(yuǎn)”,再到現(xiàn)在的“看明白、看得懂”,從人工圖像監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析到使用智能分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的實(shí)時(shí)視頻分析和智能監(jiān)控,通過對(duì)海量視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算和處理,能夠?qū)崿F(xiàn)高清視頻畫質(zhì)的細(xì)節(jié)分析,智能挖掘出類似特征和行為數(shù)據(jù),為事件決策和業(yè)務(wù)分析提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

在大規(guī)模的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中,海量高清的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ),如720P、1080P、5MP、8MP等高分辨率IPC的接入,大路數(shù)并發(fā)大碼流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀寫對(duì)存儲(chǔ)的性能挑戰(zhàn)很大。同時(shí)由于越來越多的監(jiān)控應(yīng)用趨向視頻圖像的高清顯示、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、多元信息融合、信息智能挖掘以及大規(guī)模數(shù)據(jù)的智能分析及決策等,在平安城市、智慧城市以及跨地域的大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用當(dāng)中,對(duì)于海量高清視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求意味著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和計(jì)算性能的提升,存儲(chǔ)產(chǎn)品應(yīng)具備高性能、高容量、高可靠性以及可擴(kuò)展性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的深度結(jié)合,滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻數(shù)據(jù)管理的特殊業(yè)務(wù)應(yīng)用。

硬盤作為安防監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)至關(guān)重要的設(shè)備之一,承載著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和保護(hù)數(shù)據(jù)安全的作用。傳統(tǒng)機(jī)械硬盤并不適用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展需求,首先在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云存儲(chǔ)、人工智能以及智能分析等應(yīng)用下要求順序和隨機(jī)讀寫的速度越來越高,遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的性能;其次長時(shí)間的工作需求和惡劣的工作環(huán)境對(duì)普通硬盤來說都是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。更高性能、持久可靠、穩(wěn)定、低耗以及低噪音的專業(yè)性固態(tài)硬盤將更適用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的特殊要求。

一、固態(tài)硬盤技術(shù)介紹

說到固態(tài)硬盤,不得不提及存儲(chǔ)的霸主機(jī)械硬盤。機(jī)械硬盤是過去幾十年的主要存儲(chǔ)介質(zhì)。按照構(gòu)成技術(shù)的不同,硬盤主要分為機(jī)械硬盤(后續(xù)簡稱HDD)和固態(tài)硬盤(后續(xù)簡稱SSD),其中HDD主要由高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片、快速移動(dòng)的磁頭以及磁場電機(jī)等機(jī)械部件組成;SSD是一個(gè)半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器設(shè)備,主要由電路板以及金屬或塑料外殼組成,其中電路板上主要有控制器、緩存芯片和閃存組成,由于沒有盤片、磁頭和馬達(dá)等機(jī)械裝置,所以沒有尋道延時(shí),具有很高的隨機(jī)讀寫能力。

SSD可以從多種維度進(jìn)行分類,按存儲(chǔ)介質(zhì)分為基于Flash、Dram、3DXpointor三種;按使用場景分為企業(yè)級(jí)、消費(fèi)級(jí)和監(jiān)控級(jí)等;按接口類型分為SATA、PCI-E、M.2、U.2、mSATA以及SATAExpress等;按物理尺寸分為2.5英寸、2280、2242等;按照協(xié)議主要分為SATA和NVMe協(xié)議,分別高達(dá)500MB/s和3500MB/s(PCIeGEN3X4為例)以上的順序讀取速度。

由于SSD基本由電子半導(dǎo)體器件構(gòu)成,決定其有電子產(chǎn)品的特點(diǎn),主要有速度快、防振抗摔、低功耗、無噪音、溫升低、啟動(dòng)快、溫度范圍更大、輕便以及壽命長可靠等優(yōu)點(diǎn)。但由于SSD發(fā)展歷程相對(duì)HDD較短,其也具有容量小、價(jià)格高以及磨損限制等缺點(diǎn)。

二、固態(tài)硬盤技術(shù)在安防行業(yè)的應(yīng)用

1.在普通視頻監(jiān)控上的應(yīng)用

在典型的監(jiān)控應(yīng)用場景,由于監(jiān)控系統(tǒng)每秒產(chǎn)生大量的視頻數(shù)據(jù)和小量的日志信息,并伴有隨機(jī)讀取視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放的需求,就需要固態(tài)硬盤保持高速穩(wěn)態(tài)寫入速度的同時(shí)快速響應(yīng)視頻數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀取。消費(fèi)類固態(tài)硬盤的固件主要是滿足消費(fèi)者日常生活中的存儲(chǔ)需求,無法適應(yīng)7x24小時(shí)高數(shù)據(jù)量的讀寫模型需求,往往會(huì)出現(xiàn)寫入速度大幅波動(dòng)。常見故障形象就是錄像數(shù)據(jù)的丟幀造成用戶關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失,這是在安防監(jiān)控領(lǐng)域無法接受的故障現(xiàn)象。

為了解決此類問題,大華存儲(chǔ)S810視頻監(jiān)控系列SSD,固件完全匹配大華視頻文件系統(tǒng),通過智能垃圾回收技術(shù),自適應(yīng)I/O和垃圾回收速率,保持長期穩(wěn)態(tài)高速寫入,完全可以做到7x24小時(shí)的錄像數(shù)據(jù)不丟幀。大華通過長期積累的安防監(jiān)控經(jīng)驗(yàn),掌握各種監(jiān)控場景下的數(shù)據(jù)讀寫模型,將固件的寫入放大優(yōu)化到最小,使固態(tài)硬盤增加2~4倍的使用壽命。功耗方面,相較于其他HDD有明顯降低,更適合市場的應(yīng)用需求。

2.在車載交通監(jiān)控上的應(yīng)用

在車載交通監(jiān)控存儲(chǔ)中有以下兩個(gè)典型的問題:

一是振動(dòng)問題。汽車、火車或高鐵等會(huì)隨著公路起伏或軌道變化劇烈顛簸,在此種場景中最不安全和無法保證的是保存數(shù)據(jù)的硬盤,硬盤一旦出問題,那么所有監(jiān)控信息將會(huì)造成無法挽回的損失。機(jī)械硬盤的天敵就是車載設(shè)備應(yīng)用,因?yàn)檐囕d設(shè)備一直處于不斷振動(dòng),并伴有偶然沖擊,硬盤里高速旋轉(zhuǎn)的盤片和移動(dòng)磁頭間要保證平穩(wěn)就不能有外界的作用力,否則就不能正常運(yùn)行或作用力大時(shí)造成損壞,就好比高速飛行中的飛機(jī)遇上小鳥就能使飛機(jī)毀掉一樣,因?yàn)檫\(yùn)行速度快與小物體相碰后產(chǎn)生巨大力量。目前很多硬盤宣稱有防振動(dòng)設(shè)計(jì),但其實(shí)只是相對(duì)比普通的要好,并不是100%安全。

二是溫度問題。戶外公交和鐵軌視頻監(jiān)控在其高鐵鐵軌安全監(jiān)測項(xiàng)目上使用機(jī)械硬盤作為系統(tǒng)的承載,采集并存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù),集成在特種鐵路軌道檢測小車上,在戶外太陽光直射后,經(jīng)受高溫后頻頻發(fā)生因硬盤問題死機(jī)。在車載DVR中,雖然很多車輛具備空調(diào),但是長時(shí)間運(yùn)行,太陽照射等還是會(huì)造成車內(nèi)溫度的升高。且車廂內(nèi)會(huì)空氣流動(dòng)不暢,而普通機(jī)械硬盤、電源及各芯片功耗很大,一般自然散熱效率太低,需要效率高的風(fēng)機(jī)散熱。但車輛上灰塵、油煙嚴(yán)重,傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)散熱會(huì)把大量灰塵帶進(jìn)機(jī)箱,加上油煙、潮濕等因素,灰塵會(huì)沉積在芯片引腳上形成短路,并阻礙散熱。雖然使用防塵網(wǎng)可緩解壓力,但也會(huì)使得灰塵積聚到防塵網(wǎng)上,造成風(fēng)道堵塞,無法散熱。

固態(tài)硬盤是一個(gè)半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器設(shè)備,沒有像機(jī)械硬盤的電機(jī)、盤片、磁頭等機(jī)械部件,所以具備抗振的特點(diǎn),且可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成普通溫度(0~70℃)和工業(yè)級(jí)寬溫(-40~85℃)。以上特點(diǎn)解決了高溫和振動(dòng)對(duì)于設(shè)備的影響,使設(shè)備得以持續(xù)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

利用固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)還可以為車載監(jiān)控帶來以下優(yōu)點(diǎn):

(1)SSD是車載DVR中抗振性最強(qiáng)的設(shè)備之一,因此不用再為硬盤的抗振花更多的精力設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

(2)由于SSD抗振強(qiáng),因此不怕出現(xiàn)車輛顛簸時(shí)錄像畫質(zhì)的損壞。

(3)由于SSD比機(jī)械硬盤有著更快的隨機(jī)讀寫性能,可保證高端的DVR在網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)訪問監(jiān)控中的速度要求。同時(shí)利用獨(dú)有的穩(wěn)態(tài)寫入技術(shù),長期寫入不掉速,可以做到高達(dá)100MB/s以上,遠(yuǎn)大于普通監(jiān)控8路x2Mb/s(總2MB/s的碼流)的需求,所以可以承擔(dān)更高的畫質(zhì)錄像和多路錄像。

(4)SSD壞掉后可修復(fù)幾率大,在沒有特別嚴(yán)重的物理損壞條件下一般資料不會(huì)丟失。

3.在存儲(chǔ)服務(wù)器上的應(yīng)用

固態(tài)硬盤具有明顯順序和隨機(jī)讀寫速度優(yōu)勢(shì),不僅能夠極大提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用性能,同時(shí)在系統(tǒng)優(yōu)化方面也有積極影響。固態(tài)硬盤在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用形式表現(xiàn)為以下幾種:

(1)固態(tài)硬盤在服務(wù)器上的應(yīng)用

這一方式是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的固態(tài)硬盤部署方式,通過服務(wù)器與PCI-e卡聯(lián)合部署的方式應(yīng)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)當(dāng)中?;诜?wù)器的固態(tài)硬盤就類似于對(duì)大量緩存概念的調(diào)用,無論是信息提供方式還是管理方式都表現(xiàn)出一定的相似性。這一應(yīng)用過程中數(shù)據(jù)的存放地點(diǎn)為服務(wù)器內(nèi)的固態(tài)硬盤,有著時(shí)間花費(fèi)少、部署難度低的優(yōu)勢(shì)。這一部署方式是固態(tài)硬盤存儲(chǔ)速度的集中體現(xiàn),SAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的延遲問題不會(huì)在固態(tài)硬盤應(yīng)用中出現(xiàn)。這一應(yīng)用模式較為適用于大量數(shù)據(jù)的讀取任務(wù),而固態(tài)硬盤的使用極大地改善了數(shù)據(jù)訪問中的延遲問題,對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能優(yōu)化而言是極大的進(jìn)步。

(2)固態(tài)硬盤在存儲(chǔ)緩存上的應(yīng)用

上述應(yīng)用形式在成本消耗方面較大,而基于存儲(chǔ)緩存的固態(tài)硬盤部署方式在成本消耗方面相對(duì)較低,通過對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)中固態(tài)硬盤緩存的設(shè)置來提升整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用性能,這一方式在應(yīng)用過程中不存在設(shè)備的兼容問題。基于存儲(chǔ)緩存的固態(tài)硬盤應(yīng)用形式類似于在存儲(chǔ)一端放置額外的一塊DRAM,在緩存容量不斷增加的同時(shí)也是對(duì)存儲(chǔ)性能的優(yōu)化過程。當(dāng)前不少存儲(chǔ)控制器都是封閉獨(dú)立的系統(tǒng),系統(tǒng)的緩存容量是固定不變的,因此設(shè)置固態(tài)硬盤是增加緩存容量的有效途徑。這一升級(jí)過程并非是對(duì)原有磁盤驅(qū)動(dòng)器的替換過程,而是通過固態(tài)硬盤的加入來擴(kuò)展緩存容量,對(duì)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)顯然是極為有利的。

(3)基于分層存儲(chǔ)的固態(tài)硬盤應(yīng)用形式


所謂的分層存儲(chǔ)主要是從訪問頻率、容量以及性能和時(shí)間等指標(biāo)出發(fā),通過不同的存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ),利用分層存儲(chǔ)管理來促進(jìn)存儲(chǔ)客體的自動(dòng)遷移,簡單來說就是對(duì)資料的重要程度以及訪問量等方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同資料類型的劃分,并存儲(chǔ)至相對(duì)應(yīng)的磁盤空間當(dāng)中。數(shù)據(jù)分層實(shí)施過程中對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)分層操作,訪問頻繁的被分到儲(chǔ)存空間中層次較高的部分,訪問量少的被分配到存儲(chǔ)空間中較低的部分,該種分配數(shù)據(jù)的方式也稱為熱數(shù)據(jù)(訪問頻率高)和冷數(shù)據(jù)(訪問頻率低)。基于分層存儲(chǔ)的固態(tài)硬盤部署方式無論是在存儲(chǔ)系統(tǒng)性能還是性價(jià)比方面都有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

三、固態(tài)硬盤存儲(chǔ)技術(shù)在安防行業(yè)的應(yīng)用機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著4K、H.265、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)技術(shù)以及人工智能等新興技術(shù)在安防領(lǐng)域的逐步應(yīng)用,視頻監(jiān)控高清化和智能化成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。智能化技術(shù)的深入推進(jìn)提升了安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域中復(fù)雜的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)要求,比如需要支持網(wǎng)絡(luò)與AI攝像系統(tǒng),以及要滿足其他終端智能視頻設(shè)備對(duì)高性能、大容量及高耐久性的需求。因SSD技術(shù)具有讀寫速度快、防振抗摔、低功耗、無噪音、溫升低以及輕便小巧等特點(diǎn),更能滿足4K高清視頻、多路并發(fā)存儲(chǔ)保證速度不丟幀、大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)隨機(jī)訪問速度快、AI人工智能、人臉識(shí)別/車牌識(shí)別的搜圖以及快速精準(zhǔn)比對(duì)等需求,這些都是傳統(tǒng)HDD不可比擬的優(yōu)勢(shì)。勢(shì)必讓SSD在新一輪技術(shù)變革的浪潮之巔游刃有余。

同時(shí)我們也看到SSD在安防行業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn):1.SSD是電子半導(dǎo)體器件,正常每GB成本就是普通HDD價(jià)格的近2~3倍,再加上去年底以來的半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)能緊缺,芯片慌,短期內(nèi)SSD價(jià)格不具有優(yōu)勢(shì);2.SSD技術(shù)發(fā)展時(shí)間相對(duì)HDD短,在1989年世界上第一款固態(tài)硬盤才出現(xiàn),到目前為止也就30年左右的發(fā)展時(shí)間。SSD技術(shù)發(fā)展還不夠充分完善,存在存儲(chǔ)容量小(主流在2T以下)、數(shù)據(jù)不能斷電永久保存(需要半年到1年上電一次)以及磨損限制(擦寫次數(shù)有限)等問題;3.新興存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)可能顛覆現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù),如Intel的3DXPonit閃存介質(zhì)比普通SSD的FLASH閃存介質(zhì)高出3~4倍,僅有1/10的延遲時(shí)間和30%的功耗。

隨著個(gè)人PC、普通電腦等應(yīng)用對(duì)SSD的需求越來越大,半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展越來越成熟,F(xiàn)LASH存儲(chǔ)芯片的成本不斷下降,SSD將來應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。當(dāng)SSD的價(jià)格接近HDD時(shí),在安防監(jiān)控存儲(chǔ)領(lǐng)域SSD預(yù)計(jì)會(huì)大規(guī)模的替換HDD,到那時(shí)SSD將會(huì)大規(guī)模取代HDD,SSD可能成為新時(shí)代的存儲(chǔ)霸主。當(dāng)然目前來看,因SSD(速度快,不能斷電長久存儲(chǔ))和HDD(速度一般,可以斷電永久存儲(chǔ))本身特點(diǎn),SSD不太可能完全取代HDD,在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)二者會(huì)同時(shí)并存。

智慧城市建設(shè)的快速推進(jìn),海量視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)呈井噴式增長,高清視頻、智能分析、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展需要存儲(chǔ)企業(yè)為用戶提供兼具創(chuàng)新、低成本、高性能和高可靠性的存儲(chǔ)解決方案,為視頻監(jiān)控應(yīng)用保駕護(hù)航,推動(dòng)整個(gè)安防行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。同時(shí)隨著技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,以及半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步,成本也會(huì)越來越低。固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)必然會(huì)成為未來主流技術(shù),同時(shí)固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)也會(huì)推動(dòng)安防新技術(shù)的不斷進(jìn)步與向前發(fā)展。

 

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