ビデオ監視のためのITインフラストラクチャの組織の特徴

ビデオ監視システムの市場（現在、流行の用語であるビデオ監視を使用し始めています）は急速に発展しており、非常に技術的です。 最新のビデオ監視システムの急峻さは、カメラのパワーとソフトウェア機能だけでなく、これらすべてに対応するITインフラストラクチャによっても決まります。



もちろん、1台のコンピューター、シンプルなサーバー、またはNVRで対応できる数十台のカメラの小規模な設置については話していません。もちろん、IPソリューションのみが考慮されているため、アナログビデオ監視は過去のものです。



特にビデオ分析（検出、追跡、認識）、キャッシュソリューションとの統合、複雑なセキュリティシステム（ACS、OPS）に関連する追加機能が必要な場合、数百または数千のカメラに関しては、1台のサーバーまたは既製のソリューションをそのまま使用することはできません） この場合、最適なソリューションは、ビデオ監視用の専用ソフトウェア-VMS（ビデオ管理ソフトウェア）を使用することです。これは、多数のIPカメラの拡張とサポート、およびプロジェクトに必要なすべての機能を提供します。



このようなソフトウェアを展開するには、多くのビデオストリームを処理し、必要な追加機能を実装するサーバーのファーム全体を含む専用のITインフラストラクチャを作成する必要があります。 これでビデオアーカイブを記録して保存するには

インフラストラクチャを使用できます：

• ローカルサーバーメディア
• 直接接続ストレージ（DAS）-サーバーに直接接続するディスクシェルフ。
• および/またはファイルまたはブロックアクセスを備えた専用ストレージシステム。

当然、サーバーとは、ビデオ監視ソフトウェア（VMS）がインストールされているサーバーを意味し、条件付きでそれらをビデオサーバーと呼びます。

多数のビデオストリームを高性能で処理するには、深刻な計算能力が必要です。 まず第一に、これはRAMの点でプロセッサリソースに関係します。ビデオサーバーは通常は貪欲ではなく、サーバーごとに8〜16 GBのRAMで十分ですが、もちろん例外もあります。

100ストリームビデオサーバーの要件

コンピューティングリソースの要件、そして最も重要なのは、深刻なビデオ監視プロジェクトで提示されるストレージサブシステムの要件を評価してみましょう。 ビデオサーバーは、ビデオアナリティクスに重点を置くことなく、アーカイブ内のビデオストリームやその他の必要なVMS機能を受信、処理、記録するという事実から進みます。 アーカイブからのリアルタイム監視およびビデオ再生のためのIPカメラからの画像表示は、専用ワークステーション（リモートワークステーション）から実行する必要があります。これにより、ビデオサーバーから計算負荷のかなりの部分（最大半分）を削除できます。 CCTV監視システムは、VMSに接続するための特別なクライアントソフトウェアと、大画面で多くの写真を表示する機能を備えた非常に強力なPCレベルのグラフィックステーションです。



ONVIFプロトコル（IPカメラとVMSの相互作用のオープンスタンダード）を使用して、フルHD解像度（1920x1080）、基本的なH.264コーデック、フレームレート25フレーム/秒で、1つのIPカメラからストリームを取得します。 。 VMSのマーケットリーダーの1つであるオンライン計算機ITV | AxxonSoftによると、このようなビデオストリームは6.86 Mbit / sのトラフィックを生成します。



4コアIntel XeonプロセッサーE3-1225 V3により、 100のビデオストリームを余裕を持って処理するために必要なコンピューティングリソースを提供できます。 現在の標準では、この割合はかなり弱く、RAM上では8〜16GBを割り当てるのに十分です。 その結果、電力の面では、安価な1Uサーバーまたは優れたデスクトップPCでも実現できます。 ただし、ビデオ録画のアーカイブ用のストレージでは、事態はより複雑です。



24時間録画の対象として、100ストリームにつき1か月の深さ（標準要件）でビデオアーカイブを保存するには、途方もなく複雑な計算で確認できる約212 TBの有効容量のストレージが必要です。



（6.86 Mbit / s * 3600 s * 24h * 30d * 100台のカメラ）/（8 * 1024 * 1024）= 211.97 TB、1 TB = 8 * 1024 * 1024 Mbit



この容量のストレージは、多数の大容量ディスク（4-6-8-10 TB）を使用して実現されます。 これらはそれぞれ独立して使用でき、製造元に応じてVMSがデータを順次書き込むか、すべてのディスクに一度に分散します。 このアプローチの短所：

• 信頼性-ディスクに障害が発生すると、ビデオアーカイブの一部が失われます。
• パフォーマンス-ビデオ監視ソフトウェアのレベルでレコードがディスク間で分散されていない場合、1つのディスクのパフォーマンスに依存します。

RAIDアレイの使用

この問題の解決策は、ドライブをRAIDアレイ（RAIDグループ）に結合することです。 ローカルおよびサーバードライブに直接接続されている場合-専用ハードウェアRAIDコントローラーを使用します。



RAIDテクノロジーにはいくつかのレベル（実装方法）があり、その主なものは0、1、10、5、6、50、60です。RAID-0はストライピングで、データはアレイのすべてのディスクに並行して書き込まれます。 RAID-1およびRAID-10-ミラーリング、データ記録はディスクのペアで複製されます。 レベル5、6、50、60-パリティ、チェックサムを計算します。チェックサムは、アレイの1つまたは2つのディスク（ディスクグループ）と同等の容量を使用しながら、すべてのディスクに分散されます。



RAID-0はこのジャンルの古典であり、個人の不幸なIT専門家や個々のビデオ監視インテグレーターに愛されているアレイタイプです。 速度は最大であり、冗長性のためのオーバーヘッドはありません-速度はありません。使用可能なボリュームはrawと同じです。 したがって、1つのドライブがクラッシュすると、復旧の可能性なしにアレイ内のすべてのデータが失われます。 このRAIDレベルは、データ損失が許容可能であり、重要ではないテスト環境にのみ適しています。 およびビデオ監視用。



RAID- 1-2つのディスクのみに設計されているため、適切ではありません。



RAID-10 （多くのミラー化されたRAID-1ペアからのRAID-0）-オーバーヘッドが高すぎるため、未処理の総容量の半分しか使用できないため、適切ではありません。 順次操作では、記録速度がレベル5、6、50、60に劣ります。



RAID-5およびRAID-50 （複数の同一のRAID-5グループのRAID-0）-RAID-6およびRAID-60（2つではなくディスクグループの冗長性のために1つのディスク）よりもオーバーヘッドがわずかに少なく、高速に動作しますが、 1つのドライブのみの障害に耐えることができます。 そのようなアレイを再構築する場合、それらの負荷が何度も増加し、別のディスクが急激に出てくる可能性が高くなります。これは特に、大容量ディスクが使用されるビデオ監視の場合に当てはまります。 再構築が完了する前に別のディスクが飛び出すと、アレイ全体のデータカーンが失われます。 したがって、ビデオ監視にRAID-5およびRAID-50を使用することは望ましくありません。





ビデオ監視の場合、最適なレベルは6と60 （複数の同一のRAID-6グループのRAID-0）です。これらは最大の信頼性を提供し、2台のディスクの同時障害に耐えることができるためです。





一般に、ランダムアクセスにはRAID-10を使用する必要がありますが、長年にわたり、フォールトトレランスのためにIT業界のタスクではRAID-6とRAID-60を使用することがベストプラクティスでした。



ビデオ監視の場合、これらのRAIDレベルは、ビデオストリームに典型的な優れたシリアルアクセスパフォーマンスを示すため、特に重要です。 このような状況では、RAID-6またはRAID-60はRAID-10よりも望ましいです。

• 順次書き込み速度は高速です-RAID-6 / 60では、RAID-10よりも有用なスピンドルがあります。
• オーバーヘッドの削減-RAID-10の半分のディスクではなく、RAID-6 / 60のディスクグループ全体の冗長性のために2つのディスクのみ。
• フォールトトレランスが高い-RAID-6 / 60を使用すると、任意の2つのディスクの同時障害を解決できます。RAID-10は、1つのディスクのみに障害が発生した場合のデータの安全性を保証します。

RAID-10と比較したRAID-6およびRAID-60の重要な欠点に注意する必要があります-RAID 5と50で状況が同じ場合、1つまたは2つ以上のディスクが飛び出した場合、パフォーマンスが大幅に低下します。 RAID-10チェックサムは、パフォーマンスの低下を実質的に除外することを考慮していません。 ただし、RAID-10の容量の半分が非常に大きなボリュームを必要とするビデオ監視のためにミラーの下にあることを考えると、それを使用することは合理的ではありません。 高性能ハードウェアRAIDコントローラーまたはストレージシステムを使用する場合、アレイとシステム全体を計画すると、RAID-6 / 60アレイの劣化は災害を引き起こさず、ディスク容量が効率的に使用されます。

100ストリームビデオサーバーストレージの計画

RAIDテクノロジーへの理論的なエクスカーションから戻って、212TBのアレイが必要であることを思い出してください。 このようなボリュームのストレージを整理するには、RAID-6またはRAID-60を使用する場合、それぞれ10 TBの26〜30個のHDDが必要です。

• 26ディスクの1つのRAID-6グループ：24ディスク—使用可能なボリューム、2ディスク—チェックサム。
• 14個のディスクまたは同様のRAID-60を備えた2つの個別のディスクグループRAID-6。
• 10個のディスクまたは同様のRAID-60の3つの個別のRAID-6ディスクグループ。

このような数のディスクは、特別な4Uラックマウントサーバープラットフォームにのみ配置できます。または、1Uサーバーを備えた外部ディスクシェルフを使用して、ストリーム処理を実行できます。 いずれの場合でも、RAID-6 / 60をサポートする適切な専用（マザーボードに組み込まれていない）ハードウェアRAIDコントローラーを使用する必要があります。これにより、このような数のディスクを引き出し、性能が低下した場合のアレイの正常な動作を保証できます-1-2ディスクの故障。

500 Stream Video Serverの要件

500台のIPカメラのシステム要件を考慮してください。 この場合、2つのIntel Xeon E5-2630 V3プロセッサー（2.4 GHzで8コア）、できれば2つのIntel Xeon E5-2680 V3プロセッサー（2.5 GHzで12コア）が必要です。 したがって、サーバープラットフォームはデュアルプロセッサである必要があり、1台のサーバーで十分に対応できます。



この場合のビデオアーカイブの有効容量は1PBを超えます。正確な場合は、

1,059.84 TB、これらは117個の10 TBドライブであり、多様性のために、余裕を持って120ドライブを使用することをお勧めします。 RAIDアレイにチェックサムを配置するためのオーバーヘッドには、このようなディスクをさらに10〜20〜30個、たとえば26〜14〜10個のディスクの5〜10〜15個のRAID 6/60ディスクグループが必要です。 このような数のディスクは、標準のサーバープラットフォーム（4Uサーバーあたり最大24-36 3.5インチHDD）には収まらないため、外部ディスクシェルフが必要になります。 この場合、1つのソリューションは、カスケード接続された2ソケット1Uサーバーと2つの4Uディスクシェルフ（90 + 60 HDD）になります。 正しいRAIDコントローラーは必要な数のディスクを引き出すことができ、2本のMini-SAS HDケーブルを最初のバスケット（ディスクシェルフ）に接続し、2つ目のバスケットを最初のバスケットに同じケーブルで引っ掛けます。

ロードシェアリングと叙情的な余談

深刻な負荷を生成する100台および500台のIPカメラ用のビデオ監視システムのITインフラストラクチャの設計例を検討しました。 このようなビデオ監視システムを小さくて安価と呼ぶことは不可能です。 100台のカメラ用のシステムは、少なくとも平均的なプロジェクトであり、500台はすでに大きなプロジェクトです。 それにもかかわらず、どちらの場合でも、1台のサーバーで対応できました。最初の場合はディスクシェルフがないか、1台の場合は2台目の大きなバスケットで十分です。



計算能力とディスクサブシステムのパフォーマンスの観点から、このアプローチは機能し、1台のサーバーがすべてを取り出します。 100スレッドと500スレッドの値はかなりarbitrary意的であり、プロジェクトの機能、負荷の複雑さ、選択したVMSによって決まります。 実際には、実数はサーバーごとに50〜100〜200スレッドになる可能性があります。 結局のところ、タスクに本格的なビデオ分析が含まれる場合、またはアーカイブからのデータの連続的なマルチスレッド表示が実行される場合、非常にクールなプロセッサーと既に50-100スレッドのディスクサブシステムのパフォーマンスに出会うことができます。 したがって、数百または数千のカメラがある場合、負荷（ハードウェア構成に応じて50、100、または200）のストリームを共有するビデオサーバーのファーム（多く）を展開する必要があります。 それぞれが直接接続ドライブ（DAS）にデータを保存する複数の同一のビデオサーバー間での負荷分散は、ビデオ監視の標準的な方法です。



単純な状況では、システムに追加の分析負荷なしで安定した安定した高品質のビデオ録画が必要な場合、アーカイブからの表示は1台のカメラを使用して実行されます（時々、または常時使用可能）-サーバーごとに500台のIPカメラがすでに現実的です。 18コアのプロト、複数のRAIDコントローラー、および多数のディスクバスケットを配置すると、理論的には1つのサーバーで1000以上のスレッドをハングさせることができます。 原則として、上記の一連のDASサーバーの概念に従って、500台以上のカメラを備えた複数のサーバーから大規模システムを構築できます。



ITインフラストラクチャのコスト、展開と管理の複雑さの観点から、このオプションは最適です。最も安価で、シンプルで、最小限のITコンピテンシーです。 以下で説明するネットワークとストレージシステムに煩わされる必要はありません。 ビデオ監視システムのほとんどのインテグレーターはこのアプローチを使用します;つまり、彼らは単に方法がわからないだけです。 さらに、ビデオ監視（VMS、カメラ、ケーブル）の直接のインストール、設計、および構成において、それらはエースになる可能性があります。 そして、これは正常なことであり、すべてを知ることや実行することは不可能です。この場合、深刻なプロジェクトで作業する場合、ITインフラストラクチャは専門家に任せなければなりません。 検討されている例でも、適切な機器の選択、ディスクサブシステムの最適な設定、サーバーOSの適切なインストールと構成、および必要に応じてお客様の共通ITインフラストラクチャへの統合は、単純ではなく、高度に専門化された知識が必要です。 したがって、このタスクは顧客のITスペシャリスト、パートナー組織のプロファイル、またはビデオ監視インテグレーターがこれらの能力を持っている必要があります。

冗長性の必要性

大規模なビデオ監視システムを構築するためのDASサーバー（1つの強力なサーバーまたはサーバープール）の概念を使用して、ビジネスに戻りましょう。その魅力は、フォールトトレランスとストレージサブシステムのメンテナンスに関して非常に重大な欠点があります。



プレミアムメーカーの電源でも、電源やネットワークインターフェイスが重複していても、標準的なサーバーは、少なくとも1つの単一障害点（マザーボード）があるため、障害を起こす可能性があります。 原則として、サーバーディスクコントローラーも複製されません。プロセッサ、RAM、その他の要素が故障する可能性があります。



ビデオ監視システムが1つのサーバー上に構築されており、複製（予約）されていない場合、卵を1つのバスケットに入れます。 このビデオサーバーが誤動作（失敗）し、これが発生すると、ビデオを修正するまでビデオに書き込む場所がなくなりますが、ビデオアーカイブを部分的または完全に失うリスクがあります。 これは、500台以上のカメラを搭載したステロイドモンスターの卵にとって特に危険です。すべてが単一のサーバーに結び付けられているため、これを回避し、複数のサーバーに負荷を分散する方がよいでしょう。



負荷がDASサーバーファーム全体に分散されると、状況は改善されます。 ファームサーバーの1つに障害が発生した場合、そのサーバーが提供するシステムのカメラの一部のみが失われ、そのビデオアーカイブのみが危険にさらされます。



ただし、ビデオサーバーの回復中に数百または数百のカメラが失われることは、多くの場合容認できません。 したがって、バックアップビデオサーバーを提供する必要があります。 これを行うには、ビデオ監視サーバーのプールに1つ以上の専用バックアップサーバーを追加する必要があります。 通常モードでは、すべてのプライマリサーバーが稼働している場合、バックアップサーバーはアイドル状態になりますが、1つ以上のプライマリサーバーがクラッシュすると、VMSは自動的にフローをバックアップサーバーに切り替えます。 バックアップサーバーの計算能力と構成は、理想的にはプライマリサーバーと同一である必要があり、ストレージ容量は、プライマリサーバーの回復時間に十分なアーカイブ深度を提供する必要があります。 当然、VMSは冗長性またはクラスタリング機能をサポートする必要があり、適切なライセンスを購入する必要があります。

ストレージアプローチ

私たちの意見では、代替アプローチはより正確で、信頼性が高く、技術的です-コンピューティングリソースとストレージリソースの分離。 この場合、VMSがインストールされ、ビデオストリームが処理され、データが1つ以上のフォールトトレラントな2コントローラーの外部データストレージシステム（SHD）に保存される、1-2Uサーバーのフェールセーフクラスターを作成します。 これらの2組のリソースは個別にスケーリングできるため、クラスターサーバーの数、ストレージパフォーマンス、ディスクリソースが増加します。



サーバーとは異なり、正しいストレージシステムには単一障害点がありません。SHDは特殊なハードウェアとソフトウェアの複合体であり、その唯一のタスクは信頼できるストレージであり、必要なデータ入出力速度を確保することであり、デフォルトではフォールトトレランスが設定されています。



ストレージシステムが単一のソリューションである場合、すべての要素が複製されるか、冗長性が確保されます。ストレージシステムの主な要素はコントローラー（ストレージプロセッサ）です。入力/出力処理を実行し、ディスクをRAIDグループに結合し、ストレージシステムにデータを保存するエンドデバイス（ビデオサーバー-クラスターノード）に提供される論理パーティションまたはボリュームを作成します。適切なストレージには2つのコントローラーがあります。通常モードでは、両方のコントローラーが負荷を半分に共有し、一方が停止（障害）した場合、2番目のコントローラーは停止せずに自動的に負荷全体を引き継ぎ、エンドノード（ビデオサーバー）に対して透過的で非表示になります。ストレージドライブが結合されたRAIDグループにより、1つ以上のドライブの障害に耐えることができます。ネットワークインターフェイスと電源が重複しています。という意味ですストレージシステムに単一障害点がないこと、パッシブプリント回路基板のみが複製されていないこと、理論的には破損しないこと。このようなストレージシステムを無効にするには、xまたはバケツの水のみを使用できますが、この場合は「トラベルカードを取得」し、完全に幸福にするために2番目の同じストレージシステムにデータを複製します。はい、それは高価ですが、タスクが非常に重要である場合、あなたはお金のために申し訳ありませんが、主なことはそのような技術的な可能性があるということです。



ストレージは分散することができます。その場合、容量とパフォーマンスが直線的に増加する一方で、ディスクで満たされた同一のブロックノードによって水平方向にスケーリングされます。このようなソリューションのフォールトトレランスは、それぞれノードレベルの冗長性により実現され、個々のディスクだけでなく、全体として複数のノードの障害を提供します。これは、数千台のカメラがある非常に大規模なインフラストラクチャに当てはまる場合があります。



いずれにせよ、特殊なストレージと、しばしば大幅に切り捨てられたOS（オペレーティングシステム）が通常のストレージシステムの基盤であり、ストレージ以外のタスクは除外されます。このため、OSおよび汎用ソフトウェアを備えた従来のサーバーとは対照的に、データアクセスの最大の信頼性と速度が実現されます。

データストレージネットワークの構成

ビデオサーバーは、ファイル（NAS、NFS、SMBなど）またはブロック（SAN、iSCSI、FC、iSERなど）アクセスプロトコルを使用してストレージに接続され、理想的には専用ストレージネットワークの作成が必要です。これを行うには、各ビデオサーバーに適切な物理アダプター（できれば専用で複製）を装備する必要があります。ストレージネットワークのコアは、複数のビデオサーバーとストレージを接続する専用スイッチのペアになります。ストレージネットワークを他のデータ伝送ネットワークから物理的に分離し、組織に別の冗長機器（スイッチとアダプター）を使用すると、シンプルさと透過性、セキュリティと分離、指定された帯域幅とフォールトトレランスが保証されます。







最も単純な場合、強力な10GbEスイッチ（イーサネット、10Gb / s）のペアと各ビデオサーバー用の専用の1-10GbEポートのペアでストレージネットワークを編成するのに十分であり、ファイルNFSを使用するか、iSCSIをトランスポートとしてブロックできます。理論的には、より高いパフォーマンス（非常に大規模なプロジェクト）を必要とする状況では、RDMAサポート（SRP、iSER、RoCE）および対応するスイッチを備えた収束イーサネットまたはInfiniband（IB）アダプターが必要になる場合があり、サーバーでは10ギガビット/秒以上のポートで十分ですが、スイッチとストレージには少なくとも40ギガビット/秒が必要です。十分な帯域幅がある場合、古き良きファイバーシャネル（FC、16Gb / s）も役立ちます。

ビデオ監視にストレージを使用する利点

明らかに、ストレージベースのソリューションのためにストレージネットワークを編成する必要があるため、追加のコストが必要になり、従来のDASソリューションと比較してプロジェクトの複雑さが増します。ただし、このアプローチには、パフォーマンス、信頼性、フォールトトレランスに加えて、他にもいくつかの利点があります。

• サーバー上のローカルまたはDASディスクアレイを整理および保守する必要性を回避します。ビデオ監視システムのほぼすべてのデータはストレージシステムに一元的に保存されます。サーバー上のローカルディスクは、OSとインストールされたVMSでブートパーティションを作成するためにのみ必要です。組織にとっては、マザーボードに組み込まれたコントローラーに基づいてRAID-1に統合された少数の低予算のキャリアで十分です。
  
  
  
  
• 1U-. 2-4U DAS- . RAID- .
  
  
  
  
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そして最後に、ビデオ監視のための深刻なプロジェクトでストレージシステムを使用することを支持する議論の余地のない議論。クラスターにプライマリとバックアップの2つのビデオサーバーのみが含まれている場合でも、VMSサーバーの数に関係なく機能します。ストレージは一般的なリポジトリであり、ビデオ監視クラスターのすべてのノードで常に利用可能です。したがって、メインノードの1つが落ちると、バックアップノードはすべてのビデオストリームを取得し、ストレージシステム上にあるため、同じボリューム上のアーカイブに書き込みを続けます。実際、VMSサーバーエンティティは、すべての設定を使用して、故障した鉄のメインピースからバックアップピースに移動します。このサーバーのビデオアーカイブをその深さまで透過的に操作することが可能になります。もちろん、この機能はビデオ監視ソフトウェア（VMS）のレベルでサポートされる必要があります。



ローカルアレイを使用した従来のDASアプローチでは、共通のストレージを整理することが不可能であるため、これは機能しません。サーバーがクラッシュすると、そのローカルアレイは使用できなくなり、バックアップサーバーはアーカイブをローカルストレージに書き込む必要があります。アーカイブの操作は、クラッシュ後に記録されたデータ内でのみ使用でき、メインサーバーのアーカイブは表示できません。メインサーバーを復元した後、アーカイブの同期に関して質問があります。これは重大な欠陥です。

まとめ

この記事では、ITインフラストラクチャの組織とビデオ監視用のストレージサブシステムの機能を理解しようとしました。ローカル（DAS）ストレージおよびストレージシステムでサーバーを使用するアプローチの長所と短所を調べました。ダウンタイム、障害、機能の低下を許容しない大規模プロジェクトでは、ビデオアーカイブを保存するためのストレージシステムの使用が、多少の複雑さにもかかわらず最適なソリューションであるという結論に達しました。



次の記事では、ビデオ監視用のストレージを選択するための基準を検討します。デザートの場合-RAIDIXベースのストレージ実装を備えた2000台のカメラ用の主要なビデオ監視プロジェクトの説明。