Сервер для IP-видеонаблюдения: выбор состава и ресурсов. СБ№4/2009

Журнал "Системы безопасности" №4/2009, Сервер для IP-видеонаблюдения: выбор состава и ресурсов

При проектировании и построении систем видеонаблюдения одной из основных задач является выбор станционного оборудования, определения его характеристик и состава. И если в аналоговом видеонаблюдении мы имеем практически одинаковые параметры элементов системы (видеокамер), вследствие чего  состав станционного оборудования определяется количеством этих элементов, темпом видеоввода и записи, то в IP-видеонаблюдении видеокамеры могут иметь различный функционал, кодеки, степень компрессии, иметь разный темп видеоввода, разное разрешение и т.п. В связи с этим правильно выбрать состав и ресурсы сервера(ов) для IP-видеонаблюдения бывает не просто.

С развитием технологий, подходы к построению и выбору станционного оборудования для систем видеонаблюдения постоянно менялись. Изначально это были ленточные магнитофоны, мониторы, квадраторы. С внедрением цифровых технологий активное применение получили устройства цифровой обработки изображения: регистраторы, цифровые мониторы. Для обработки и записи видеоинформации параллельно развивались устройства на базе ПЭВМ, так называемые PC-based. Благодаря развитию прикладного ПО для интеллектуальной обработки изображения, возможностям модернизации платформы видеосерверов и постепенного наращивания функционала, а также иным преимуществам PC-based, инсталляторы все более активно используют в качестве станционного оборудования именно этот тип устройств. И если выбор прикладного ПО определяется его характеристиками, функционалом и т.п., и многими пользователями этот выбор уже давно сделан, то выбор платформы для сервера до сих пор вызывает затруднения. Можно ограничиться требованиями производителя ПО к ресурсам ПЭВМ и собрать видеосервер самостоятельно, либо купить в магазине по принципу «не хуже рекомендованного»,. можно приобрести оборудование серверного класса, некоторые делают выбор в пользу промышленных платформ. А меж тем надёжность и производительность платформы видеосервера напрямую влияет на качество и работу станционной части системы видеонаблюдения и всей системы видеонаблюдения в целом.

Конечно, существуют NVR (Network Video Recorder ― сетевой видеорегистратор), но на сегодняшний день их применение не столь широко, как DVR в аналоговом видеонаблюдении.  Функциональные возможности NVR далеко не всегда отвечают требованиям заказчика. Данный тип устройств на сегодняшний день отличается достаточно высокой стоимостью и неспособен конкурировать с PC-based видеосерверами как по набору функциональных возможностей, так и по совокупной стоимости. К тому же к сетевым видеорегистраторам по наследству от DVR перешли все присущие им недостатки (размер архива, расширяемость, ремонтопригодность и пр.).Выбор ПО и выбор платформы – это зачастую взаимосвязанные задачи. Различное ПО имеет различные принципы и алгоритмы обработки информации и, соответственно, предъявляет разные требования к ресурсам платформы. Но т.к. только ПО в конечном итоге определяет функционал системы и, соответственно, удовлетворение требований Заказчика, то оно является первостепенным и начинать выбор надо, безусловно, с него.

Выбор ПО

Подробное рассмотрение вопроса выбора ПО для обработки информации с IP-камер ― это тема не одной статьи. Задача данной  статьи ― охарактеризовать основополагающие моменты в выборе ПО: поддерживаемые ОС, список интегрированных устройств, обеспечиваемый функционал, поддержка со стороны производителя.

Поддерживаемые ОС

Часто возникает вопрос: какую ОС использовать на сервере? ОС семейства Microsoft Windows безусловно наиболее распространены, поддержаны широким спектром прикладного ПО и драйверами оборудования, в каждой компании всегда найдется специалист, который на должном уровне может осуществлять настройку, эксплуатацию и обслуживание сервера с ОС от Microsoft. Также для семейства Microsoft Windows имеется большой выбор прикладного ПО для IP-видеонаблюдения. ОС семейства Linux считаются более надёжными в работе и менее требовательными к ресурсам ПЭВМ, но при этом требуют специфичных знаний и далеко не каждый инженер сможет обеспечить качественную поддержку устройствам на базе данного типа ОС.

Интеграция IP-камер

Если говорить о ПО производителя IP-камер, то естественным образом Вы будете ограничены оборудованием только одного производителя. Кроме того, ПО производителя IP-камер, как правило, сильно ограничено в функционале, и ни о какой интеграции с ОПС и СКУД говорить не приходится. Стоит отметить, что некоторые производители предоставляют ПО в комплекте с камерами бесплатно.

В случае, и построения системы на IP-камерах различных производителей для реализации разного типа задач, требуется продукт, который, соответственно, поддерживает все эти IP-камеры. Присутствие нужной Вам модели IP-камеры в списке интегрированного в ПО оборудования не дает гарантию того, что ПО сможет обрабатывать, например,  звук со встроенного или подключенного микрофона, или сигналы с дискретных входов/выходов и т.д.  В результате, необходимо убедиться в возможности работы ПО конкретно с теми моделями камер, которые будут подключены, а также поддержки именно тех функций камер, которые требуются. Однако, стоит отметить, что все производители ПО стремятся наиболее широко охватить рынок IP-устройств и в минимальные сроки интегрировать новейшие разработки.

Функционал ПО

Если Вы нуждаетесь в интеллектуальной обработке видеоизображения (интеллектуальные детекторы, распознавание автомобильных номеров, лиц и т.п.), собираетесь строить систему на IP-камерах разных производителей, интегрируете, или хотите иметь возможность интеграции с ОПС и СКУД, планируете  строить сложную распределенную систему, состоящую из нескольких серверов, то рынок Вам предлагает достаточно много разнообразных продуктов. Если Вы уже инсталлировали аналоговые системы видеонаблюдения на базе PC-based видеосерверов, то в первую очередь имеет смысл присмотреться к уже знакомому Вам ПО.

Кроме того, необходимо обратить внимание, что многие производители позволяют строить гибридные системы из аналоговых и IP-камер, что может существенно снизить стоимость системы за счёт установки недорогих аналоговых камер там, где функционал IP-камер использовать не требуется.

В результате, выбранное ПО должно соответствовать следующим параметрам:

• поддерживать все те типы IP-камер, и весь функционал, который Вы планируете использовать на объекте на данный момент и в будущем;
• позволять строить распределенные системы с использованием нескольких серверов, либо иметь возможность апгрейда ПО для поддержки этой функции;
• иметь оптимальную структуру, не задействующую ресурсы ПЭВМ на лишние процедуры. Например, ПО не должно конвертировать поток информации с видеокамер в свой формат хранения данных, т.к. лишнее преобразование существенным образом увеличивает требования к ресурсам ПЭВМ, и может ухудшить качество изображения в видеоархиве;
• позволять создавать удаленные рабочие места мониторинга;
• поддерживать ту ОС, которая предполагается к установке на сервере;
• иметь достаточную для Вас техническую поддержку.

Все остальные возможности выбираются исходя из Ваших специфических требований, и возможного развития системы в будущем.

Поддержка

При построении сложных и многофункциональных систем рекомендуется заручиться оперативной и качественной технической поддержкой. С точки зрения настройки IP-видеонаблюдение значительно сложнее, чем аналоговое. Здесь присутствуют настройка непосредственно IP-камер, настройка ПО, и настройка активного сетевого оборудования. В случае, если Вы приобретаете IP-камеры и ПО у одной компании, предварительно оговорив свои требования, то некоторые вопросы, такие как совместимость с ПО, нужные версии «прошивки» камер, поддержка требуемого функционала, решать будет проще.

Выбор платформы

Ресурсы платформы

При рассмотрении ресурсов производительности платформы для IP-видеонаблюдения, определяющими являются четыре основных параметра: производительность процессора, объём оперативной памяти, производительность видеокарты (для видеосерверов с локальным отображением) и скорость Ethernet контроллера. Первые три параметра определяют возможность сервера обрабатывать поток видеоданных, поступающих с IP-устройств. Вот здесь и возникают самые большие трудности. Как оценить этот поток? IP-камеры могут иметь различную частоту кадров и степень сжатия, разное разрешение и могут использовать разные кодеки. Сервер может выводить информацию на свои мониторы, а может ее обрабатывать и передавать на удаленные рабочие места мониторинга. ПО видеонаблюдения может дополнительно нагружать платформу при использовании интеллектуальных детекторов и прочих возможностей обработки и анализа изображения. Зачастую ответы на эти вопросы не могут предоставить ни производители камер, ни производители ПО. Наибольший опыт здесь имеют компании, которые активно занимаются производством готовых видеосерверов, и те компании, у которых большой опыт инсталляций и собственных проектов, в том числе полученных методом проб и ошибок.

Учитывая высокую вариативность IP-видеонаблюдения, точных формул для расчёта, например производительности процессора, выработать практически не возможно. В определении необходимых ресурсов помогут следующие рекомендации:

• Рассчитывать ресурсы ПЭВМ надо всегда по максимальным параметрам. Даже, если в ТЗ указано разрешение меньше, чем возможное на IP-камере, рекомендуется ориентироваться на максимально возможное, то же касается и количества к/с. Станционное оборудование в системах IP-видеонаблюдения занимает не самую существенную часть стоимости, и сэкономив 1–2% стоимости сметы, можно лишится возможности в будущем улучшить параметры системы и перенастроить ее на лучшее качество в процессе установки или эксплуатации.
• Предварительно запросить требования к ПЭВМ у производителя камер с учётом, что будет использоваться ПО производителя. Это даст отправную точку.
• Если у Вас используются разные камеры различных производителей, то можно подобрать примерно аналогичные из линейки одного производителя (основной момент – разрешение и скорость) и сделать аналогичный запрос.
• Запрос на расчёт конфигурации нужно сделать также производителю ПО. Приготовьтесь к тому, что конфигурация по параметрам окажется, скорее всего, завышенной на порядок по отношению к той, что дал производитель IP-оборудования с учётом использования собственного ПО. Это обычно связано с тем, что ПО производителя IP-камер проще и интеллектуальную обработку изображения не производит, используя функционал самой камеры. Может быть это вызвано и тем, что производители ПО обычно перестраховываются и дают завышенные параметры.
• Нагрузка на ПЭВМ с увеличением разрешения камер увеличивается нелинейно, т.е. если камеры 1Mpix нагружают процессор на 30 %, это не означает, что камеры 3Mpix будут нагружать на 90 %. Загрузка процессора в последнем случае составит порядка 60 %.
• Загрузка процессора сильно зависит от того, отображает сервер информацию с камер на своих мониторах или только принимает и обрабатывает. Разница в загрузке может отличаться в 3 и более раза.
• Закладывайте запас производительности платформы не менее 20 %. Он нужен не только для резервирования ресурсов на обработку проектируемой системы, но и для ее дальнейшего развития и наращивания, благо IP-видеонаблюдение к этому располагает, и простота наращивания системы является одним из преимуществ IP-видеонаблюдения.

Посчитать общий входящий поток с видеокамер достаточно легко, зная разрешение, компрессию, кодек, темп видеоввода и обратившись к спецификациям производителя. Но это справедливо, если Вы знаете заранее, какие параметры будете устанавливать на камерах. Мы рекомендуем рассчитывать по максимально возможному потоку с каждой камеры, т.е. когда установлено максимальное разрешение, приемлемая степень компрессии и максимальный темп видеоввода. С кодеком (типом сжатия) сложнее, а на загрузку ЛВС этот параметр влияет существенным образом. Многие видеокамеры имеют возможность передачи изображения с использованием различных кодеков, поэтому какой кодек выбрать, нужно знать заранее исходя из назначения, требуемого качества, пропускной способности ЛВС и т.д. Лучше всего предварительно протестировать камеру и увидеть все варианты самостоятельно.

Рассчитать исходящий поток из сервера по спецификациям производителя IP-оборудования не всегда получается. Разные производители ПО закладывают разные алгоритмы передачи данных на УРМ. Некоторые передают все изображение как есть, и тем самым обеспечивают мгновенную реакцию УРМ на команды управления, переключения между раскладками камер и т.п. Некоторые передают только то, что показывается в данный момент на мониторе и в том разрешении, которое на данный момент отображается. Соответственно и потоки будут разные. Ошибкой не будет, если рассчитывать пропускную способность, исходя из максимально возможного потока передаваемого на УРМы ― равного входящему с IP-камер умноженному на количество УРМ.  Если же расчётной пропускной способности недостаточно или необходимо сделать более точный расчёт, то придётся обращаться к производителю ПО за консультацией о том, как устроена передача данных на УРМ.

Суммарные исходящий и входящий потоки не должны превышать 50 % пропускной способности Ethernet контроллера ПЭВМ. Повысить его пропускную способность можно несколькими способами:

• Разделив входящий и исходящий потоки на два  Ethernet контроллера ПЭВМ. Для этого необходимо иметь сервер с двумя сетевыми картами и заранее узнать, поддерживает ли данную возможность прикладное ПО.
• Установить Ethernet контроллер, имеющий режим объединения двух и более физических входов в один виртуальный с увеличением скорости кратно их числу.
  Использовать оптические каналы связи.

Видеоархив

Мегапиксельные IP-камеры уже не экзотика. Количество проектов реализуемых с использованием мегапиксельных IP-камер неуклонно растет. При этом поток с камеры 3Mpix по объёму, занимаемому в архиве, в 10 раз превышает камеру с разрешением VGA. Соответственно объёмы видеоархива сильно увеличиваются. При отсутствии конвертации данных в ПО IP-видеонаблюдения, чтобы рассчитать объём видеоархива можно воспользовавшись данными спецификаций производителя IP-камер. Если же ПО производит дополнительную конвертацию в свой формат, то за этой информацией нужно обращаться к производителю ПО.

Технологии организации хранения данных большого объёма давно освоены в современной индустрии IT и не раз описаны в соответствующей документации и в данном журнале. Применительно к системам видеонаблюдения необходимо отметить, что большой поток данных на сервер может привести к тому, что скорость записи на жесткие диски окажется недостаточной. Например, для стандартных жестких дисков SATA скорость записи позволяет записывать одновременно не больше 16 камер с разрешением 1,3 Mpix со скоростью 12к/с и сжатием 30 % в Motion JPEG. В то же время производительность ресурсов ПЭВМ позволяет гораздо больше. Наша компания серийно производит серверы, способные обрабатывать поток от 60-ти камер с аналогичными параметрами. Выходом здесь является использование жестких дисков c увеличенной скоростью записи (например, стандарта SAS), использование других типов интерфейсов и технологий, а также использование массивов RAID повышающих скорость записи.

В IP-видеонаблюдении возможно организовать такие гибкие алгоритмы работы и записи данных, как увеличении скорости потока в случае обнаружения движения в кадре, увеличение качества и разрешения кадра при детекции движения, получение параллельных потоков с камеры в разных разрешениях и даже в разных кодеках для отображения и записи. Все это можно и нужно использовать для построения эффективных и оптимальных, с сточки зрения занимаемого места на HDD, систем видеонаблюдения. Часть этих функций обычно реализуется непосредственно в IP-камерах, часть позволяет реализовать прикладное ПО.

Системы безопасности имеют первостепенное значение для особых категорий объектов и надёжное хранение видеоархива здесь обязательно. Отказоустойчивость системы при выходе из строя одного и более жестких дисков обеспечивает RAID массив соответствующего уровня. Уровень RAID выбирается исходя из количества дисков, отказоустойчивости, требуемой производительности записи и полезного объёма дискового пространства. Возможность создания RAID массива и добавления HDD в сервер являются желательными при выборе платформы сервера и его форм фактора. Установку дисков для видеоархива рекомендуется производить в специальных корзинах с возможностью «горячей» замены HDD.

Надежность

Вопрос надёжности платформы имеет первостепенное значение для построения систем безопасности, можно сказать, что это является специфичным именно для систем безопасности.

В части защиты от выхода из строя жесткого диска мы уже говорили выше о технологиях RAID для построения защищенных массивов данных. Но если говорить о процессоре, материнской плате, оперативной памяти и т.д., то защититься от выхода из строя здесь значительно сложнее. И  одним из путей решения данной проблемы является выбор таких комплектующих, которые будут рассчитаны на длительную работу в требуемых условиях. Часто, в качестве платформы для IP-видеосервера, выбирают продукцию всемирно известных брендов серверного оборудования, но они, как правило, рассчитаны на эксплуатацию в чистом и кондиционируемом помещении. Не всегда удается обеспечить указанные условия эксплуатации на реальном объекте, и здесь требуются специфические технологии.

Обязательные требования к платформе, определяющие основные параметры надёжности эксплуатации:

• все комплектующие должны быть рассчитаны на эксплуатацию в режиме 24/7. Использование комплектующих класса «для рабочей станции» не допустимо;
• MTBF (среднее время между отказами) комплектующих должно быть достаточно велико и не рекомендуется использование одной или нескольких комплектующих у которых MTBF сильно меньше остальных компонентов сервера, в этом случае общее суммарное MTBF будет равно минимальному по компонентам;
• вентиляторы должны иметь достаточную производительность и высокое значение наработки на отказ. При самостоятельной сборке сервера этим очень часто пренебрегают, чем сильно снижают его надёжность в целом. Высокая производительность позволит обеспечить требуемое охлаждение в условиях существенного увеличения сопротивления воздушному потоку при засорении фильтров, применение которых желательно;
• выделенный HDD для работы ОС. При активной записи видеоданных на жёсткий диск, его ресурс активно расходуется, и выделенный HDD для работы ОС позволит этого избежать.

Желательными являются следующие требования к платформе, влияющие на надёжность и быстрое восстановление после сбоя:

• построение массивов с уровнем RAID позволяющим сохранить работоспособность массива при выходе из строя одного и более жестких дисков;
• «горячая» замена жестких дисков и восстановление массива данных в процессе работы;
• использование резервированных блоков питания;
• «горячая» замена основных вентиляторов охлаждения;
• использование видеокарты с охлаждением путем естественной конвекции ― без использования вентилятора;
• использование воздушных фильтров и возможность их замены/чистки простым образом ― без частичной или полной разборки;
• расширенный верхний предел температурного диапазона и увеличенная виброустойчивость;
• использование одноплатных промышленных компьютеров, например формата PICMG. При наличии соответствующего комплекта запасных частей, это позволит произвести восстановление работоспособности сервера в срок до 1–2х минут при выходе из строя материнской платы, процессора, оперативной памяти;
• установка ОС на твердотельный накопитель CF, SSD и т.п. В связи с ограниченным ресурсом циклов чтения/записи твердотельных накопителей рекомендуется использование версий ОС, предназначенных и специальным образом настроенных на работу с такими накопителями.

Все перечисленные технологии доступны в платформах, используемых для промышленной автоматизации. Для систем безопасности ― это наиболее близкая и родственная отрасль современной компьютерной техники из всех прочих отраслей IT индустрии.

Также критичным параметром является время восстановления системы. Это включает в себя возможность устранения неполадок непосредственно на объекте, после выхода из строя жесткого диска с ОС, после сбоя в ОС или ПО видеонаблюдения. Для этого некоторые производители прикладывают recovery диск, позволяющий в короткий срок восстановить систему в изначальное состояние на момент его продажи. Recovery диск Вы можете сделать и самостоятельно, для это потребуется специальное ПО которое можно установить самому, или заказав его установку у производителя видеосервера.

Для полной защиты от выхода из строя платформы сервера имеет смысл заказать у производителя или сервисной службы услугу, которая обеспечит требуемое Вам время восстановления работоспособности платформы сервера. А если Вы приобретали готовый видеосервер, то и целиком видеосервера с ПО.

Готовые видеосерверы

Многие компании, специализирующиеся на производстве видеосерверов для аналогового видеонаблюдения, активно продвигают готовые решения в области IP-видеонаблюдения. Готовое решение ― это сервер с установленным и настроенным ПО для IP-видеонаблюдения. Производитель несет ответственность за достаточность ресурсов ПЭВМ для обработки заданного потока с IP-видеокамер при использовании конкретного ПО. В этом случае проектная организация и инсталлятор системы может сосредоточиться на вопросах правильного построения ЛВС для передачи данных, вопросах выбора тактики охраны и повышения эффективности работы системы.

Если Вы приобретаете готовый видеосервер для IP-видеонаблюдения, убедитесь, что он соответствует описываемым в данной статье требованиям, и обязательно оговорите и убедитесь в возможности переустановки и модернизации ПО сервера непосредственно Вами, без необходимости его везти к производителю. Некоторые производителю делают так называемые «чёрные ящики», которые не допускают вмешательства извне. Это с одной стороны повышает надёжность системы за счёт ограничения несанкционированного вмешательства, но с другой стороны, в случае сбоя, у Вас не будет возможности устранить его самостоятельно.

Использование готовых видеосерверов ― это возможность использования богатого опыта и специализированных знаний в практике построения систем IP-видеонаблюдения, накопленного производителем таких решений.