Технология RECLine для повышения стабильности видеозаписи на SSD-носители

Введение

Потеря кадров является основной проблемой при записи данных в системах видеонаблюдения. Потери могут привести к тому, что значительные фрагменты видеозаписи становятся зернистыми и непригодными для использования. Независимо от того, какой носитель данных используется, потеря кадров – это риски для системы видеонаблюдения. Кроме того, запись с высоким качеством и возможность одновременного проведения операций чтения/записи необходимы для работы современных функций видеонаблюдения, таких как анализ данных на устройстве записи и распознавание лиц.
В системах видеонаблюдения традиционно используются жёсткие диски (HDD – hard disk drive) в качестве основного носителя данных. Это связано главным образом с соотношением цены, ёмкости хранилища и его долговечности.
Тем не менее, разрыв между HDD и твердотельными накопителями (SSD – solid-state drive, накопитель на флэш-памяти) устойчиво снижается, и SSD становятся всё более привлекательной альтернативой жёстким дискам. Из-за совершенно другой по сравнению с
жёстким диском структуры SSD на нём можно легко одновременно выполнять операции чтения/записи без воздействия на процесс записи данных, что делает его предпочтительным выбором для самых требовательных функций видеонаблюдения.
Хотя SSD обладают указанным преимуществом, потеря кадров по-прежнему может возникать из-за характера хранения и удаления данных на флэш-устройствах. Некоторые процессы встроенного программного обеспечения (прошивки), связанные с присущими SSD особенностями, такими как очистка и выравнивание износа, могут привести к значительной потере кадров, если выполняются некорректно. Эти процессы требуют оптимизации для последовательной записи, основного процесса при видеонаблюдении.
Данная статья посвящена углублённому рассмотрению преимуществ SSD для индустрии видеонаблюдения и даёт подробное описание технологии RECLine.

Предпосылки

Жёсткие диски против SSD

С самого начала SSD нашли широкое применение во встраиваемых решениях для промышленности, поскольку они больше подходят для приложений с ограниченным пространством и высокими требованиями к надёжности. Они легко заменили устаревшие устройства хранения данных и также обладают потенциалом применения в новых приложениях. Тем не менее, рынок видеонаблюдения очень поздно перешёл на флэш-устройства. Это связано главным образом с тем, что жёсткие диски могут обеспечивать высокую пропускную способность по разумной цене и являются проверенной технологией, поэтому они больше подходят для обеспечения надёжного хранения данных в простых системах видеонаблюдения.
Однако многие новые функции наблюдения, такие как анализ данных на устройстве видеонаблюдения и распознавание лиц, требуют одновременных операций чтения/записи. Механическая структура HDD плохо приспособлена для такой работы, и при непрерывной записи это неизбежно приведёт к потере кадров.
Стоит сказать, что это не взаимоисключающие носители. Есть много вариантов, когда можно создать систему видеонаблюдения, которая объединяет оба типа носителей данных. Например, HDD может играть роль архива данных во внешней системе, в то время как флэш-устройство используется локально для анализа и сжатия данных.

Произвольная и последовательная запись

Существует два способа записи данных на устройства хранения. Произвольная запись означает, что разрозненные данные записываются в разные части устройства хранения, а последовательная запись – это когда последовательные данные записываются на носитель непрерывно, например при видеозаписи. В большинстве приложений сочетаются эти два метода записи, но видеонаблюдение почти исключительно использует последовательную запись. Поэтому любая система видеонаблюдения с применением твердотельных накопителей должна использовать устройства с прошивкой, оптимизированной для последовательной записи. Это позволит свести к минимуму потери кадров.

Очистка данных

Удаление файлов с SSD – непростой процесс. Место для хранения разбито на блоки, которые разделяются на страницы. Из-за особенностей ячеек NAND-памяти (основной тип флэш-памяти) данные могут быть записаны постранично, но удаляются только в блоках. Проблема в том, что блоки часто содержат страницы как с нужными данными, так и с данными, которые требуется удалить. Чтобы решить эту проблему, очистка начинается только тогда, когда SSD не используется. Нужные данные копируются в новый блок, и первый блок, содержащий ненужные данные, удаляется, становясь доступным для записи новой информации.

Команда TRIM

TRIM – это команда, которая предназначена для того, чтобы сделать очистку накопителя более эффективной. Файловая система представляет собой абстракцию от физического уровня SSD. Другими словами, если пользователь удаляет файл, SSD сразу же не стирает его, а вместо этого помечает, что файл станет не нужен после того, как данные будут перезаписаны. Это может привести к излишнему перемещению данных от блока к блоку и увеличению частоты записи. Чем чаще пишем, тем быстрее будут стираться ячейки NAND-памяти SSD, что значительно уменьшит долговечность устройства. Команда TRIM решает эту проблему, сразу же помечая данные как ненужные, независимо от того, были ли перезаписаны исходные страницы в SSD или нет, что позволяет удалить их во время следующего цикла очистки.

Выравнивание износа

На любом компьютере есть определённые файлы, которые в большинстве случаев будут оставаться неизменными в течение длительных периодов времени, это системные файлы и определённые приложения. Поскольку ячейки NAND-памяти деградируют с каждым циклом записи/стирания, ячейки, в которых хранятся условно-постоянные данные, используются меньше, что приводит к неравномерному снижению качества ячеек и, в конечном счёте, к сокращению продолжительности жизни устройства. Износоустойчивость обеспечивается тем, что постоянные данные регулярно переносятся между блоками, чтобы гарантировать максимально равномерное использование SSD.

Проблемы

Функции видеонаблюдения зависят от последовательной и стабильной записи данных. Добиваются этого снижением влияния факторов, которые могут привести к потере кадров. Потеря кадров обычно вызвана нестабильными условиями окружающей среды и электромагнитными помехами. Для твердотельных накопителей фоновые операции очистки, TRIM и выравнивание износа также могут иметь значение. На рис. 1 показан SSD со стандартной прошивкой во время теста видеозаписи. После запуска SSD появляются резкие падения производительности при последовательной записи. Это приводит к зернистости изображения и потерям данных в видеозаписи.

Современные системы видеонаблюдения часто требуют, чтобы данные одновременно считывались и записывались на запоминающее устройство. Из-за своей механической архитектуры жёсткие диски плохо подходят для этого, поскольку диск и головка чтения/записи перемещаются очень быстро. Чтобы полностью реализовать такие функции, как распознавание лиц и анализ данных, необходимы более быстрые и стабильные устройства хранения данных.

Решение

Оптимизированная прошивка

Технология RECLine изменяет процессы очистки и выравнивания износа с целью обеспечения требований приложений для видеонаблюдения. На рис. 2 показан тест SSD с оптимизированной прошивкой RECLine.

В этом случае очистка незначительно влияет на скорость последовательной записи, в отличие от стандартной прошивки.

RECLine корректирует расписание очистки и уменьшает её частоту, эффективно перераспределяя время передачи данных между блоками. Как только SSD закончит работу в пользовательской области/логическом пространстве (рис. 3), он начнёт запись в резервную область (так называемый процесс избыточного резервирования), как показано на рис. 4.

Поскольку прошивка SSD оптимизирована для записи в режиме видеонаблюдения, все последовательные данные трактуются как перезаписываемые. Это означает, что небольшие объёмы данных в блоке 0 будут постепенно переноситься с помощью процедуры дисперсной очистки. Когда резервный блок 0 будет полностью записан, данные будут уже удалены из блока 0, а нужные произвольные данные будут перенесены из него в резервные блоки (рис. 5). Поскольку объединение небольших объёмов нужных данных производится небольшими частями и в распределённых по времени операциях, общая потеря кадров, вызванная очисткой, ничтожно мала.

Основная цель выравнивания износа – убедиться, что запись данных происходит равномерно между всеми блоками. Однако поскольку запись видеонаблюдения в основном происходит последовательно, предложенное решение в значительной степени решает проблему, так как данные непрерывно записываются и удаляются из большинства блоков.
Таким образом можно уменьшить частоту процедуры выравнивания износа, чтобы обеспечить более стабильную производительность при записи. Команда TRIM сама по себе не приводит к потере кадров, но её включение в RECLine ещё больше повышает эффективность очистки.

Одновременное чтение/запись

В отличие от движущихся частей жёсткого диска твердотельные накопители, как следует из названия, не имеют движущихся частей.
Доступ к данным, запрошенным системой, представляют собой простой процесс определения правильной секции флэш-памяти. Таким образом, SSD – лучший выбор для приложений видеонаблюдения, которые требуют одновременного выполнения чтения и записи.

Заключение

SSD – это среда хранения будущего. Но для применения в системах видеонаблюдения есть определённые препятствия, которые необходимо преодолеть. RECLine предлагает решение проблем, присущих флэш-накопителям, путём настройки очистки и выравнивания износа для минимизации потери кадров. Таким образом, пользователь может быть уверен, что используемое решение для хранения не повлияет на качество записи и что система выполнит любую современную функцию наблюдения. Технология RECLine применяется в новейшей серии дисков Inno­REC компании Innodisk и охватывает практически все возможные форм-факторы (табл. 1) с различным объёмом памяти.

Это позволяет строить самые разнообразные системы видеонаблюдения. ●

Статья подготовлена по материалам компании Innodisk

Перевод Сергея Солдатова
E-mail: ssacompany@mail.ru