系统设计练习 - 实时警员安全报警系统

系统要求和范围

背景：警员佩戴body camera

功能要求：

1. 实时接收body cam视频流

2. 自动检测危险事件

• 枪支出现

• 人员倒地

• "help"等高危语音

• 奔跑/追逐

3. 2秒内向附近警员和dispatch center发出alert

4. 所有视频必须被保存为legal evidence

5. AI模型会持续迭代升级

6. 全球数十万设备同时在线

非功能需求：

1. 对危险响应近乎实时 - 2秒内

2. 高可靠性 - 系统功能要高度available

3. scalable

API设计

• POST /camera/{id}/video:start - 和后端service打开视频

request body:

{
    "camId": "abc"
}

response: 200OK. 如果是open视频的请求，在response里应该带有后端media service的address。在系统架构设计进行详细描述。

• POST /camera/{id}/video:stop - 关闭视频

response：200OK.

• POST /camera/{id}/status - 报告camera信息

  {
  "id": "abc",
  "location": {
  "lat": 123,
  "log": 456
  },
  "status": "normal"/"error"
  }

系统架构设计

对此系统架构进行说明：

1. device通过API gateway向后端video service发送请求，要求建立video连接。video service通过edge service DB查询到相关edge service的信息返回给device。这一部分是信令传递，用来进行authentication和传递媒体流连接需要的信息。

2. device和edge service建立媒体流连接，向edge service传递视频流。edge service将视频流存储到video storage。video processing service通过CDC感知新的媒体被创建，对其进行取样处理，并将样本的meta信息发送到video stream。

3. FLINK job consume video 样本信息，通过inference service调用AI model对video sample进行处理。如果AI model返回了敏感信息，FLINK生成相关event，分别写入到event DB以便进行日后审查，和写入到event stream里。

4. device通过connection gateway向后端update自己的location信息。indexing service consume设备的地点信息，并更新geoHash（由redis支持）。alert service在从stream获取event后，通过查询geoHash获取附近的device，并通过connection gateway向相关的device 发送通知。

讨论

在上面的设计里，我们讨论如下几点：

1. 整体系统应该进行分区。这样每个区域内部的服务可以满足traffic的要求。

2. 信令的建立和媒体流的建立是分开的，因为它们对时延和overload的要求完全不同。

3. 和设备的连接由connection gateway单独维护。好处是可以让后端其他service变成stateless的，易于scale和failure recover。

4. 基于地点查询由redis geoHash支持。在设备较多，地点比较大的情况下需要考虑增加shard和多个redis cluster。同时redis不是地点信息的source of truth，因为redis是基于memory的，信息一般不能持久。但是我们可以通过device location stream来重新建立geoHash。

5. AI model 通过inference service调用，以便维护AI的独立升级和替换。

扩展讨论：

1. 考虑到device在某些环境下网络可能不稳定，我们可以考虑在device端加入buffer。这样device在上传失败的情况下可以先保存在local buffer，然后在网络回复后再进行上传。

2. 为了满足强实时性的要求，我们需要connection gateway和device之间保持connection。但是如果connection失败，connection gateway可以fallback到connectless的通信方式下。如果connectless通信仍然失败，connection gateway可以考虑增加queue或者buffer，然后多次尝试向设备发送相关通知。

3. redis geoHash加入TTL以使offline的device自动从通知系统中删除。