（教育技术学专业论文）数字视频网络技术的研究与探讨.pdf

中 文 摘 要 随着计算机技术、数字视频技术、网络技术的发展，专业的用于 节目 制作的视频网络开始走进许多电视台，特别是数字压缩技术、数 据存储技术的成熟，使视频网络逐渐应用在原来只有传统视频设备的 领域，承担关键、大量的节目 制作。 本文根据我国目 前广电行业视频网络的发展现状及趋势，对视频 网络技术进行研究与探讨， 针对视频网络实施的基本结构、 存储技术、 以太网、f c技术的应用等方面进行了论述。主要对以太网和 p c -s a n 两种网络技术原理进行分析，再对我国数字视频网络未来应用前景作 了展望。 关键字: 视频网络虚拟存储技术以太网f c - s a n ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y , d i g i t a l v i d e o a n d i n t e rn e t , m o r e a n d m o r e t v s t a t i o n s a r e a p p l y i n g d i g i t a l n e t w o r k i n t h e i r p r o g r a m m a k i n g . a n d t h e m a t u r i n g o f t h e t e c h n o l o g y o f d i g i t a l c o m p a c t i n g a n d d i g i t a l s t o r in g h a v e m a d e i t p o s s i b l e f o r v i d e o n e t w o r k t o b e u s e d i n t h e i m p o r ta n t m as s p r o d u c t i o n o f p r o g r a m s , w h i c h w e r e d o m i n a t e d b y t r a d i t i o n a l e q u i p m e n t s . t h i s p a p e r , b asin g o n t h e c u r r e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p i n g t r e n d o f v i d e o n e t w o r k i n t h e f i e l d o f b r o a d c a s t i n g ， s t u d i e s t h e a p p l i c a t i o n o f v i d e o n e t w o r k a n d d i s c u s s e s t h e b a s i c s t r u c t u r e , s t o r i n g t e c h n o l o g y , e t h e rn e t a n d f c t e c h n o l o g y o f i m p l e m e n t a t i o n o f v i d e o n e t w o r k . t h e p a p e r g i v e s e m p h a s i s t o t h e a n a l y s i s o f t h e o r i e s o f e t h e rn e t a n d f c. t h e o u t l o o k o f t h e a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l v i d e o n e t w o r k a r e d i s c u s s e d a t t h e e n d o f t h e p a p e r . k e y w o r d s : v i d e o n e t w o r k t e c h n o l o g y o f v i r t u a l s t o r i n g e t h e rne t f c- s an i i i 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 二 多 爬粗 日 期: 夕 训 夕 、 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解东北师范大学有关保留、使用学位论文 的规定，即:东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权东北师范 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以 采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 二 h1- f - 日期 : i 00 f 6 -3 指导教师签名 日期 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 引言 随着计算机技术、数字视频技术、网络技术的迅速发展，广播电 视领域的数字化变革也迅速得到了广泛的接受和应用，特别是数据网 络、 计算机处理能力和大容量的数据存储，以及数字压缩技术的成熟， 导致广播电视领域观念乃至整个思维方式的巨大变化。 在视频编辑技术沿着数字化、网络化和信息化不断发展的今天， 非线性编辑系统要想能够广泛运用于电视新闻、专题、广告等各类节 目的制作，必须要实现网络化。电视台在构建非线性制作网络系统时 必须从先进性、可靠性、使用性、扩展性、 可维护性等方面加以考虑， 进一步设计、实施、逐步建成，最终实现在网络环境下完成从素材上 载到编辑、配字幕、配声音、审片、合成、下载播出、存储等工作。 只有这样才能最大限度的发挥系统内存素材的作用， 提高工作效率。 这就是本文要研究的问题一 一 数字视频网络技术。 一、数字视频网络实施的基本结构 视频网络的实现有几种解决方案:以太网、a t m ( 异步传输)网 和 f c( 光纤通道)网和 s s a( 串 行存储结构) 。几种网络各具优势， 针对不同的数据结构，有不同的适用范围。 ( 一)以太网 ( 千兆以太网) 以太网是开发较早、应用广泛、技术成熟的一种局域网络技术。 对基于计算机平台的控制组来说，可以 很方便地通过以 太网在p c 、苹 果、s g i 等平台建立联接， 其投资比较小。 但是，以太网也有其缺点， 比如说它管理电子邮件和共享打印设备的能力极差。另外，以 太网的 一 个最大缺点 是传输速率 较慢， 一 般为i o m b p s 或1 0 0 m b p s ， 在这 种传 输速率下，要传输2 m m的视频信号 ( 采用2 : 1 压缩比 其数据文件大 约为1 g b ) ， 花费的时间之长恐怕是制作人员所不能忍受的， 而这种大 小的文件在多媒体非线编制作中是很常见的。 所以 说普通以 太网结构只 能 用于传输量较小、 对时间 要求不高的 场合。 所以 现在又发展出了 新型 以 太网一 千兆以太网。千兆以 太网采用交换技术， 每个端口 数据传输 速度己 经接近1 g b p s ， 根据实际的 测试， 千兆以 太网 可以 达到3 2 0 m b p s 的 实际可用带宽， 这样就大大提高了 传输效率， 增强了 实际应用性。 千 兆以太网通过r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l ， 资源预留协议) 来 保证在建立连接后提供稳定的带宽，以 确保视频数据的稳定传输。 但 r s v p 只能 “ 尽可能地” 保证带宽，也就是不一定保证。 ( 二)a t m( 异步传输网) a t m 最早是为通过电话网络远距离传输音频和视频信息而设计 的，它侧重于恒定带宽和固定时延，因此主要用于广域网上的可用带 宽和同步服务。后根据其发展最终扩展为在广域网上提供高速同步服 务和在局域网上提供视音频服务。 a t m是为了高效、高速传输任何类 型的信息而设计的新兴数据网络技术，在数据传输方面大大优于传统 的以太网技术。首先，a t m能有效传输不同类型的信息。与不同类型 的信息传输对应的延迟行为、延迟变化量和损耗特性，根据数据的重 要性提供不同优先级的服务，服务质量的保证特别有利于进行实时的 交互式通信， 而传统以 太网则不能提供类似的优先级服务。 其次， a t m 既可以传输传统数据，同时又能传输如电话或电视等时间敏感型多媒 体数据。 a t m信元只在有数据要传输时才需要带宽，加之a t m信元 提供时分复用器那样的时间片段来进行连续传输，因此a t m在处理实 时传输和突发性 l a n 传输时能达到同样好的性能。另外， a t m 的高传 输率和延展性是传统以 太网 无法比 拟的。 a t m 技术支持2 5 - 6 2 2 m b p s 乃 至更高的传输率。由 低速率升级到高速率非常方便， 不带破坏性， 还可 根据需要延展带宽， 实现局域和广域之间的 无隙 互联。 a t m通过q o s ( q u a l it y o f s e r v i c e ， 品 质服务) 来 保证在建 立连 接 后提 供稳定的 带宽， 以 确保视频数据稳定传输， 避免网络拥塞造成传输速度下降或时间延长 导致画面停滞等现象，这一点要优于千兆以太网的r s v p 技术。 ( 三) s s a ( s e r i a l s t o r a g e a r c h i t e c t u re串 行 存储结 构) s s a是一种新的可靠性高、实用性强、功能强大的串行接口。主 要用于将硬盘机、磁带机、c d - r o m 、驱动器、打印 机、扫描仪等外围 设备连接到工作站、主机、网络服务器和磁盘子系统。 s s a接口是由美国国家标准局在x 3 t 1 0 . 1 基础上标准化而成的。 磁盘驱动器、适配器和带支持现行操作系统及总线系统 ( wi n d o w s 9 5 , 9 8 , n t , n o v e l l n e t w a r e , ma c o s a i x , u n i x )的系统都适用。 s s a允许用户方便的处理巨 大容量的数据。 其技术特性包括: 环型 体系结构， 每环多达8 台 控制器， 密集6 线电 缆; 最大带宽8 0 / 1 6 0 m b p s ; 双全工、非仲裁;集成、热插拔; 每环多达1 2 8 个设备， 单设备自 动配 置，不需跳线或终接阻抗;备用数据路径确保无单点失效。 采用s s a , 设备就不同于s c s i 那样要使用单电 缆连接， 取而代之 是一系列设备之间点到点连接。数据不直接送往主机，而是沿设备链 路前进，理论上可以包含 1 2 8个设备。这种点到点连接的一个巨大优 势是所有外围设备之间能按要求进行数据交换， 而不马上与主机通信。 ( 四)f c ( f i b e r c h a n n e l 光纤通道)网 f c 光纤通道是以 存 储体为中 心的s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) , 同时支持通道技术和网络协议，既具有通道的通讯速率和可靠性，又 具有网 络的灵活性和扩展性，是高速网络和高速存储体接口的结合。 它支持h i p p i ( 高性能并行接口) 、 a t m, f d d i ( 光纤分配数据接口) 、 i p , s c s 工 等多种高级协议。 f c 最大特点是将网 络和设备的通讯协议与 物理传输介质隔离开，多种协议可以在同一个物理连接上同时传送， 存储体和宽带网络使用单一 工 / 0接口。f c是由a n s i 支持的并且遵从 o s i 标准和开放性标准， 它支持多种拓扑结构， 包括: 点到点( l i n k s ) , 仲裁环( f c - a l ) 和交换式网 络结 构( f a b r i c ) ， 采用仲裁环拓扑结 构时， 单环 最 大 数 据 传输 数率 为1 0 0 m b p s . 由此，可以看出以上各种技术的一些特点，结合实际要求，f c 技 术十分适合视频网络，而在实际应用中，已 被大多数单位认可。 二、数字视频网络对存储技术的要求 ( 一)r a i d技术 r a i d是一种由多块廉价磁盘构成的冗余阵列。 虽然r a i d 包含多块 磁盘，但是在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现。r a i d 技术分为几种不同的 等级， 可以分别提供不同的速度、 安全性和性价比。 r a i d o是最简单的一种形式。r a i d o可以 把多块硬盘连接在一 起形成一个容量更大的存储设备。 但由于r a i d o 没有冗余或错误修复 能力， 其安全性大大降低。因此，在r a i d o 中配置4 块以上的硬盘， 对一般应用是不明智的。如果其中的任何一块磁盘出现故障，整个系 统将会受到破坏，无法继续使用。国内早期，某些视音频服务器采用 r a i d 。 技术， 几乎没有几台能 够长期、安全使用。 r a i d 1 和r a i d o 截然不同， 其技术是为了实现容错而采用的 对数 据进行镜像存储的一种方式。 r a i d i 又被称为磁盘镜像， 每一个磁盘都 具有一个对应的镜像盘。 r a i d 1 是所有r a i d等级中实现成本最高的一 种，尽管如此，人们还是选择r a i d 1 来保存那些关键性的重要数据。 r a i d 3 是利用一个专门的磁盘存放所有的校验数据， 而在剩余的 磁盘中创建带区集分散数据的读写操作。r a i d 3不仅可以像 r a i d i 那样提供容错功能，而且整体开销从 r a i d 1的 5 0 %下降为 2 5 ( r a i d 3 + 1 ) , 随 着所使用磁盘数量的增多， 额外成本开销会越来越小。 在不同情况下，r a i d 3 读写操作的复杂程度也不相同。 最简单的情况 就是从一个完好的r a i d 3 系统中 读取数据。 这时， 只需要在数据存储 盘中找到相应的数据块进行读取操作即可， 不会增加额外的系统开销。 当向r a i d 3 写入数据时， 情况会变得复杂一些。即使我们只是向一个 磁盘写入一个数据块，必须计算与该数据块同处一个带区的所有数据 块的校验值，并将新值重新写入到校验块中。由 此我们可以看出，一 个写入操作事实上包含了 数据读取 ( 读取带区中的关联数据块) ， 校验 值计算，数据块写入和校验块写入 4个过程。系统开销大大增加。我 们可以通过适当设置带区的大小使 r a i d系统得到简化。如果某个写 入操作的长度恰好等于一个完整带区的大小 ( 全带区写入) ， 那么我们 就不必再读取带区中的关联数据块计算校验值。我们只需要计算整个 带区的校验值， 然后直接把数据和校验信息写入数据盘和校验盘即可。 到目 前为止， 我们所探讨的都是正常运行状况的下的数据读写。 下面， 我们再来看一下当硬盘出现故障时， r a i d系统在降级模式下的运行情 况。r a i d 3虽然具有容错能力，但是系统性能会受到影响。当一块磁 盘失效时，该磁盘上的所有数据必须使用校验信息重新建立。如果我 们是从好盘中读取数据块，不会有任何变化。但是如果我们所要读取 的数据块正好位于已经损坏的磁盘，则必须同时读取同一带区中的所 有其它数据块，并根据校验值重新建丢失的数据。当我们更换了损坏 的磁盘之后，系统必须一个数据块一个数据块的重建坏盘中的数据。 整个过程包括读取带区、 计算丢失的数据块和向 新盘写入新的数据块， 都是在后台自 动进行。 重建活动最好是在r a i d系统空闲的时候进行， 否则整个系统的性能会受到严重的影响。 与r a i d 3 不同， r a i d 5 是将校验数据平均分配到每一个磁盘上， 各块硬盘分别独立进行条带化分割，相同的条带区进行奇偶校验 ( 异 或运算) ， 这样就可以 确保任何对校验块进行的 读写操作都会在所有的 r a i d磁盘中进行均衡。因此，r a i d 5具有良 好的随机读性能，因为 在规定的传输块大小范围内的数据只需访问单个数据驱动器，也克服 了r a i d 3 单个冗余盘的局限性。 r a i d 5 的主要缺点是降低写功能，因为 它是一位或一个字节地写 在磁盘上，经过处理后，使数据块 1 的位或字节写在数据块 1 上， 数 据块2的 位或字节写在数据块2 上，因此， 在写数据时处理的环 节比较多，降 低了随机写功能。 ( 二)虚拟存储技术 1 ,虚拟存储的概念 所谓虚拟存储， 就是把多个存储介质模块 ( 如硬盘、 r a i d ) 通过 一定的 手段 集中 管理起来所有的 存储模块在一 个存储池( s t o r a g e p o o l ) 中得到统一管理，从主机和工作站的角度，看到就不是多个硬盘，而 是一个分区或者卷， 就好象是一个超大容量 ( 如1 t以上)的硬盘。 这 种可以将多种、多个存储设备统一管理起来，为使用者提供大容量、 高数据传输性能的存储系统，就称之为虚拟存储。 2 、虚拟存储的特点 ( 1 ) 虚拟存储提供了一个大容量存储系统集中管理的手段，由网 络中的一个 ( 如服务器)进行统一管理，避免了由于存储设备扩充所 带来的管理方面的麻烦。例如，使用一般存储系统，当增加新的存储 设备时，整个系统 ( 包括网络中的诸多用户设备)都需要重新进行繁 琐的配置工作，才可以 使这个“ 新成员” 加入到存储系统之中。而使用 虚拟存储技术，增加新的存储设备时，只需要网络管理员对存储系统 进行较为简单的系统配置更改，客户端无需任何操作，感觉上只是存 储系统的容量增大了。 ( 2 ) 虚拟存储对于视频网 络系统最有价值的 特点是: 可以 大大提 高存储系统整体访问带宽。存储系统是由多个存储模块组成，而虚拟 存储系统可以很好地进行负载平衡，把每一次数据访问所需的带宽合 理地分配到各个存储模块上，这样系统的整体访问带宽就增大了。例 如，一个存储系统中有4 个存储模块，每一个存储模块的访问带宽为 5 0 m b p s ， 则这个存储系统的 总 访问 带宽 就 可以 接 近各存储模块带宽 之 和，即2 0 0 mb p s o ( 3 ) 虚拟存储技术为存储资源管理提供了更好的灵活性， 可以将 不同类型的存储设备集中管理使用，保障了用户以 往购买的存储设备 的投资。 ( 4 ) 虚拟存储技术可以通过管理软件， 为网 络系统提供一些其它 有用功能， 如无需 服务 器的 远程镜像、 数据快照( s n a p s h o t ) 等。 3 , 虚拟存储的 分类 目 前虚拟存储的发展尚无统一标准，从虚拟化存储的拓扑结构来 讲主要有两种方式:即对称式和非对称式。从虚拟化存储的实现原理 来讲也有两种方式:即数据块虚拟与虚拟文件系统。具体如下: 对称式虚拟存储技术是指虚拟的控制交换设备直接存在于服 务器和存储设备之间，用运行在虚拟存储控制设备中的管理软件来管 理和配置所有的存储设备，组成一个大存储池，其中的若干存储设备 以一个逻辑分区的形式被系统中所有的服务器访问。如图所示: 爪砂蟀扒 .一_一 _ 一、存 4i 一 _一 二 一_ 图1对称式虚拟存储 优点 虚拟存储控制设备有多个数据通道与存储设备连接，多个 存储设备并发工作，所以系统总的存储设备访问 速度可以达到较高的 水平;设备非常集中，因此系统的安装和管理非常简单;存储设备对 主机是透明的。 缺点:所有服务器对存储设备的访问都要经过控制交换设备的通 道， 控制交换设备容易成为整个系统的带宽瓶颈;数据传输和控制设 备在整个系统中 是一个单点失效点， 它的 故障将导 致整个系统的瘫痪; 系统扩展性相对较差. 非对称式虚拟存储就是在服务器与存储设备之间正常的 数据访 问 传输通道之外，通过配置一个存储控制器来实现存储器的 虚拟化处 理。 虚拟存储执行保留有系统中所有存储设备的映射表， 任何主机在 初始化时，都要通过虚拟存储执行器获得存储设备的映射表， 从而可 以正常访问存储设备。如图所示: 矍黯簿群箭鬓 述 一 硕 矍 一 誉: 一 图2 非对称虚拟存储 优点由于虚拟存储执行器是保留 所有存储设备的映射表，并为 所有工作站提供此映射表，其本身不在实际数据通道上，因而虚拟存 储执行器不会成为整个系统的性能瓶颈;系统的配置非常灵活，开放 j性 好， 容量扩展非常方便; 虚拟存储控制器不直接存在于数据通道上， 即使它出现故障，也不会引起网络系统的数据通道阻塞，提高了系统 的安全性，由于主机通过连接设备直接访问存储器，因此存储虚拟化 后不会带来任何的延迟; 系统对操作系统和应用都是透明的，并且管 理方便。 缺点:虚拟化执行器保存有磁盘信息映射表，因此系统也存在单 故障点，如果执行器发生故障，则新加入设备无法获得磁盘信息映射 表，无法访问存储系统;需要光纤通道接口卡或驱动程序来实现数据 读写到存储设备的1 / 0 . 数据块虚拟存储方案着重解决数据传输过程中冲突和延时问 题。 在多交换机组成的大型f a b ri 。 结构的s a n中， 由于多台主机通过多个 交 换 机端口 访问 存 储设 备， 延时 和 数据 块 冲 突问 题非 常 严 重。 数 据 块 虚拟存储方案利用虚拟的多端口 并行技术，为多台客户机提供了 极高 的带宽，最大限度上减少了延时与冲突的发生，在实际应用中， 数据 块虚拟存储方案以对称式拓扑结构为表现形式。 虚拟文件系统存储方案着重解决大规模网络中文件共享的安全机 制问题。通过对不同的站点指定不同的访问权限，保证网络文件的安 全。在实际应用中，虚拟文件系统存储方案以非对称式拓扑结构为表 现形式。 由以上分析可知，从拓扑结构来讲，对称式的方案具有更高的带 宽性能，更好的安全特性，因此比 较适合大规模视频网络应用。非对 称式方案由于采用了虚拟文件原理，因此更适合普通局域网 ( 如办公 网)的应用。 ( 三)数据存储结构 1 , d a s以服务器为中心 d a s 存储体系是以服务器为中心的存储结构。各种存储设备通过 诸如i d e 或s c s 工 等u o总线与服务器相连。 客户机的 数据访问 必须通 过服务器，然后经过其 i/0 总线访问相应的存储设备，服务器实际上 起到一种存储转发的作用。 当客户连接数增多时， 1 / o总线将会成为一 个潜在的瓶颈，并且会影响到服务器本身功能，严重情况下甚至会导 致系统的崩溃。一旦主服务器出现故障， 信息资源也将被埋葬在崩溃 的主服务器之中，目 前这种以网络服务器为中心的存储方式已不适应 来自 应用的越来越高的要求。 2 , n a s以数据为中心 在 n a s方案中，存储设备在功能上完全独立于网 络中的主服务 器，客户机与存储设备之间进行直接的数据访问。 n a s 是目 前发展速 度最快的数据存储设备之一。在典型的网络架构中，数据成为了网络 的中心， n a s 设备是直接连接在网 络上的。 它具有如下的 特点:( 1 ) n a s设备是作为单独的文件服务器存在的。网络中所有设备的大多数 据均存储在n a s 设备上。 ( 2 ) 将n a s 设备连接到网 络中非常方便。 如通过设置简单的i p 地址等， 就可以即 插即用地使用n a s 设备。 ( 3 ) n a s 设备使用的方便性， 可大大降 低设备的管理和维护费用。 ( 4 ) n a s 设 备 可以 支 持 不同 的 操 作 系 统 平 台 。 同 时 提 供了r a i d硬 盘、 冗 余电 源和风扇、冗余控制器，可保证7 x 2 4 小时工作。该技术在数字视频 领域用于中心在线存储、网络硬盘服务器和网络非线性编辑。 3 , s a n以网络为中心 s a n是存储技术进入网络时代的产物。它一方面能为网络应用系 统提供丰富、快速和简便的存储资源;另一方面又能对网上的存储资 源进行集中统一的管理，成为当今理想的存储管理和应用模式。它即 可以作为电视台业务管理的结构，也可以作为视音频播出服务器的网 络化构架。 三、 f c 技术在视频网络中的应用 ( 一)f i b e r c h a n n e l( 光纤通道)技术介绍 f i b e r c h a n n e l 近年来得到了很大的发展， 它是对s c s i 快速接口 技 术进行发展的基础上产生的一个能满足多路视频并发的高性能接口， 带宽达到g b 大小。f c网不同于以太网等其它网络技术的一点是它的 带宽资源几乎全部可用于正确传输数字信号。而网络基本上没有什么 管理信息，由于主要采用令牌环拓扑结构，没有碰撞，在重载情况下 性能也不会受到影响。它解决了长期以来困扰视频界的高比特率低压 缩比视频数据难以组网的问题。在利用现代光纤通信技术，网络技术 的基础上，最终可建立以f c为核心的快速存贮网络 ( s a n ) ，从而供 用户来组建高性能的视频网络。 f c技术是a n s i 为网 络和通道1 / 0接口 建立的一种标准协集成， 它描述了一个点对点的物理接口、传输协议、高性能串行连接数据链 路协议来支持高层协议， 如h i p p i , i p i , s c s i , i p , a t m及其它。 f c 通过全双工的串行通讯方式，串行也就是说在某一瞬间，只有 i b i t 被 传输， 全双工即可同时发送和接受比 特。 f c 之所以如此受到关注是因 为它的带宽，在使用最新技术下，现在可以 达到g b 的传输码率。 1 , f c的主要技术特点 f c接口是在 s c s i 接口的基础上发展而来的，在许多方面f c都 与传统的s c s i 非常类似， 本质上来说， 它们都是与存贮设备的快速接 口。 然而， f c在一些非常重要的方面 ( 例如支持网络互联) 又与s c s i 不同。 f c在许多方面增强了s c s i 性能， 弥补了s c s i 的不足， 两者对 比如下: ( 1 )速率 f c 是一个串行接口，也就是说， 在某一瞬时，只传输一个b it ， 这 和s c s i 是不同的， s c s i 是并行的， 传输信息时是多个b i t 同时传送的。 为了在f c中获得更快的速率， f c 缆线工作在非常高的频率下， f c的 实际速度为 1 . 0 6 g b a n d / s ( 1 , 0 6 2 , 5 0 0 , 0 0 0 b i t s 信元/ 秒)二进制下， 传输速度即为 1 . 0 6 g b / s 。由于所有数据采用 “ 8 b / l o b ”的编码方式， 所以f c 有效传输速率为1 0 6 m b / s ， 为简化起见， 一般称f c 为l 0 0 m b / s 接口。 这个速度是f a s t wi d e s c s i ( 2 0 mb / s ) 的五倍， 是u 1 t r a s c s i 接口 ( 4 0 m b / s )的2 . 5 倍。 更快的速度使其能应用到对速度需求更高的应 用领域，包括视频领域。 ( 2 )连接 f c 的连接通常与 “ 环”( 相对于 “ 总线” ，f c通常也称为f c仲裁 环，即f c - a l ) 联系在一起。 现在也有点 对点或f a b r i c 的连接方式。 如何连接其实并不重要，重要的在于它是如何工作的，在于理解外设 和主机之间现在可以不直接连接， 用户可以通过h u b 或s w i t c h 来组建 自 己的f c“ 存贮网 络” ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) ， 这种存贮网 络和计算 机网非常相似，使用f c网，可以完成s c s i 不支持的网络功能来连接 多台主机及外部存贮器，使存贮器可以被共享。 ( 3 )可靠性 f c支持不间断的热拔插设备。 也就是说， 在环路中， 增加设备时 不会影响到其它设备的数据流。 这是s c s i 所不能支持的。f c还可使 用双环来增强性能和可靠性，如果在一个环路上出现故障 ( 例如线缆 断了) 可以使用另一环路使f c网仍然保持畅通。 同时， 由于使用双环 将使环路带宽可达到2 0 0 m b / s 。数据的完整性也十分重要，数据采用 8 b / l o b ” 编码方式， 来确保传输的 精确性。 所有数据帧都携带检验 的信息，可以在接收端来验证数据，如果发现故障，发送端将重新传 送数据 ( 检错重发) 。最后，f c支持光纤连接，这有许多好处，可以 避免电气噪声的影响，而且可以 使设备之间距离达到 l o k m。 用户可 以 存贮信息到较远的地方，这样可以避免一些管理安全性上的问题。 ( 4 )电缆 与s c s i 不同的 是， f c非常容易安装， 无论选择铜芯电 缆还是光纤， 直径都很小， 而且非常柔软， 而 s c s i 使用粗的 笨拙的 铜电缆。 另 外在 f c中，无需终结器。 而终结器在s c s i 中是一个经常导致问 题的部件。 ( 5 )容量 f c最多可以 连接1 2 6 个设备，如果每个端口 连接一个9 g硬盘， 则在单环上存贮网络总容量可以超 1 t b ， 而s c s i 只能支持1 6 个连接。 所以说，在 s c s i 的基础上，f c为了存贮界带来很多新的性能和可靠 胜. f c可以支持复杂的连接或更多的设备， 加上集线器或s w it c h , f c 极大开拓了高速存贮器领域。 2 , f c的功能结构 f c结构定义为多层功能级，但是所分的层不能直接映射到 0 8 1 模型的层上。 f c的五层定义为: 物理媒介和传输速率、 编码方式、帧 协议和流控制、公共服务以及上级协议 ( u l p )接口。 ( 1 ) f c -0 f c -0 是物理层底层标准o f c -0 层定义了连接的物理端口 特性， 包括介质和连接器 ( 驱动器、接收机、发送机等)的物理特性、电 气 特性和光特性、传输速率以 及其它的一些连接端口 特性。 物理介质有 光纤、双绞线和同轴电缆。带有 e c l的铜芯同轴电缆、用于高速、短 距离传输。双绞线用于2 5 mb / s 数据传输，距离可达5 0 米。带有激光 和l e d传导的光纤， 用于长距离的传输， 光纤通道的数据误码率低于 1 0 - 1 2 ， 它具有严格的抖动容许规定和串 行1 / o电 路能够进行正常管理 的其他一些电气条件。 ( 2 ) f c -1( 传输协议) f c -1 根据a n s i x 3 t l l 标准，规定了8 b / i o b的编码/ 解码方式 和传输协议， 包括串 行编码、解码规则、特殊字符和错误控制。 传输 编码必须是直流平衡以 满足接收单元的电 气要求。 特殊字符确保在串 行比特流中出 现的是短字符长度和一定的跳变信号，以 便时钟恢复。 8 b / 1 o b 码在现实中的 应用是稳定 和简单的。 ( 3 ) f c -2( 帧协议) f c -2层定义了 传输机制、包括帧定位、帧头内容、使用规则以 及流量控制等。光纤通道数据帧长度可变，可扩展地址。 用于传输数 据的光纤通道数据帧长度最多达2 k ， 因此非常适合于大容量数据的 传 输。帧头内容包括控制信息、源地址、目的地址、传输序列标识和交 换设备等。6 4 字节可选帧头用于其它类型网 络在光纤通道上传输时的 协议映射。 光纤通道依赖数据帧头的内 容来引发操作，如把到达的数 据发送到一个正确的缓冲区里。 ( 4 ) f c -3( 公共服务) 提供高级特性的公共服务， 即端口间的结构协议和流动控制， 它定 义了 三 种服务: 条块 化( s t r i p i n g ) 、 搜索 组( h u n t g r o u p ) 和多 路 播放 ( b r o a d c a s t mu l t i c a s t ) 。条块化的目的是为了利用多个端口在多个连 接上并行传输， 这样传输带宽能扩展到相应的倍数。 搜索组用于多 个端 口去响应一个相同名字地址的情况， 它通过降低到达 “ 占线”的端口的 概率来提高效率。多路播放用于将一个信息传递到多个目的地址。 ( 5 ) f c -4 ( u l p映射) 它是光纤通道标准中定义的最高等级，固定了光纤通道的底层跟 高层协议 ( u l p )之间的映射关系以及与现行标准的应用接口，这里 的 现行标准包括现有的 所有通道标准和网络协议， 如s c s i 接口 和i p , a t m, h i p p i 等。 3 , f c 拓扑结构 f c由于支持网络连接，所以也存在拓扑结构，由于f c是从快速 存贮系统发展而来， 严格来说， 它只是一个存贮网络系统 ( s a n ) ，正 是由于f c的可互联性，才使之可应用于视频网络。f c拓扑结构主要 有以下三种。 ( 1 ) 点对点 最简单的一个例子， 仅仅作为一个通道， 一个系统仅由 单个c p u ( 主 机)连接一个存贮设备组成，由于仅仅是一个连接，所有带宽都可以 使用， 它适用于需要这种连接速度的用户， 不需要h u b 。 这种结构同 传统的主机通过s c s i 接口连接硬盘是一样的。 ( 2 ) f a b r i c 交换式结构 交换式集线器连接多个结点，当某个连接产生时，可提供所有带 宽供其使用， 好象是点 对点的 连接，结点可以 是一个c p u ， 存贮设备 等。 通过星形层次连接，理论上可连接无限个结点数目，同时提供企 业级带宽。有些 f a b r i c还具有能连接以太网、a t m, f d d i 的结点， 还可被f c - a l 利用来连接到外部世界， f a b r i c 有f 端口用来连接单个 结点，还有 f l 端口可以连接 f c - a l 仲裁环。 ( 3 ) a r b i t r a t e d l o o p 仲裁环 仲裁环网络能达到 l 0 0 mb / s e 。 的峰值速度。值得注意的是，各个 工作站的性能达到的速度不但取决于网络速度，还取决于自己的硬件 配置 ( 网卡， c p u及标准系统) 虽然令牌环网建立并不需要h u b ， 但 没有h u b ，在环路中的任何故障都会使所有结点崩溃，h u b 提供冗余 的环路和端口旁路电路用于热插拔及应付节点崩溃的情况，也就是防 止在环路中的其它结点受到影响。每个结点地址分配一个仲裁环位置 地址 ( a r b i t r a t e d l o o p p o s i t i o n a d d r e s s ， 简写为a l p a ) o a l p a相当 于 s c s i i d ， 与严格的s c s i i d不同的 是， a l p a可以 在环路初始化时 动 态分配 ( 更接近于n t 网中的动态i p 分配) 。 非线性视频网一般采用的 是这种拓扑结构。 ( 二)基于f c技术构建的视频网络 对于电视节目 制作部门 来说， 对网络传输速率的要求是第一位的， 因为在其中传送的数据量是极大的，如果没有一个足够的传输速率的 话，就不能满足电 视制作中常有的实时要求。同时，制作部门内 部的 数据传输量又远远大于外部数据传输量。 所以，在构建数字视频网时 应从实用性和经济性两个方面来考虑，采用多种网络形式来组成实用 经济的网络框架。 在现阶段， 我们可以 利用f c技术解决共享存储数据 的读写问题， 利用千兆以太网解决数据传输和网络管理问 题， 利用s a n 技术解决硬盘的传输速度和数据安全问题。 1 , f c 一 以 太网结构 这种网 架结构是目 前最流行的，国内几家主要的非线性编辑设备 生产厂家都推出了自己的基于这种架构的网络产品。如索贝公司的 s o b e y n e t ， 大洋公司的d a y a n g n e t ， 新奥特公司的n e w a u t o n e t ， 这三 家公司产品的一个共同特点就是都采用了 f c 一 以太网双网结构。以太 网的特点是共享系统资源，各工作站之间易于传递信息，可实时共享 对同一数据文件的操作结果等。为保证数据传输的可靠性和减低网络 成本，一种选择就是选用高压缩比素材进行编辑，最后用低压缩比素 材输出的方式， 即构建以f c为主干， 千兆以太网为辅助的双网结构的 视频网络 ( 见图3 ) ， 在f c上连入实时 使用低压缩比 视频数据进行工 作的设备 ( 如串编及下载工作站)以实现节目 制作数字化，并实现整 个节目 制作过程中高质量、 低压缩比视频素材的集中存储和实时共享; 在以太网 ( 一般为千兆以太网)上连入使用高压缩比视频数据进行工 作的设备 ( 如预编及审片工作站)以完成工作量较大的任务，而且还 采用多点并行的工作方式，大大加快节目 制作速度。同时，以太网还 将系统中所有的工作站点连接起来，以 实现各工作站点制作结果的共 享与相互传递。 这样就充分融合了f c与以太网各自的技术优势。 但目 前这些产品都存在着这样那样的缺点，如本身系统网管软件缺乏或功 能甚少，只能使用基础平台的网络管理功能对本系统进行管理，或者 是网络用户对整个系统的操作权限与系统自 身安全之间存在很大的矛 盾。这些缺点构成了系统运行期间的潜在危险，一旦发作，轻则导致 系统瘫痪， 无法正常工作， 重则丢失重要数据， 造成不可挽回的损失。 p c 解 摹 p c s w i iv h 鱿鬓 l f f 霏 羹 着 蓬 一1j t 2 图3 f c 一 以太网结构图 2 , f c - s a n 网结构 光纤通道存储区域网( f i b e r c h a n n e l s t o r a g e a r e a n e t w o r k , f c - s a n ) 目 前在广播电 视领 域应用广泛。 f c - s a n体系结构是 通过光 纤通道使整个网络中的 设备直接与中心存储体相连的网络，具有高速 存取和共享存储体等特点。见图 4 。在所连接的设备之间，如计算机 的处理器和外围设备，通道连接总是提供点到点的直接连接，或者提 供交换的点到点连接。通道的作用在要领上并不复杂:其目的是尽可 能快地把数据从a点传送到b点。目 的地的地址不仅是预先确定的， 而且两点是用实际线路连起来的，数据除了去目的地之外不可能去其 他任何地方。纠错过程简单，可由硬件完成。另外，也不进行路由选 择和地址分辨，原因是不需要这些功能。因此， 数据分组中不需要携 带任何地址和纠错信息，分组开销很小。由于它们的点到点的性质和 有限的处理要求，通道连接大多以硬件实现的。而传统的以太网络连 接取决于寻址方案的多点连接，该寻址方案能保证数据到达正确的目 的地。沿着某一条网络连接传输的各个数据分组必须包含一个地址， 网络中的各个设备均根据该地址确定分组是否正确。网络连接一般都 具有相对复杂的误码探测和纠错能力，因此分组前端必须包含地址和 误码纠错信息，这就使得分组开销比单通道连接高。另外，网络连接 能够支持路由选择等功能，而简单地单通道不支持这些操作。光纤通 道既具有单通道的特点，又具有网络的特点，它是把设备连接到网络 结构上的一条高速通道。网络结构描述了网络连接的模型，该模型具 有连接两套设备的单条电缆到连接许多设备的一台交换机产生的网状 结构。 它根据不同情况实现特定的结构， 以达到支持应用程序的目 的。 在任何情况下， 就某个单光纤通道端口 而言， 无论网络结构多么复杂， 它只负责工作站和网络结构之间的一条简单的点到点的连接，可以避 免大流量数据传输时发生阻塞和冲突，非常适合高速和不间断视频数 据流的传送。 而 s a n的 推出 首先使服务器同 存储阵列之间的连接方式发生了 根本性的变革， 基于f i b e r c h a n n e l 的s a n改变了传统服务器与磁盘阵 列的主从关系。位于 s a n 上所有设备均处于平等的地位， 任何一台服 务器都可存取网 络上任何一台 存储设备， 通过f i b e r c h a n n e l 高带宽 和 强大的i/ o处理能力， s a n 技术在可连接性、 可扩展性以 及性能方面解 决了s c s i 技术无法解决的问 题， 成为存储领域具有强大生命力的 新技 术。s a n的根本就是计算机之间 及其和存储器之间的互联，它消除了 服务器处理瓶颈，使实际可用带宽接近实际的网络传输带宽， 适合大 数据量传输、实时数据处理。 再者，在具体存储应用方式上，由于传统的存储方式多是在以太 网上以t c p / i p 协议传输数据，在层层打包之后资源会有较大的开销。 而在 s a n存储网络设计方式中，文件传输是直接在界面卡( s c s i , f c - a l ) 与存储设备进行交互， 不须经过网络传输， 此时原先数据传输 所占 用的网络带宽， 可大大被释放。 s a n也支持i p 协议， 但由于其针 对存储数据传输的特点进行设计，当需要有大量或者大块的数据在 s a n上进行传输时，基于f c的传输技术更有优势，当客户端在l a n 上请求来自 服务器的数据时，服务器将在 s a n上的存储设备中检索数 据， 由于这种方式对数据的处理没有i p 打包方面的开销， 所以能 够更 有效的提交数据。 而f c己逐步发展成为计算机和存储器之间互联的新 标准，目 前世界上有超过7 0 家公司在生产f c连接的磁盘驱动器、硬 盘阵列、服务器，f c己经发展成为构成 s a n环境的事实标准。在 f c - s a n构架的视频网中，s a n不但承担着视频数据的存储、迁移、 交换、共享，而且还掌管着网络设备的登记、删除、查询、维护。也 就是说，s a n是数字视频网的主干，在其上可以挂接若干制作子网和 播出子网。 图4 s a n 结构图 ( 三) f c - s a n 实例分析 如前所述，由于f c 技术的成熟，视频带宽已成为现实。目前网络 应用主要有两种：制作网和新闻编播一体网。在这里，主要以制作网 进行分析。 制作网的特点是共享素材，工作