数字电视制播技术PPT课件

电子发烧友电子技术论坛 1 北京广播学院 张琦 数字电视节目制播技术 电子发烧友电子技术论坛 2 一 电视节目制作网二 RAID技术三 视频服务器四 数字电视自动播出系统 电子发烧友电子技术论坛 3 一 电视节目制作网 一 节目制作网络中的几个基本概念1通道I O通道和网络是设备间数据传输和通信的基本连接方式 通道提供设备主机间或主机与外围设备间专用的点到点连接 其任务就是用最少的时间传送数据 目的地的地址是预先确定的 两点间是用实际线路连起来的 通道纠错过程简单 可由硬件完成 通常用于封闭的 有组织的可预知的环境 不需要进行路由选择和地址分辨 数据分组中不需携带任何地址和纠错信息 常见的通道标准包括SCSI Hippi IEEE1394等 单机非线性编辑系统可视为通道的一个例子 存储硬盘通过SCSI接口与主机相连 传送压缩视频和音频 电子发烧友电子技术论坛 4 1 SCSI接口 小型计算机系统接口 一种总线接口标准 定义了有关硬件设备的物理特性和电特性 SCSI硬盘和CD ROM等通过SCSI总线与主机相连 进行高速率的数据传输 SCSI设备以菊花链形式连接 在链中的第一台和最后一台设备需要终接 设备间电缆长度不超过2米 每台设备有一个地址号 ID 用于总线访问优先级分配 大数目 高优先级 目前SCSI总线支持32bit的数据传输 并具备多线程I O功能 可以从多个SCSI设备中同时存取数据 SCSI总线上运用了同步数据传输技术 Narrow总线宽8bit Wide总线宽16bit Narrow为50针接口 可接7个设备 Wide为68针接口 可接15个设备 SCSI标准新添FastSCSI和UltraSCSI 提高了数据传输速率和数据传输错误恢复能力和系统管理功能 电子发烧友电子技术论坛 5 SCSI接口的演变过程 FastSCSI把SCSI速度从5MHz提高至10MHz 数据传输率加倍到10MB s UltraSCSI速度提高至20MHz 传输率加倍到20MB 秒 WideSCSI用第二条数据电缆或68针数据线来提高总线性能 数据位宽16或32bit 把SCSI的性能提升至2倍或4倍 WideUltraSCSI用68针数据线把总线性能提高到40MB 秒 后向兼容 SCSI传输率最大可达40MB s 80MB s 广泛用于网络服务器及高档桌面系统 电子发烧友电子技术论坛 6 4iSCSI的发展 互联网小型计算机系统接口iSCSI 目的 千兆以太网和10G以太网出现 基于IP建立SAN 将SCSI技术应用到网络连接上 实现在IP网络上运行SCSI协议 允许用户通过TCP IP网络来构建存储区域网 IPSAN 与FC相比 IP的成本低 传输距离长 2003年2月11日 互联网工程任务组通过iSCSI InternetSCSI 标准 这项由IBM Cisco共同发起的技术标准 电子发烧友电子技术论坛 7 SCSI FC和iSCSI的数据传输率 时间200120022003SCSI160MB s320MB s320MB sFC200MB s200MB s1000MB siSCSI100MB s1000MB s1000MB s 电子发烧友电子技术论坛 8 iSCSI协议 iSCSI就是将SCSI命令打在IP包中传送给存储设备 进行数据块的存取 iSCSI协议定义了在TCP IP网络发送 接收数据块级的存储数据的规则和方法 发送端将SCSI命令 TCP IP头 iSCSI识别包 和数据封装到TCP IP包中再通过网络转发 接收端收到TCP IP包之后 将其还原为SCSI命令和数据 并执行操作 完成之后将返回的SCSI命令和数据再封装到TCP IP包中 再传送回发送端 电子发烧友电子技术论坛 9 5IP存储 IPStorage 概念 IP存储就是基于IP网络来实现数据块级存储的方式 支持iSCSI技术的服务器和存储设备能够直接连接到现有的IP交换机和路由器上 实现了IP存储 iSCSI技术具有易于安装 成本低廉 不受地理限制 良好的互操作性 管理方便等优势 电子发烧友电子技术论坛 10 6iSCSI的应用情况 iSCSI现在已用于下述中小型存储网络系统 1 主机通过高性能iSCSIHBA HostBusAdapter 连接到IP网络 iSCSI服务器和iSCSI存储设备 构建IPSAN 2 整合FCSAN和IPSAN 即应用IP存储交换机互联FC和iSCSI设备 再连接到IP网 3 IPSAN通过IP广域网连接远程存储设备 实现基于iSCSI技术的IPSAN的远程备份 4 用IP存储交换机整合iSCSI系统 主要数据中心通过IP存储交换机 即是存储路由器 将独立的IPSAN FCSAN NAS设备和IP网络系统都整合到通用的IP网络平台中 成为高度集成的IP数据SAN 电子发烧友电子技术论坛 11 7FC和IP网的iSCSI整合架构例 电子发烧友电子技术论坛 12 提供了现有局域网 LAN 和FCSAN设备之间的互操作性 上部分是基于iSCSI技术的IPSAN 由服务器 HBA 以太网交换 存储路由器互联IP设备和FCSAN iSCSIHBA包括网卡的功能 可实现协议转换 将SCSI命令和数据封装到TCP IP包中转发到网络上 或将接受的TCP IP包还原为SCSI命令和数据并执行 电子发烧友电子技术论坛 13 TCP IP网络传输数据块的问题至今在技术上还没有突破 目前对于大容量 高速块级数据存取 FC还是首选 Brocade Intel Cisco等将促进FC与iSCSI技术融合 电子发烧友电子技术论坛 14 8infiniBand 光纤通道目前是建立SAN架构的唯一选择 但大多数FCSAN管理解决方案都需要一个独立的以太网连接 传递管理指令 将来可能会用G 10G以太网或InfiniBand架构 简称IBA 来实现SAN 对数据存储技术发展进程的预测 10G以太网交换机与Infiniband交换机将在2004年同时问世 InfiniBand贸易协会 ITA 提出的服务器结构 fabric 体系规范 旨在把I O总线体系结构从服务器和PC中 分离 出来 Infiniband规范体系结构 简称IBA 包含内容很丰富 电子发烧友电子技术论坛 15 Infiniband将处理计算 存储I O 网络I O等功能完全分开 实现以网络为中心的架构 下图是基于IBA Infiniband 的SAN结构 也是基于IBA架构的计算机体系结构 电子发烧友电子技术论坛 16 计算机服务器体系结构网络化的发展进程本来是数据存储 计算处理和I O合为一体的 现在数据存储部分已经分出来 未来将数据存储 计算处理 I O吞吐三足鼎立的架构 这就是真正的服务器网络化体系结构 这种架构可以非常灵活的根据需要来定制系统 对计算能力要求高 就将计算处理节点的配置得高 通过对存储节点进行定制可成为海量存储专用系统 目前和Infiniband竞争的网络互连标准是PCI X G 10G位以太网 FC等 在数据存储解决方案中将遇到G 10G位以太网技术的挑战 电子发烧友电子技术论坛 17 围绕数据存储的服务器体系结构的演变 电子发烧友电子技术论坛 18 分布式 电子发烧友电子技术论坛 19 2 Hippi 高性能并行接口 HP公司为连接超级计算机和工作站开发的 定义了在CPU之间 CPU到磁盘阵列或其它外设传送数据的通道 Hippi是点对点连接 支持带有错误检测 但不改正 打包传送的发送序列 通常用于客户机 服务器结构的网络中 作为服务器间或服务器与存储体的连接 通道I O技术的优点 低维护管理量 低延迟时间 高速度 高可靠性 但配置结构不灵活 无法满足增长的设备连接和远程互联的需求 所能完成的任务比网络小得多 电子发烧友电子技术论坛 20 2网络 传统的局域网络是通过公共传输媒介互连的分布式节点的集合 用自己的协议支持这些节点之间的相互联络 通过共享媒介 电缆或光纤 在一个节点跟另一个节点之间传输数据和地址信息 用于无法预知的环境 要将地址信息打入包内按规定路线发送 完成网络传输 软件开销较大 数据包有很大的前缀 管理节点之间的网络协议和数据传输 限制了系统带宽 每个设备 节点 都将竞争传输媒介 使数据包互相抵触 导致长时间延迟和传输可靠性下降 每个节点必须能在网络中识别错误状况并提供纠错 电子发烧友电子技术论坛 21 网络协议包括 以太网 令牌环网和FDDI协议 IP协议 ATM协议等 以太网技术属广播型 共享 式网络 采用CSMA CD访问方式 即载波监听多路访问及冲突检测方式 在局域网上的每个站都在监听 一个要发送数据的站如果发现总线在使用中 就会推迟发送 等待介质上出现空闲期 该站点要延迟一段时间 当网上用户很多时 信号碰撞的概率会急剧加大 故传输速率下降 网络的优点 连接距离远 配置灵活 支持多种协议 由于其与连接无关的特性 使管理开销增大 节点间竞争传输媒介而导致传输效率下降 电子发烧友电子技术论坛 22 3光纤通道 FibreChannel 结构 FibreChannel是90年代初IT领域提出的高速传输机制 于1994年经ANSI 美国国家标准化组织 进行标准化 光纤通道综合了网络的某些特性 如灵活的连接 远程通信和多路协议 以及通道的简洁性和高度可靠性 更象是一种通道 网络的混合体 光纤通道根据不同传输介质 可提供266Mb s到4Gb s的传输带宽 可以使用分层协议将数据帧从发送端传输到接收端 数据帧携带的数据可以是视音频数据 也可以是其它协议 如SCSI或Internet协议 最大特点是将网络和设备的通讯协议与传输物理介质分开 这样就支持在同一物理连接上同时传送多种协议 FC象一个大型运输队 数据帧长度较大 可以直接运输数据 也可以将数据按不同协议打包后运输 电子发烧友电子技术论坛 23 光纤通道的五层定义 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 ULP 接口 FC 0 物理接口和媒介 定义物理端口特性 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 光特性 传输速率等 物理介质有光纤 双绞线和同轴电缆 速度为266Mb s和1062Mb s 光纤通道结构 电子发烧友电子技术论坛 24 FC 1 传输协议 FC 1规定了8B 10B的传输编码 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 传输码字应直流平衡 有足够跳变保证时钟恢复 FC 2 帧协议 FC 2层定义传输机制 包括帧定位 含同步信息 帧头内容 使用规则以及流量控制等 数据帧 见下表 长度可变 最多达到2KB 可扩展地址 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标识等 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FC 0 FC 1和FC 2构成光纤通道物理层 FC PH 标准 电子发烧友电子技术论坛 25 FC 3 公共服务 提供高级特性的公共服务 例如条块化 搜索组和多路播放等 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 lFC 4 ULP映射 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 ULP 之间的映射关系和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SCSI接口和IP ATM等 电子发烧友电子技术论坛 26 4光纤通道的拓扑结构点到点 交叉开关型 Fabric 仲裁环 FC AL 点对点拓扑结构 将两个器件直接联接 提供对通道全部功能的实时访问 可用于单个工作站与磁盘阵列或其它工作站之间 光纤通道仲裁环 FC AL 仲裁环路允许多台设备连接在光纤通道网络上的环路里 共享带宽 每个设备都要占用一个仲裁环物理地址 设备端口包含收 发机 仲裁用来建立点对点的通信 所有端口都相当于中继器 将信号进行中继放大 当某一端口识别出不是该端口要接收的数据时 可让其它端口的数据通过 点对点结构 电子发烧友电子技术论坛 27 一旦一个传输请求被考虑 收发点占有整个环的带宽 直到传送结束 当两个端口释放环路的控制时 另一个点对点连接才可以建立 仲裁环结构设备也可采用集线器连接到FC AL上 Hub是一个多接口的光纤环 连接到Hub的设备共享100MB s带宽 一般的FC集线器具有8到16个端口 设备连接到这些接口上 故障时可以旁通 FC AL的缺点 见下页图仲裁环连接的设备数有限 实际连接设备数取决于视频压缩率和对实时性的要求 任一个节点开 关机时 网络资源要重新分配 这对正在实时播放的站点会产生影响 造成瞬间停播 因此FC AL常用于制作设备联网 不考虑播出 电子发烧友电子技术论坛 28 集线器与主环和从环的连接 单连接站点 SAS 通过集线器连接到主环上 集线器直接连接到主环和从环上 以保证任何单连接站点的出错或掉电不会破坏整个环路 双连接站点 DAS 有两个端口 A和B 分别与主环和从环连接 若双连接站点的设备与主环或从环的连接中断或掉电 将影响这个环路的工作 返回14 电子发烧友电子技术论坛 29 采用仲裁环方式的制作网结构 在仲裁环结构中 所有的客户端和中央存储器以光纤Hub连接 此结构要求客户端数量不多于五台 其优势在于价格较低 缺点是客户端通过Hub分享服务带宽 只适合小系统 电子发烧友电子技术论坛 30 利用LoopHub建立的ArbitratedLoop 形成一个星状的回路架构 FC集线器实质上是一个多接口的光纤环 一般具有8到16个端口 连接到集线器的设备共享100MB s带宽 FC集线器 电子发烧友电子技术论坛 31 光纤通道的交叉开关型结构Fabric适合工作在较大的物理区域 原理类似于电话交换机的转换 利用Fabric提供设备端口之间的多路径传输 这种拓扑在一帧数据头嵌入目的地标识符 把数据帧通过光纤转换器传输到指定目标的端口上 往光纤转换器上添加站点不会降低点对点通道的频带宽度 Fabric自身就能负责差错校验 如果发生传输错误 由Fabric负责重新路由连接 确保高速通讯 一旦在两个节点间建立起连接 就可以看作是一个高速通道 通常使用FCSwitch 交换机 来构造交叉开关型网络 典型的FC交换机可提供8到16个端口 每个端口均可提供独占的100MB s带宽 交叉开关型结构 电子发烧友电子技术论坛 32 Fabric Fabric采用一个主动的智能互联方式进行设备之间的连接 与电话交换机功能相似 光纤通道在设备之间建立临时连接时 利用唯一的地址标识把内部处理器与远达10公里外的外围设备连接起来 如图 Fabric负责对每个端口连接的网络发送数据和错误恢复等管理工作 点对点连接端口叫N端口 每个N端口都有一个接收器和一个发送器 并分配一个唯一的地址 N端口地址标识 N端口通过一对光纤 双绞线或同轴电缆互相连接 信息可以在两个端口之间同时双向流动 端口管理设备与Fabric之间的点对点连接 呼叫端口在实际数据前面的加一个目的地的地址标识号码 如同电话拨一个电话号码 Fabric上的端口称为F端口 F端口根据地址信息把来自源N端口的数据发送给目标N端口 Fabric上连接的节点都可以通过F端口进行通信 电子发烧友电子技术论坛 33 光纤通道链接结构示意图 返回 电子发烧友电子技术论坛 34 电子发烧友电子技术论坛 35 通用的光纤通道端口 光纤通道用分层协议将数据帧从发送端传输到接收端 数据帧携带的数据可以是原始数据 也可以是其它的协议 即光纤通道能通过单一媒体和相同的硬件连接许多其它的通道和网络协议 如FDDI ATM 以太网 HIPPI SCSI和IPI 光纤通道这一通用特性的实现方法是 在发送方 如计算机或磁盘阵列 缓存中设置数据传输方式 而在接收方设置接收缓存 光纤通道不管这些数据的内容和它的格式 把一个缓存里的东西传送到另一个 绕开众多的协议规定 光纤通道可以看作一种传输机构 用户能把要传的东西 SCSI命令 ATM命令等 放入包内 输送至所要求的地方 利用这种缓存 FC的设备可以通过点对点连接同时与所有其它终端进行数据交换 电子发烧友电子技术论坛 36 5FC SAN 1 以服务器为中心的存储系统 存储系统是服务器的一部分 服务器不仅承担工作站的应用程序服务 还要承担文件服务 即执行用户的应用程序和共享数据的管理 接收和发送均由同一服务器处理 服务器执行客户机的资料请求 读取资料 并通过网络以小数据包向客户机仲裁 分发文件和数据 这种存储系统 用户数量增加或服务器正在服务时 响应变慢 网络带宽够时 服务器成为瓶颈 存储器和服务器紧密连接也使应用受到限制 以服务器为中心的存储体系 电子发烧友电子技术论坛 37 2 附属于网络的存储结构 NAS 数据存储采用专用的文件服务器 称NAS服务器 管理文件存储系统 提供硬盘共享 支持多个I O节点和网络接口 扩大了访问带宽 应用服务器具有执行用户应用程序的功能 控制用户请求共享数据的操作 它将NAS视为网络文件系统 通过网络访问文件存储系统 NAS采用UDP IP或TCP IP协议提供标准化访问服务 能够在异构服务器 Windows和UNIX 间共享数据 由于协议层开销较大 对系统吞吐率没有明显提高 NAS存储网络 电子发烧友电子技术论坛 38 3 存储区域网SAN StorageAreaNetwork SAN结构特点是 网络中的工作站节点与存储器直接连接 访问速度快 光纤通道存储区域网 FC SAN 体系结构通过光纤通道使网络中的设备都直接与中心存储体相连 具有高速存取和共享存储体等特点 采用FC可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 用户能在网上任一工作站访问共享存储体得到素材 避免了服务器方式的瓶颈效应 FC SAN结构 文件管理 电子发烧友电子技术论坛 39 FC的Hub或Switch不限制使用某种特定的接口和传输介质 可以选配不同的接口模块来连接不同传输介质 在FC网中 有光纤和铜缆两种介质 铜缆可传输30米 光缆可传输500米 由于硬盘阵列通常与Switch放在相邻的位置 所以Switch和硬盘阵列间用铜缆连接 Switch和工作站之间使用光缆连接 SAN由以下四部分组成 存储系统 可以是磁盘阵列 光盘或数据磁带 一般采用磁盘阵列 硬件连接件 包括SAN体系结构中的互连线路 如光缆 电缆 光纤通道交换机 光纤通道集线器和主机总线适配器等 要达到高性能的SAN操作 必须对控制光纤通道网络设备软件系统进行工程设计 使各类硬件在网上协调 安全 可靠地传递信息 电子发烧友电子技术论坛 40 管理软件 系统的管理软件很重要 它将存储系统与网络连接设备有机而智能地连接在一起 SAN上的网络管理工作主要包括视频数据库的管理和视频网络设备 包括存储设备 的管理 异种操作系统数据文件的映射和不同视频格式数据文件的交换 所有这些管理工作是由SAN操作系统来完成的 SAN管理软件既要管理硬盘阵列 又要对光纤通道 硬件和文件系统进行统一管理 目前使用较多的是SANergy管理系统 文件系统 为整个系统提供一种共同的语言 提供存储区域网上所有设备实现互相通讯的方法以及共同遵循的操作协议 防止相互冲突 并保证数据可靠安全地运行 电子发烧友电子技术论坛 41 4 IP存储 IPStorage 与iSCSI协议 人们开始考虑基于IP来建立SAN 与FC相比 IP的成本低 传输距离长 人们对IP技术熟悉 维护经验丰富 IP网无处不在 如果存储中心也采用IP网 则便于扩展连接到外部IP网络 采用IP存储可能只需花费FC数据中心的1 4到1 2 iSCSI 将存储和IP网络相结合 iSCSI将SCSI命令打在IP包中传送给存储设备 进行数据块的存取 基于iSCSI的SAN结构 电子发烧友电子技术论坛 42 目前iSCSI的产品尚不能满足广播电视的要求 国际上认为IP存储的趋势会在近年内上升 它和FC将在未来一段时间内并存 在广播电视领域内iSCSI的应用已引起很大关注 有些厂商已经在进行评价和测试 近几年内SCSI FC和iSCSI可能达到的数据传输率 电子发烧友电子技术论坛 43 二 节目制作网的应用结构 节目制作网 以非线性编辑为中心 在非线性编辑工作站内集计算机 硬盘记录和播放 视音频信号采集压缩和解压 特技切换 字幕叠加 编辑控制等为一体 所有的编辑工作站可共享一个硬盘塔或服务器内的素材 共同编辑一个节目 各种工作站 服务器 硬盘塔通过网络连接起来 构成节目制作网 FC SAN缺点 一是造价较高 交换机端口有限 大中型制作网需要的实时通道数可能超过16个 二是FC SAN在数据库管理 数据控制和各工作站之间的通讯 普通文件交换方面很不方便 电子发烧友电子技术论坛 44 目前主要应用双网结构 以存储体为中心 以光纤通道为骨干的FC SAN结构和将不同操作平台的非线性编辑工作站联接起来的以太网相结合 FC组网多采用Fabric拓扑结构 交换机的每个端口支持高达100MB s的存取速度 保障稳定高速的数据传输 FC网完成低压缩比素材的实时传输与共享 千兆以太网完成高压缩比素材的传输与管理 外来信号通过上载工作站实现双压缩比采集 以太网络上的编辑工作站对素材编辑产生EDL表 各个工作站可协同编辑完成节目的特技实现和字幕叠加等 最后的节目文件不包括素材本身 容量很小 一般只有几十K左右 FC网上连接的高档工作站可实时地得到节目文件 将素材存放的路径替换为FC光纤网络存储体的路径 即可完成广播级节目的合成下载 可用以太网交换机级联方式增加I O口 如 一个7口的千兆以太网交换机和一个24口的百兆以太网交换机级联 电子发烧友电子技术论坛 45 双网制作网络 电子发烧友电子技术论坛 46 视音频传输文件的发展 文件允许把所有相关数据 元数据和音频数据等 打包在一起传 文件格式主要有MXF GXF和AAF MXF是Pro MPEG组织制定 解决节目制作系统设备间的节目素材交换 MXF文件具有流式特点 允许传送时浏览文件视音频内容 可用于存储含有Metadata的节目和素材 能支持多种压缩格式 MPEG DV 非压缩 可用于存储含有简单编辑信息的EDL及其工作的素材 MXF即能用IP网络传输 还能使用SDTI作为传输接口 GXF也是Pro MPEG组织制定的 可利于数据磁带存储素材 MXF和GXF文件既能用多种介质传输 又能边传输边处理 兼顾了计算机系统数据文件和信号流二者的优点 对于解决制作系统中节目和素材的传输效率大有益处 AAF文件格式对非线性编辑系统更有意义 可以描述复杂的编辑信息 如合成 特技效果等 它能包含生成一个节目所需的所有素材和元数据 电子发烧友电子技术论坛 47 二廉价磁盘冗余阵列 RAID RAID简称磁盘阵列 把多块独立硬盘按不同方式组合起来形成一个硬盘组 硬盘阵列就是多个硬盘驱动器的集合 将多个硬盘驱动器按照一定的方案组合在一起协同工作 使用起来如同一个单独的磁盘 但比单个硬盘具有更大存储量 更高速度和更好的稳定性 并提供数据冗余技术 发生数据损坏时可利用冗余信息恢复损坏数据 RAID写操作包括校验计算 将新数据写入目标数据盘 从现存数据生成校验数据写入校验盘 系统通过RAID控制器管理阵列中数据的存取 RAID在阵列中内置了RAID控制器和数据缓存 有独立的电源和机箱 并用控制器硬件实现带区划分 因此RAID功能完全在阵列内部完成 无需主机参与 电子发烧友电子技术论坛 48 一 RAID级 组成磁盘阵列的不同方式称为RAID级 常用的级 RAID0 RAID1 RAID3 RAID5 还有10 30 50等 1RAID0 DiskStrippingwithoutparity称数据分条技术 把连续的数据分成若干大小相等的小块 并把它们并行写到磁盘组内不同的磁盘上 读时也以并行的方式对各磁盘同时操作 系统有数据请求时 多个磁盘并行执行 每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求 并行操作可充分利用总线带宽 提高磁盘整体存取性能 理论上数据传输速率是单个磁盘的N倍 N为构成RAID0的硬盘总数 这里的1个磁盘指的是1个磁盘驱动器 每个磁盘驱动器内含许多盘片 RAID0不提供数据冗余 一旦用户数据损坏 损坏的数据无法得到恢复 RAID0特别适用于对传输速率要求较高 而对数据安全要求不太高的领域 如图形工作站等 电子发烧友电子技术论坛 49 RIAD0的工作原理 RIAD0 RIAD1 RIAD10 返回37 返回38 电子发烧友电子技术论坛 50 RIAD3 RIAD5 返回 返回39 电子发烧友电子技术论坛 51 2RAID1 RAID1称镜像阵列 每个工作盘都有一个镜像盘 如图 每次写数据时必须同时写入镜像盘 读数据时只从工作盘读出 工作盘发生故障自动转入镜像盘 更换故障盘后 数据可以重构 恢复工作盘正确数据 这种阵列可靠性很高 但有效容量减小一半以下 RAID1用于对容错要求极严的应用场合 应当及时地更换损坏的硬盘并利用备份数据重新建立Mirror RAID1提供最高的数据安全保障 但备份数据占了总存储空间的一半 因而磁盘空间利用率低 存储成本高 适用于存放重要数据 如服务器和数据库存储等领域 电子发烧友电子技术论坛 52 3RAID0 1 RAID0 1是RAID0和RAID1的组合 又称为RAID10 既用条块化读写 又使用镜像操作 允许多个硬盘损坏 以四个磁盘组成的RAID0 1例 如图 每两个磁盘为一组作为镜像 每两组之间作级联 进行数据分条 RAID0 1是兼顾存储性能和数据安全的方案 RAID0 1适用于既需要存取大量数据 同时又对数据安全性要求严格的领域 电子发烧友电子技术论坛 53 4RAID3 ParallelDiskArray RAID3为单盘容错并行传输阵列 采用分条技术将数据按位或按字节分散记录在各个硬盘的相同扇区上 同时进行异或运算 产生奇偶校验数据 写到最后一个校验硬盘上 如图 一个硬盘发生故障时 除故障盘外 写操作继续对数据盘和校验盘进行操作 读操作对剩余数据盘和校验盘数据异或计算恢复故障盘的数据 下页图图中 一次数据存储包含4个数据盘和1个冗余盘 称为4 1RAID3 实际应用的RAID 3为8 1 最多12 1 RAID3可靠性很高 工作速度比RAID0慢 电子发烧友电子技术论坛 54 纠错过程例 D1 D2 D3 D4分别为1 0 1 1 计算出奇偶校验位为1 写在P1上 若磁盘3 D3 发生了故障 则用D1 D2 D4和P1进行异或运算 恢复出D3 1 返回 D1D2D3D4 电子发烧友电子技术论坛 55 5RAID5 RAID5采用分条技术将数据分块 每组数据块与其相对应的奇偶校验信息分别存储于各个磁盘上 RAID5把奇偶校验信息分散存储到各个磁盘上 例 4个硬盘组成的RAID5 P0为D0 D1和D2的奇偶校验信息 P1为D3 D4和D5的奇偶校验信息 其数据存储方式如图 一个磁盘数据发生损坏后 利用其余盘上的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据 电子发烧友电子技术论坛 56 6JBOD JBOD JustBundleOfDisks 是 简单磁盘捆绑 又称为Span JBOD不是标准的RAID级别 近几年被一些厂家提出 并广泛采用 JBOD把几个物理磁盘一个接一个串联到一起 提供一个大逻辑磁盘 数据简单的从第一个磁盘开始存储 第一个磁盘的存储空间用完后 再依次从后面的磁盘开始存储数据 JBOD不提供数据安全保障 它的存储容量等于组成JBOD的所有磁盘的容量的总和 这种阵列中没有RAID控制器和数据缓存 主机可以自由地使用软件工具对硬盘进行组合及分区 速度和硬盘空间使用率上和RAID0一样 电子发烧友电子技术论坛 57 硬盘的构成 磁头 磁盘 磁头 磁盘界面 信号处理和数据接口 基本构造 同心轴上叠装数张磁盘 由轴带动磁盘以匀速转动 磁盘上的同心圆称为磁道 磁头 磁盘界面间隙要小 约为0 07微米 能使磁头感应出更细微的磁性信号 允许密度更高 将来有可能让磁头与磁盘面接触 磁盘结构 二 硬盘的工作原理 电子发烧友电子技术论坛 58 数据在磁盘上存储在同心的磁道上 每个磁道分成独立可寻址的单元 称为扇区 硬磁盘有多个盘片 盘片两面都可记录 每面对应一个磁头 磁头所对应盘面上磁道构成柱面 格式化把盘片划分成有磁道和扇区的结构 使盘片上的扇区有地址 数据读取运作 当操作系统发出读取一个文件的指令后 从指定扇区读出文件的位置参数 磁头号 柱面 扇区 而后操作系统把消息送给磁盘控制器 由电动机推动磁头到正确的磁道上找到所需的扇区 把数据全都送到高速缓存CACHE中 最后由接口芯片把必要的信息送到主机的内存里 硬盘的参数主要有三个 存储容量 数据传输率和寻道时间 11 28ms 电子发烧友电子技术论坛 59 三视频服务器 是一种对视音频数据进行压缩 存储及处理的专用计算机设备 它在节目制作 广告插播 多通道循环垫播 延时播出 硬盘播出及视频节目点播等方面都有广泛的应用 视频服务器采用MPEG 2等压缩格式对视频数据进行压缩编码 以满足存储和传输的要求 视频服务器使用SCSI接口硬盘或FC接口硬盘作为视音频数据的在线存储器 具有多通道输入输出 多种视音频格式接口 可配备SCSI FC等网络接口进行组网 实现视音频数据的传输和共享 电子发烧友电子技术论坛 60 网络服务器为网上用户提供服务 装有网络操作系统的核心软件 具有管理网络 共享资源 通信管理等服务功能 视频服务器的特殊要求是 能提供大容量视频存储和实时输出服务 满足视频信号的存储容量和带宽要求 支持实时的多通道视频输出流 提高系统硬件能力的同时 换需设计高效的资源管理策略与磁盘调度算法 或利用分布式层次结构等提高系统效率 视频服务器大多采用分布式可扩展的并行计算机体系结构作为硬件平台 主要应用 电视节目制作 和播出 流媒体 视频点播 视频会议 远程教育 数字图书馆等 三 视频服务器 电子发烧友电子技术论坛 61 一 视频服务器的体系结构 1 基于通用计算机的视频服务器这类服务器采用PC系列通用计算机作为主机 以硬盘为主要存储介质 为了解决视频数据的存储和I O吞吐效率问题 采用基于RAID阵列和SCSI高速接口的存储体系 这种服务器的系统软件功能也比较简单 面向小型网络用户应用 2 基于高级工作站的视频服务器在高性能计算机的基础上增加支持视频数据访问的有关硬件 再将系统进行一定的优化 以达到一般视频服务器的功能 3 基于专用硬件平台的服务器 4 硬件厂商将大容量存储设备和高速I O设备结合在一起 形成基于专用硬件平台的服务器 电子发烧友电子技术论坛 62 5 分布式服务器体系结构多个独立的服务器节点由高性能网络互连 各节点的操作系统是互相独立的 也可以是异构的 设计思想是将服务器的功能分布到网络中去 例如 单机输入输出负载能力和存储能力可以分布到网络中 这样可降低对服务器的要求 见图分布式层次结构体系例 视频文件服务器在最底层 各服务一个网段的用户 各网段之间不直接相连 但都通过骨干网与档案服务器相连 因一个网段内的用户数量有限 保证了网络资源不出现瓶颈 视频服务器内可存储一定节目 档案服务器居于系统层次的高层 是更大的数据存储库 根据视频文件服务器的需求向视频文件服务器传输节目 他不直接服务用户 电子发烧友电子技术论坛 63 分布式层次结构视频服务器体系 电子发烧友电子技术论坛 64 分布式系统的概念将播出系统的风险性降低到最小服务器的错误仅仅影响一个频道 返回 电子发烧友电子技术论坛 65 视频服务器构成例PDR300的内部电路框图 电子发烧友电子技术论坛 66 ProfilePDR300服务器的技术性能 1视频数据采用MPEG 2压缩 支持MPEG 2422P ML标准 4 2 2和4 2 0色度抽样 2接口和通道可选择以下多种配置方式 3具有开放软件应用接口4视频处理 视频处理功能可对输入信号的幅度 黑电平 色饱和度进行预校正 5外基准锁相功能 时基校正器可任选1路信号进行时基校正 与外基准信号同步后作为内部基准信号 而每一路输出通道再与内基准锁相 内基准对外基准的相位可 电子发烧友电子技术论坛 67 视频服务器结构例MAV70 XGI结构 板卡 硬盘 电源 风扇全部支持热插拔 电子发烧友电子技术论坛 68 各种特殊考虑MAV 70XGI的优势 每一个板卡都有自己的操作系统安全稳定的嵌入式操作系统 电子发烧友电子技术论坛 69 文件系统是保存在静态存储器上 电子发烧友电子技术论坛 70 千兆以太网接口 高速文件传输接口 千兆以太网接口 电子发烧友电子技术论坛 71 连接新闻制作网播出新闻 连接多台服务器构成多频道播出系统 支持MXF 连接e VTR MAV 555A Xpri 其他厂商的设备 卫星收录系统 千兆接口可以使MAV实现 连接磁带库构成媒体资产管理系统 电子发烧友电子技术论坛 72 网关电脑的概念 彻底的与网络分开网络拥堵不会影响到播出提供稳定的播出环境网络一旦有问题仅仅将与网络有关的设备重新启动就可以了 电子发烧友电子技术论坛 73 服务器直接连到网上时 网络拥堵将影响到集成千兆以太网功能的服务器对服务器的影响最终将影响播出 电子发烧友电子技术论坛 74 视频服务器应用例 声像资料系统的网络结构 电子发烧友电子技术论坛 75 四 数字电视自动播出系统 一 硬盘阵列自动播出的技术类型 现阶段采用带中心存储的播出控制系统 在播出系统配备媒体资产管理中心 这是数字播出系统发展方向 目前的自动播出主要采用两种方案 前一种以数字切换台为中心 自动播控软件也以它为主控对象 用数字录像机作节目源 自动播出系统控制数字录像机与播出切换台协调动作 第二种方案以视音频服务器为核心 利用数据库技术进行管理 通过计算机网络传输控制和管理信息 并对设备进行监控 通过高速视频网络传输播出节目素材 自动播出系统控制视音频服务器与切换台协调动作 实现数字播出 这种方案中 服务器的组合又有两类结构 采用主备视音频服务器方式 MediaCluster方式 也称为服务器群集方式 电子发烧友电子技术论坛 76 1主备视音频服务器方式 每个服务器内的硬盘均采用RAID技术 主要优点是结构简单 可靠性高 缺点是磁盘的有效利用率降低到约50 服务器双机备份原理 电子发烧友电子技术论坛 77 服务器配置方式 1 品尼高的MediaStream系列网络存储方案是服务器高度共享的多通道存储方案 网上所有服务器都可同时共享一个存储池 减少了服务器之间拷贝和文件转移的需要 降低了对服务器存储量的要求 简化了管理程序 增加了可靠性 存储系统完全采用RAID3容错技术 服务器的容错采用了以下几种配置方式 镜像服务器配置 MirroredServers 两个服务器保持同步运行 任何一个服务器上载的内容同时自动镜像地拷贝到另一个服务器中 备服务器处于等待模式 见上页图 电子发烧友电子技术论坛 78 主 缓存 Main Buffer 服务器配置 主服务器与缓存服务器之间作镜像备份 主服务器作为拥有全部内容的中心存储服务器 连接几个服务器作为缓存器 它们的存储量较小 用作各个频道的播出服务器 如果某个缓存服务器出现故障 主服务器将自动取代它 如果主服务器出现故障 缓存服务器可用它自己的存储继续播放 系统自动管理服务器间的内容分配 Peer to Peer配置多个服务器接入一个光纤 FC 环 任何一个服务器都可以上载视音频素材 并可分发给其它任意一个服务器 素材开始传输时即可播放 不需等传输完成 灵活 适用于非常大型系统 电子发烧友电子技术论坛 79 网络环境中的容错 容错系统 网络文件系统 视频服务器节点 存储子系统MediaStream FibreChannel 电子发烧友电子技术论坛 80 网络文件系统 系统控制 两台独立的计算机 以太网交换机和两个独立的以