第7章 多媒体数据存储技术

1第7章多媒体数据存储技术2第7章多媒体数据存储技术多媒体数据存储技术是多媒体技术中的关键技术之一。它主要解决如何保存多媒体内容。随着多媒体技术的发展，存储介质从最早的磁带、磁盘、CD、DVD发展到蓝光光盘，存储容量发生了巨大的变化，而其中的存储方式也随之改变，并融入了新的压缩算法。本章介绍存储介质的变革过程，光盘存储技术的基本原理、技术标准；了解移动存储设备、网络存储和云存储的基本概念、术语和基本原理及多媒体数据存储的特点与技术要求。3光盘存储技术可移动存储设备网络存储技术文件系统云存储总结

教学内容4MultimediaTechnology&Application7.1光盘存储技术从1978年，研究人员把声音信号变成用“1”和“0”表示的二进制数字，然后记录到以塑料为基片的金属圆盘上。Philips公司和Sony公司于1982年把这种记录着数字声音的盘推向了市场。采用CD来命名，并为这种盘制定了标准。5MultimediaTechnology&Application激光唱盘分3个区：导入区、导出区和声音数据记录区。CD盘的结构6MultimediaTechnology&Application按读写能力对光盘分类只读光盘（ROM），。例如CD-ROM，光盘内容在工厂里制作，用户只能读；一次写光盘（WriteOnceReadMany），只能写入一次数据然后任意多次读取数据，主要用于档案存储，如CDR光盘；可擦写光盘(Erasable或Rewritable）。CD-RW就属于这类光盘，可以多次写入和读出。7MultimediaTechnology&Application只读光盘的读原理光盘上的信息是沿着盘面螺旋形状的信息轨道以一系列凹坑点线的形式存储的。激光束能在1μs内从1μm2探测面积上获得满意的信噪比(S/N)。利用激光聚焦成亚微米级激光束对轨道上模压形成的凹坑进行扫描，如下图所示。光束扫描凹坑边缘时，反射率发生变化，表示二进制数字“1”，在坑内或岸上均为二进制“0”数字。8MultimediaTechnology&Application可擦写光盘的擦写原理光盘写过程与光盘擦过程是一个逆过程，写即改变光介质的性质，擦即恢复光介质原来的性质。读光束的能量可以较小，功率只需1～2mW，但是擦写光束的功率一般需要8～20mW。对于1μm直径的激光束，功率如果具有15mW的写，那么其平均能量密度达到2×1010W/m2。如此高密度的能量可以很快改变或破坏盘面介质的性质，激光束在光盘介质上形成烧孔、起泡、相变、色变或偏振态变化的信息点，这个过程为写过程。9MultimediaTechnology&Application光盘驱动器的工作原理光盘驱动器主要由光学头、读写擦通道、聚焦伺服、跟踪伺服、主轴电动机伺服和微处理器等部分组成。10MultimediaTechnology&ApplicationCD简介CD是用来存储数字信息的光盘。最初是用来存储录音数据的，后来引用来作为数据存储用(CD-ROM)，只读音视频存储(CD-R)，可擦写存储(CD-RW)，视频光盘(VCD)，超级视频光盘(SVCD)及照片CD、扩展CD等。

标准的CD有两种尺寸，通用的是120mm(4.7in)直径，容纳74或者80min的音乐长度，或者650～700MB数据容量。另外一种是80mm直径的微型CD，它可以容纳24min音乐或者210MB数据，11MultimediaTechnology&ApplicationAudioCDAudioCD(另一种说法是CD-DA)是Sony公司和Philips公司在1980年发布的红皮书中规定的。它的格式为16位PCM编码的44.1kHz采样率的双声道音乐CD。12MultimediaTechnology&ApplicationCD-ROM在CD发布前，CD一直作为音乐记录的媒体。直到1985年Sony公司和Philips公司发布了CD-ROM标准的黄皮书，其中定义了基于音乐CD物理格式的保存不会变更的计算机数据存储的介质方式。CD-ROM广泛用来分发计算机软件，包括视频游戏和多媒体应用程序。。13MultimediaTechnology&ApplicationCD-ROM（续）不同的标准，不同的设计造成了集中不同容量的CD-ROM，常见的几种不同的CD产品容量如下图：14MultimediaTechnology&ApplicationCD-ROM（续）若CD-ROM和AudioCD的读取速率是一致的，则每秒传输数据150KB，该速率定为“1×”，即一倍速。下图列出了常见CD-ROM的读取速率与转速15MultimediaTechnology&ApplicationVCD（VideoCD）VCD(VideoCD)用于存储数字格式的视频媒体。VCD可以在专用的VCD播放设备、流行的DVD-Video播放器及个人计算机上播放。VCD的画面尺寸只有352×240大小，长宽是NTSC视频尺寸的一半。画面大小大约只有PAL制式视频的1/4。16MultimediaTechnology&ApplicationDVD光盘DVD是数字多用途光碟(DigitalVersatileDisc)的缩写。初推出时，是数字视频光盘(DigitalVideoDisc)的缩写，当时大多数厂商只针对影像方面的宣传及推出产品，加之当时计算机产业对于高容量的存储没有太大需求，后于1995年规格正式确立时，重新定义为数字多用途光碟。17MultimediaTechnology&ApplicationDVD的容量DVD的外观尺寸和CD的外观尺寸很相似，直径都是120mm或者80mm。DVD盘使用两层0.6mm厚的基片，数据层夹在中间，使得DVD的制造出现多种规格：18MultimediaTechnology&ApplicationDVD的速率DVD的写入速率和CD的速率不同，一倍速的DVD速率是1,385KB/s(1,353KiB/s)。目前大部分的DVD光驱型号，都可以达到18或者20倍速。下表列出了几个常见的速率：19MultimediaTechnology&ApplicationDVD格式规格DVD格式规格是有DVD论坛制定的，主要包括视计算机数据格式、视频格式和音频格式。DVD-ROM：用于记录计算机数据。DVD-Video：用于保存视频资料。DVD-Audio：用于刻录音频资料。DVD-R：一次性刻录光盘。DVD-RAM：可擦写刻录光盘。DVD＋R：一次性刻录光盘。DVD±RW：可擦写刻录光盘。20MultimediaTechnology&ApplicationDVD-Video格式DVD-Video是一种消费级视频格式，用于保存数字视频在DVD光盘上。目前在亚洲、北美、欧洲和澳大利亚普遍使用。它需要一个DVD光驱和一个MPEG-2解码器。注意，DVD-Video格式描述不是免费使用的，它需要5000美金的授权费用。21MultimediaTechnology&ApplicationDVD视频帧尺寸、频率DVD视频信息。DVD视频帧的尺寸和帧率也有不同的标准。主要分为两大类：25帧/秒，隔行扫描有以下几种尺寸：720×576像素、704×576像素、352×576像素、352×288像素。29.97帧/秒，隔行扫描有以下几种尺寸。720×480像素、704×480像素、352×480像素、352×240像素。。22MultimediaTechnology&ApplicationDVD音频PCM：48kHz或者96kHz采样率，16或24位线性PCM，2到6个声道，最高6144kb/s。AC-3：48kHz采样率，1～5.1声道，最高448kb/s。DTS：48kHz或者96kHz采样率，2～6.1声道，768kb/s或者1536kb/s。MP2：48kHz采样率，1～7.1声道，最高912kb/s。23MultimediaTechnology&Application蓝光光盘蓝光光盘(Blu-rayDisc，BD)是DVD之后的下一代光盘格式之一，用以存储高品质的影音和高容量的资料。最早是由Sony和松下电器等企业组成的“蓝光光盘联盟”策划的光盘规格，并以Sony为首于2006年开始全面推动相关产品。一个单层的蓝光光盘容量为25GB，而双层的蓝光光盘容量为50GB。2010年6月指定的BDXL格式，支持100GB和128GB的光盘。蓝光光盘同样有版权保护机制，主要有3种方式：AACS(AdvancedAccessContentSystem，高级访问控制系统)，以及BD＋和ROMMark，但是目前已有相应的破解方式。24MultimediaTechnology&ApplicationHDDVD（失败的高清晰DVD）HDDVD(HighDefinitionDVD，高清晰DVD)，是一种以蓝光激光技术存储数字内容的光盘格式。它的大小和CD一样都是120mm，其激光波长为405nm。

在2008年，华纳公司宣布脱离HDDVD，美国数家连锁卖场宣布支持蓝光光盘，东芝公司于当年2月宣布终止HDDVD事业，该阵营失败。

HDDVD单面单层容量为15GB，单面双层为30GB，远低于蓝光光盘。25MultimediaTechnology&Application7.2可移动存储设备可移动存储设备主要是用来在不同终端之间移动的存储设备，方便资料存储与读取。我们常用的台式计算机、便携式计算机、数码照相机、数码录像机、手机等电子设备都可以使用可移动存储设备。26MultimediaTechnology&Application7.2.1存储卡目前常用的存储卡有：PCMCIA存储卡CompactFlash（CF）卡SecureCard(SD)卡MultimediaCard多媒体卡MemoryStick(记忆棒)其他存储卡27MultimediaTechnology&ApplicationPCMCIA存储卡PCMCIA是PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation的缩写，是专为便携式计算机设计的外设接口。PC卡最早设计的初衷是计算机存储扩展。但是目前的使用已经扩展到大部分外设，如网卡、Modem和外接硬盘。28MultimediaTechnology&ApplicationCompactFlash卡CompactFlash(CF)卡是用在便携设备上的一种大容量存储设备格式。该格式最早由SanDisk公司在1994年发布并生产。CF接口有50个针脚，是68针的PCMCIA卡的子集，所以可以插入68针脚的PCMCIAII型卡槽中。CF卡也有倍速的概念，一倍速和CD的一倍速是一个速率，也就是150KB/s。例如，一个133×倍速的CF卡，其实际传输速率为133*150KB/s=19950KB/s～20MB/s。CF卡的容量可以达到137GB(128GiB)。29MultimediaTechnology&ApplicationSecureCard(SD)卡SD卡包含：SDSC(标准容量存储卡)，SDHC(SecureDigitalHighCapacity，高容量存储卡)、SDXC(SecureDigitalextendedCapacity，高扩展容量存储卡)及SDIO(SecureDigitalInput/Output，输入输出卡)30MultimediaTechnology&ApplicationSD卡的速度SD卡的速度是指从卡中读取或写入数据的快慢程度。官方的定义单位为速度评级，它保证了数据可以写入的最小速率，所谓的最小速率必须是8Mb/s(1MB/s)的倍数。官方定义了以下几个级别见下表：31MultimediaTechnology&ApplicationSD卡的速度（续）倍速的概念，用来表示SD卡在理想状态下读写速度是标准CD-ROM基本速度1.2Mb/s(150KB/s)的多少倍。32MultimediaTechnology&ApplicationMultimediaCard，MMC多媒体卡多媒体记忆卡(MultimediaCard，MMC)公司是一种闪存记忆卡标准，由SanDisk公司和SiemensAG公司在1997年发布

MMC的容量最高可达128GB，在手机、数码音乐播放器、数码照相机和PDA等设备中广泛使用。33MultimediaTechnology&ApplicationMemoryStick，记忆棒MemoryStick(记忆棒)是一种可移动闪存卡格式，由Sony在1998年发布的，并在Sony的大量数码设备中使用。在最早的记忆卡基础上，进而研发了MemoryStickPRO，允许更高容量，以及更快的传输速率。之后出现了MemoryStickDuo，一种更小的MemoryStick，以及更加微小的MemoryStickMicro(M2)记忆棒的容量在1998年发布时只有128MB，目前支持32GB，MemoryStickPRO则允许理论最大值2TB。34MultimediaTechnology&Application7.2.2移动存储设备接口通用串行总线(UniversalSerialBus，USB)是连接计算机系统和外部设备的一个串口总线标准，USB1.1的最大传输带宽为12Mb/s，USB2.0则达到了480Mb/s，到了现在的USB3.0则一步提升到5Gb/s。IEEE1394接口，又称火线(FireWire)接口，是由Apple公司领导的开发联盟发布的一种高速传输接口。传输速度有100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s和800Mb/s，目前已经达到1.6Gb/s和3.2Gb/s的速率Thunderbolt接口。由Intel发布的连接器标准，支持铜线与光纤两种媒介，用于计算机和其他装置的通用总线。目前支持双向同步传输速度可达10Gb/s。35MultimediaTechnology&Application移动硬盘移动硬盘具有以下优点：容量大数据传输速率高可靠性高。移动硬盘有如下缺点：体积较大。（相对于各种存储卡）脆弱性。（机械硬盘）36MultimediaTechnology&Application闪存盘（U盘）目前常用的闪存盘的核心芯片有3种类型：SLC，Single-LevelCell：1bit/cell，速度快寿命长，价格较贵，是MLC的3倍以上，约10万次擦写寿命。MLC，Multi-LevelCell：2bit/cell，速度一般寿命也一般，价格也便宜，约3000～10000次擦写寿命。TLC，Triple-LevelCell：3bit/cell，速度慢寿命也短，价格相对最便宜，约500次擦写寿命。37MultimediaTechnology&Application7.3网络存储技术直接附加存储（DAS）网络附加存储（NAS）存储区域网络（SAN）38MultimediaTechnology&Application直接附加存储（DAS）直接附加存储(Direct-AttachedStorage，DAS)是指直接连接到服务器或工作站的数字存储系统，它们之间不通过网络中介。一个典型的DAS系统就是一个硬盘柜子内置数个硬盘，再通过一个HBA卡直接连接到计算机。39MultimediaTechnology&Application网络附加存储（NAS）网络附加存储(Network-AttachedStorage，NAS)是指接入到计算机网络中为不同架构的客户端提供文件系统级别的计算机数据存储。NAS不仅仅是一个文件服务器，它还可以执行特定的任务。NAS一般是通过网络文件共享协议来提供访问的，常用的文件共享协议有NFS、SMB/CIFS及AFP。40MultimediaTechnology&Application存储区域网络(SAN)存储区域网络(StorageAreaNetwork，SAN)是一个专门提供集中化的块级数据存储的网络。有了SAN，磁盘阵列、磁带库及关学存储设备，就像直接本地连接在服务器上的存储设备。SAN通常与常用的计算机网络不相连，而是单独的一个网络。SAN通常利用光纤来连接存储设备和计算机，并需要在计算机中插入HBA卡。光纤拓扑结构比NAS的网络结构提供更快更可靠的存储访问速率。41MultimediaTechnology&ApplicationFC-SAN光纤通道存储区域网络(FibreChannelStorageAreaNetwork，FC-SAN)，是目前流行的使用光纤作为拓扑结构的存储区域网络。使用SAN的计算机，必须有HBA(HostBusAdapter)卡，光纤连接到HBA卡上，再适配到数据传输总线中。每一个HBA卡都有一个唯一的全球识别号(WorldWideName，WWN)。WWN类似于以太网卡的MAC地址。每一个WWN有8字节，每一个HBA卡有两种类型WWN，一个是节点的WWN，另一个是端口WWN。42MultimediaTechnology&ApplicationIP-SANIP-SAN是指基于InternetProtocol的存储区域网络。其中使用了iSCSI

标准来访问存储。iSCSI

是InternetSmallComputerSystemInterface的缩写。在IP网络中传输SCSI命令这种机制，使得在局域网内传输存储数据变得容易。理论上iSCSI

可以用来在局域网、城际网、互联网上传输存储数据，存储设备与地域无关。43MultimediaTechnology&ApplicationRAID技术独立磁盘冗余阵列(RedundantArrayofIndependentDisks,RAID)简称磁盘阵列，是把多个磁盘合并为一个逻辑单元的存储技术。数据如何在多个磁盘中分发的方式称为RAID级别，主要是考虑存储冗余性和性能处于哪个级别。44MultimediaTechnology&ApplicationRAID0RAID0是指磁盘条带集，内容平均分布在各个磁盘中，没有冗余校验，它最大的优点是性能优化。性能是单一磁盘的性能乘上磁盘数容量是磁盘数×最小磁盘容量。但是一旦其中一个磁盘出现损坏，则所有数据丢失。最少所需磁盘数：2个。45MultimediaTechnology&ApplicationRAID1RAID1是镜像磁盘，内容同时写入两个磁盘中，由此产生一个镜像集，若其中一个磁盘损坏，则数据可以在另外一个磁盘中找到读性能是磁盘数的倍数，但是写性能不变。容量以磁盘中最小磁盘容量为准。最少所需磁盘数：2个。46MultimediaTechnology&ApplicationRAID2RAID2作为RAID0的改良版，它以HammingCode的方式将数据进行位级别编码后分割位独立的位元，并将数据分别写入到磁盘中。由于数据中加入了错误修正码(ErrorCorrectionCode，ECC)，所以总体数据量要比原始数据量大。性能不能确定容量为n-1×单个磁盘容量，n为磁盘数最少所需磁盘数：3个。47MultimediaTechnology&ApplicationRAID3RAID3是字节级别的带校验的条带化。数据通过编码后再分别存在硬盘中，其中的校验码独立写在一个硬盘中。读性能是磁盘数的－1倍，写入时需要计算，因此性能要低于读性能。容量为（n-1）×单个最小磁盘容量，n为磁盘数。最少所需磁盘数：3个。48MultimediaTechnology&ApplicationRAID4RAID4与RAID5类似，只不过RAID4采用的块级校验，而且所有的校验码存储于一个硬盘上。这样本应提高的性能又受制于最后校验码写入的硬盘。最少所需磁盘数：3个。49MultimediaTechnology&ApplicationRAID5RAID5采用的是块级分布式校验码条带集。它把校验码分布式的放在各个盘中。如果一个盘出现损坏，数据不会丢失。RAID5是一种存储、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。读性能是磁盘数-1的倍数，写性能受制于计算影响，低于读性能；容量为(n－1)×磁盘单碟最小容量，n为磁盘数；最少需要3个磁盘。50MultimediaTechnology&ApplicationRAID6与RAID5相比，RAID6增加了第二个独立的奇偶校验信息块。两个奇偶系统相互独立，算法不同。数据的可靠性非常高，即使两块硬盘出现故障也不会影响数据的使用。读性能为磁盘数-2的倍数，写性能比读性能低；存储容量为(n－2)×单个磁盘最小容量，n为磁盘数。最少所需磁盘数：4个。51MultimediaTechnology&ApplicationRAID10/01RAID10/01细分为RAID1+0或者RAID0+1。RAID1+0是先镜像再条带化。具体来讲是把所有硬盘分为两组，每组内的磁盘按RAID1镜像，两组之间按RAID0条带化。这样，RAID1+0的速度提升了，而且拥有比RAID0更可靠的资料安全性。52MultimediaTechnology&ApplicationRAID50RAID50也成为镜像阵列条带集，由至少6块硬盘组成，像RAID0一样，数据被分割成条带化，同一时间在多块磁盘上写入；也像RAID5一样，以数据校验位的方式来保证数据的安全，且校验数据均匀的分布在各个磁盘上。其目的在于提高RAID5的读写性能。53MultimediaTechnology&Application7.4文件系统文件系统(FileSystem)是指存储设备中组织、管理的计算机数据的系统。它还负责管理存储设备上可用空间。文件系统是一种用于向用户提供底层数据访问的机制，它将设备中的空间划分为特定大小的块(扇区)，每种文件系统的块大小不一致。数据存在这些块中，由文件系统负责将这些块组织为目录和文件，并记录哪些块分配给哪个文件，以及哪些块没有被使用。54MultimediaTechnology&Application常用的文件系统FAT/FAT32exFATNTFSExt2/3/455MultimediaTechnology&ApplicationFAT/FAT32文件分配表(FileAllocationTable，FAT)，是Microsoft发明并拥有部分专利的文件系统，在Microsoft的MS-DOS、Windows操作系统中使用。FAT的优点是简单，几乎所有个人计算机的操作系统都支持。FAT的缺点有没有权限信息。磁盘碎片没有事务性脆弱性56MultimediaTechnology&ApplicationexFAT扩展的文件分配表系统(ExtendedFileAllocationTable，exFAT，又称FAT64)是一种特别适合闪存盘的文件系统相比于之前的FAT文件系统，exFAT

具有以下几点：可扩展至更大磁盘空间，从FAT32的32GB扩展到256TB。理论上文件大小限制为264字节，FAT32只有232字节。簇大小可以达到32MiB。可用空间和删除性能得到了提升。57MultimediaTechnology&ApplicationNTFSNTFS(NewTechnologyFileSystem)是WindowsNT及之后的NT系列操作系统使用的标准文件系统NTFS对FAT和HPFS(高性能文件系统)作了若干改进，支持元数据，并且使用了高级数据结构，改善了性能及磁盘空间利用率，支持访问控制列表和文件系统日志，并支持事务性。58MultimediaTechnology&ApplicationNTFS（续）NTFS日志USN日志硬链接和短文件名可选数据流磁盘空间限额卷加载点目录连接和符合链接卷影复制文件压缩加密文件系统事务NTFS59MultimediaTechnology&Application7.5云存储云存储一般包含以下两种含义：云存储是云计算的存储部分，即虚拟化的、易于扩展的存储资源池。用户通过云计算使用存储资源池，但不是所有的云计算的存储部分都是可以分离的。云存储意味着存储可以作为一种服务，通过网络提供给