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HDTV制作中廣泛應(yīng)用的數(shù)字媒體領(lǐng)域存儲(chǔ)技術(shù)
依馬獅網(wǎng)牟成培山東有線電視中心隨著數(shù)字媒體技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)技術(shù)在數(shù)字媒體領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。特別是數(shù)字技術(shù)的迅猛變革，使存儲(chǔ)數(shù)字媒體的技術(shù)手段也發(fā)生很大變化。在媒體爆炸性增長(zhǎng)的同時(shí)，廣電界十分關(guān)心數(shù)字技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，同時(shí)也更加關(guān)心數(shù)字媒體資產(chǎn)的管理、使用和存儲(chǔ)。本文圍繞6種常用數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)及在數(shù)字視頻中的應(yīng)用進(jìn)行淺析，供同仁參考。
SCSI技術(shù)
SCSI的發(fā)展經(jīng)過(guò)三個(gè)階段。SCSI協(xié)議的第一版本僅規(guī)定了5MB/s的傳輸速度的總線類型，接口定義、電纜規(guī)格等標(biāo)準(zhǔn)。第二版本作了較大修改。SCSI-2協(xié)議規(guī)定了16位數(shù)據(jù)帶寬。高速的SCSI存儲(chǔ)技術(shù)陸續(xù)成為市場(chǎng)的主流，也使SCSI技術(shù)牢牢地占據(jù)了隨機(jī)存儲(chǔ)市場(chǎng)。SCSI-3協(xié)議增加了能滿足特殊設(shè)備協(xié)議所需要的命令集，使得它既能適應(yīng)傳統(tǒng)的并行傳輸設(shè)備，又能適應(yīng)最新出現(xiàn)的一些串行設(shè)備的通信需要，如光纖通道協(xié)議(FCP)、串行存儲(chǔ)協(xié)議(SSP)、串行總線協(xié)議等。
由于SCSI技術(shù)兼容性好，市場(chǎng)需求大，其技術(shù)不斷翻新�，F(xiàn)在已從5MB/s傳輸速度的SCSI-1發(fā)展到LVD的160MB/s，近期320 MB/s的SCSI也已投入使用。
SCSI技術(shù)廣泛應(yīng)用于非線性編輯、字幕機(jī)等制作設(shè)備。早期的硬盤(pán)播出設(shè)備采用該技術(shù)構(gòu)建視音頻服務(wù)器，但因其可靠性等原因而被新技術(shù)取代。高可靠性的大型存儲(chǔ)系統(tǒng)，通常把SCSI技術(shù)與其它技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù)，提高安全性，達(dá)到系統(tǒng)不間斷工作的目的。
存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
它是近年高速發(fā)展的技術(shù)，具有安全性高、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。許多基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前在數(shù)字媒體領(lǐng)域應(yīng)用最多的是局域網(wǎng)存儲(chǔ)，理論上帶寬可達(dá)1Gb/s，實(shí)測(cè)帶寬可在700Mb/s左右；其次是光纖通道技術(shù)，理論上在全雙工的情況下，帶寬可達(dá)2Gb/s，單通道達(dá)1Gb/s，實(shí)測(cè)帶寬可在720 Mb/s左右。前者是基于低價(jià)位的分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方案，后者主要架構(gòu)采用專用存儲(chǔ)，并逐漸向中低市場(chǎng)發(fā)展。
Intel公司推動(dòng)的Infiniband是基于IA-64架構(gòu)的核心存儲(chǔ)技術(shù)，第一階段是取代PC,帶寬目標(biāo)是2.5Gb/s;第二階段達(dá)到Cluster應(yīng)用，帶寬目標(biāo)是30Gb/s。其目標(biāo)宏偉，是否可被市場(chǎng)接受，技術(shù)瓶頸能否突破，人們將拭目以待。
存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近年在視頻領(lǐng)域發(fā)展迅猛。無(wú)論是從管理、制作還是播出都得到廣泛應(yīng)用。但是在目前的技術(shù)條件下，形成大型電視臺(tái)的制播一體網(wǎng)，全臺(tái)媒體資產(chǎn)的中心存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理，還有不少的技術(shù)難點(diǎn)需要克服。特別是存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的帶寬問(wèn)題是面臨的最大障礙。
RAID技術(shù)
RAID是一種由多塊廉價(jià)磁盤(pán)構(gòu)成的冗余陣列。雖然RAID包含多塊磁盤(pán)，但是在操作系統(tǒng)下是作為一個(gè)獨(dú)立的大型存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)。RAID技術(shù)分為幾種不同的等級(jí)，可以分別提供不同的速度、安全性和性價(jià)比。
RAID0是最簡(jiǎn)單的一種形式。RAID0可以把多塊硬盤(pán)連接在一起形成一個(gè)容量更大的存儲(chǔ)設(shè)備。但由于RAID0沒(méi)有冗余或錯(cuò)誤修復(fù)能力，其安全性大大降低。因此，在RAID0中配置4塊以上的硬盤(pán)，對(duì)一般應(yīng)用是不明智的。如果其中的任何一塊磁盤(pán)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)受到破壞，無(wú)法繼續(xù)使用。國(guó)內(nèi)早期，某些視音頻服務(wù)器采用RAID0技術(shù)，幾乎沒(méi)有幾臺(tái)能夠長(zhǎng)期、安全使用。
RAID1和RAID0截然不同，其技術(shù)重點(diǎn)全部放在如何能夠在不影響性能的情況下最大限度的保證系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)可修復(fù)性上。RAID1又被稱為磁盤(pán)鏡像，每一個(gè)磁盤(pán)都具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的鏡像盤(pán)。RAID1是所有RAID等級(jí)中實(shí)現(xiàn)成本最高的一種，盡管如此，人們還是選擇RAID1來(lái)保存那些關(guān)鍵性的重要數(shù)據(jù)。
RAID3是利用一個(gè)專門(mén)的磁盤(pán)存放所有的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，而在剩余的磁盤(pán)中創(chuàng)建帶區(qū)集分散數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。RAID3不僅可以像RAID1那樣提供容錯(cuò)功能，而且整體開(kāi)銷從RAID1的50%下降為25%(RAID3+1)。隨著所使用磁盤(pán)數(shù)量的增多，額外成本開(kāi)銷會(huì)越來(lái)越小。在不同情況下，RAID3讀寫(xiě)操作的復(fù)雜程度也不相同。最簡(jiǎn)單的情況就是從一個(gè)完好的RAID3系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。這時(shí)，只需要在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤(pán)中找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀取操作即可，不會(huì)增加額外的系統(tǒng)開(kāi)銷。當(dāng)向RAID3寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，情況會(huì)變得復(fù)雜一些。即使我們只是向一個(gè)磁盤(pán)寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)塊，必須計(jì)算與該數(shù)據(jù)塊同處一個(gè)帶區(qū)的所有數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)值，并將新值重新寫(xiě)入到校驗(yàn)塊中。由此我們可以看出，一個(gè)寫(xiě)入操作事實(shí)上包含了數(shù)據(jù)讀取(讀取帶區(qū)中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)塊)，校驗(yàn)值計(jì)算，數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入和校驗(yàn)塊寫(xiě)入4個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)開(kāi)銷大大增加。我們可以通過(guò)適當(dāng)設(shè)置帶區(qū)的大小使RAID系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。如果某個(gè)寫(xiě)入操作的長(zhǎng)度恰好等于一個(gè)完整帶區(qū)的大小(全帶區(qū)寫(xiě)入)，那么我們就不必再讀取帶區(qū)中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)塊計(jì)算校驗(yàn)值。我們只需要計(jì)算整個(gè)帶區(qū)的校驗(yàn)值，然后直接把數(shù)據(jù)和校驗(yàn)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)盤(pán)和校驗(yàn)盤(pán)即可。到目前為止，我們所探討的都是正常運(yùn)行狀況的下的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。下面，我們?cè)賮?lái)看一下當(dāng)硬盤(pán)出現(xiàn)故障時(shí)，RAID系統(tǒng)在降級(jí)模式下的運(yùn)行情況。
RAID3雖然具有容錯(cuò)能力，但是系統(tǒng)性能會(huì)受到影響。當(dāng)一塊磁盤(pán)失效時(shí)，該磁盤(pán)上的所有數(shù)據(jù)必須使用校驗(yàn)信息重新建立。如果我們是從好盤(pán)中讀取數(shù)據(jù)塊，不會(huì)有任何變化。但是如果我們所要讀取的數(shù)據(jù)塊正好位于已經(jīng)損壞的磁盤(pán)，則必須同時(shí)讀取同一帶區(qū)中的所有其它數(shù)據(jù)塊，并根據(jù)校驗(yàn)值重新建丟失的數(shù)據(jù)。當(dāng)我們更換了損壞的磁盤(pán)之后，系統(tǒng)必須一個(gè)數(shù)據(jù)塊一個(gè)數(shù)據(jù)塊的重建壞盤(pán)中的數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程包括讀取帶區(qū)、計(jì)算丟失的數(shù)據(jù)塊和向新盤(pán)寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)塊，都是在后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行。重建活動(dòng)最好是在RAID系統(tǒng)空閑的時(shí)候進(jìn)行，否則整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)受到嚴(yán)重的影響。
與RAID3不同，RAID5是將校驗(yàn)數(shù)據(jù)平均分配到每一個(gè)磁盤(pán)上，各塊硬盤(pán)分別獨(dú)立進(jìn)行條帶化分割，相同的條帶區(qū)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)(異或運(yùn)算)，這樣就可以確保任何對(duì)校驗(yàn)塊進(jìn)行的讀寫(xiě)操作都會(huì)在所有的RAID磁盤(pán)中進(jìn)行均衡。因此，RAID5具有良好的隨機(jī)讀性能，因?yàn)樵谝?guī)定的傳輸塊大小范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)只需訪問(wèn)單個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器，也克服了RAID3單個(gè)冗余盤(pán)的局限性。
RAID5的主要缺點(diǎn)是降低寫(xiě)功能，因?yàn)樗且晃换蛞粋�(gè)字節(jié)地寫(xiě)在磁盤(pán)上，經(jīng)過(guò)處理后，使數(shù)據(jù)塊1的位或字節(jié)寫(xiě)在數(shù)據(jù)塊1上，數(shù)據(jù)塊2的位或字節(jié)寫(xiě)在數(shù)據(jù)塊2上，……因此，在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)處理的環(huán)節(jié)比較多，降低了隨機(jī)寫(xiě)功能。
采用IDE硬盤(pán)構(gòu)建RAID的技術(shù)是新出現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)方向。由于IDE設(shè)備擴(kuò)展性和IDE設(shè)備支持熱插拔的技術(shù)限制，IDE設(shè)備的RAID應(yīng)用尚不夠廣泛。
在廣電業(yè)，使用RAID技術(shù)最多的是視音頻服務(wù)器和非線性編輯硬盤(pán)塔。其它存儲(chǔ)設(shè)備也廣泛應(yīng)用，但不如上述設(shè)備更加引人注目。
SAN技術(shù)
SAN是存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的的產(chǎn)物。它一方面能為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)提供豐富、快速和簡(jiǎn)便的存儲(chǔ)資源；另一方面又能對(duì)網(wǎng)上的存儲(chǔ)資源進(jìn)行集中統(tǒng)一的管理，成為當(dāng)今理想的存儲(chǔ)管理和應(yīng)用模式。它即可以作為電視臺(tái)業(yè)務(wù)管理的結(jié)構(gòu)，也可以作為視音頻播出服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)架。
NAS技術(shù)
NAS是目前發(fā)展速度最快的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備之一。在典型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)成為了網(wǎng)絡(luò)的中心，NAS設(shè)備是直接連接在網(wǎng)絡(luò)上的。它具有如下的特點(diǎn)：(1)NAS設(shè)備是作為單獨(dú)的文件服務(wù)器存在的。網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的大多數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在NAS設(shè)備上。(2)將NAS設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中非常方便。如通過(guò)設(shè)置簡(jiǎn)單的IP地址等，就可以即插即用地使用NAS設(shè)備。(3)NAS設(shè)備使用的方便性，可大大降低設(shè)備的管理和維護(hù)費(fèi)用。(4)NAS設(shè)備可以支持不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。同時(shí)提供了RAID硬盤(pán)、冗余電源和風(fēng)扇、冗余控制器，可保證7×24小時(shí)工作。
該技術(shù)在數(shù)字視頻領(lǐng)域用于中心在線存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)非線性編輯等。
數(shù)據(jù)流磁帶技術(shù)
數(shù)據(jù)流磁帶技術(shù)是一門(mén)古老的技術(shù)。伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，其容量、讀寫(xiě)速度、可靠性的迅速提高，它在廣電領(lǐng)域的應(yīng)用也引起重視。常用的磁帶存儲(chǔ)技術(shù)有三類：
1.LTO技術(shù)
LTO即線性磁帶開(kāi)放協(xié)議，是由HP、IBM和Seagate三家廠商于1997年底聯(lián)合制定的。它是開(kāi)放式的技術(shù)，三家廠商將生產(chǎn)許可證開(kāi)放給存儲(chǔ)介質(zhì)和磁帶機(jī)廠商，使不同廠家的產(chǎn)品兼容。開(kāi)放性帶來(lái)更多的創(chuàng)新，兼容已有設(shè)備，降低成本和價(jià)格，使用戶受益。LTO結(jié)合了線性多通道、雙向磁帶格式、硬件數(shù)據(jù)壓縮、優(yōu)化的磁道存儲(chǔ)和高效糾錯(cuò)技術(shù)，大大提高磁帶的性能。目前LTO支持Ultrium(高速開(kāi)放磁帶格式)和Accelis(快速訪問(wèn)開(kāi)放磁帶格式)。Ultrium格式具有高可靠性、大容量的特點(diǎn)。特別是能單獨(dú)操作，也可以在自動(dòng)環(huán)境中使用。Accelis則側(cè)重于快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。它在磁帶盒中裝有雙軌磁帶存儲(chǔ)器用于加快讀寫(xiě)速度。兩種格式使用同樣的磁頭、介質(zhì)磁道面、通道和服務(wù)技術(shù)，并共享許多代碼。兩種格式相較而言，大部分用戶更強(qiáng)調(diào)存儲(chǔ)容量，因而Ultrium技術(shù)更引人注目。國(guó)內(nèi)廣電業(yè)于2002年開(kāi)始引用該技術(shù)作媒體資產(chǎn)存儲(chǔ)，這是一個(gè)值得重視的技術(shù)走向。
2.DAT技術(shù)
DAT(數(shù)字音頻磁帶技術(shù))最早由HP和Sony開(kāi)發(fā)。它采用螺旋掃描技術(shù)，早期主要用于數(shù)字音頻存儲(chǔ)，后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，用于信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，而且種種跡象表明，DAT的優(yōu)勢(shì)還將繼續(xù)保持。DAT技術(shù)之所以大受歡迎，很重要的原因是其很高的性價(jià)比、高可靠性。另外該技術(shù)全世界都采用，因此世界范圍都可得到該產(chǎn)品的持續(xù)供貨和良好的售后服務(wù)。
3.DLT(數(shù)字線性磁帶)技術(shù)
該技術(shù)最早于1985年由DEC公司開(kāi)發(fā)，它主要應(yīng)用于VAX機(jī)。當(dāng)時(shí)是高性能、高價(jià)格，僅應(yīng)用于很少領(lǐng)域。經(jīng)改進(jìn)后，又重新成為存儲(chǔ)領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)。目前磁帶驅(qū)動(dòng)器容量為10～35GB，采用硬件壓縮技術(shù)，容量可提高一倍。但DLT技術(shù)也存在一定的劣勢(shì)。驅(qū)動(dòng)器和磁介質(zhì)價(jià)格高，主系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之間帶寬窄。非標(biāo)準(zhǔn)的外型設(shè)計(jì)使內(nèi)部受到很大限制。但該技術(shù)仍可視為未來(lái)有前途的產(chǎn)品。目前只被少數(shù)需要高性能備份的用戶采用。
特別值得提及，上述各種數(shù)據(jù)流磁帶機(jī)均稱有硬件壓縮技術(shù)，可將數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮一倍或一倍以上。但是在廣電數(shù)字媒體領(lǐng)域，大部分的數(shù)字媒體采用了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4壓縮，當(dāng)把這些數(shù)據(jù)保存到磁帶機(jī)上時(shí)，數(shù)據(jù)不能再壓縮。如果再次用磁帶機(jī)的硬件壓縮，不但不能壓縮數(shù)據(jù)，而且會(huì)增加容量，這是由實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。在考慮數(shù)據(jù)流磁帶庫(kù)容量時(shí)，如果存儲(chǔ)的是MPEG或JPEG文件，不能按硬件壓縮能力設(shè)計(jì)容量。
此外，光存儲(chǔ)技術(shù)、Cluster存儲(chǔ)、IP存儲(chǔ)和面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)也是蓬勃向上、值得關(guān)注的熱點(diǎn)，限于篇幅此處略。
實(shí)際上，上述技術(shù)并不是孤立存在的，而是綜合應(yīng)用這些技術(shù)來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)。例如，GVG公司和Pinnacle公司視音頻服務(wù)器的存儲(chǔ)陣列服務(wù)器采用RAID3技術(shù)，存儲(chǔ)陣列服務(wù)器主、備鏡像，視音頻服務(wù)器與存儲(chǔ)陣列服務(wù)器采用FC的NAS方式。SeaChange公司服務(wù)器的存儲(chǔ)陣列采用RAID5技術(shù)，服務(wù)器之間采用Cluster連接、RAID2故障自恢復(fù)方式，對(duì)外接口用Local Ethernet互聯(lián)。
在系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮存儲(chǔ)及系統(tǒng)的可擴(kuò)充能力。例如，網(wǎng)絡(luò)化的非線性編輯系統(tǒng)，如果硬盤(pán)存儲(chǔ)陣列采用單通道FC傳輸，理論帶寬是1000Mb/s，實(shí)際傳輸有效帶寬約標(biāo)稱帶寬的70%左右，在這樣的系統(tǒng)上，8個(gè)或8個(gè)以上精編站同時(shí)工作就容易出現(xiàn)等待或死機(jī)(容錯(cuò)功能設(shè)計(jì)不很完善時(shí))現(xiàn)象。如果你定購(gòu)時(shí)按單通道FC硬盤(pán)存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì)，以后擴(kuò)充5個(gè)以上精編站，而沒(méi)有擴(kuò)充硬盤(pán)存儲(chǔ)陣列的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)問(wèn)題也是很正常的。
技術(shù)在發(fā)展，多種存儲(chǔ)技術(shù)在互相競(jìng)爭(zhēng)，互相促進(jìn)和共融，適者生存。沒(méi)有絕對(duì)的先進(jìn)領(lǐng)先，只有相對(duì)的領(lǐng)先。特別是設(shè)計(jì)數(shù)字媒體應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)對(duì)像、投資、技術(shù)要求來(lái)確定選用的存儲(chǔ)技術(shù)和結(jié)構(gòu)類型，缺乏前瞻和過(guò)于追求低價(jià)格，都會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。
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