分布式數字音頻系統的構建

【摘要】在一個地理位置比較分散的大學中，數據會分布在不同的位置的校區或學院中，而如何方便地管理數據，成為要探討的問題。文章主要討論數字音頻工作站系統如何能夠訪問和管理物理上分布在網絡各處的數據。

【關鍵詞】數字音頻工作站;分布式系統;分布式文件系統

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)08—0049—03

數字音頻工作站是一種集中多種音頻處理工具的高效音頻處理工具，隨著計算機技術及網絡的發展，必然會將多個數字音頻工作站聯成網絡，以實現資源共享及網絡化、智能化管理。在單獨一個實驗室中，數據可以集中存放在一個服務器中，應該要考慮容錯的問題。而在一個地理位置比較分散的大學和學校伙伴中，數據會分布在不同位置的校區或學院中。而如何能夠使用戶方便地訪問和管理物理上分布在網絡各處的數據，這就需要分布式操作系統的環境。

一 數字音頻工作站

數字音頻工作站系統實際上就是一套計算機系統，在計算機軟件的控制下，集中了數字音頻信號處理、數字音頻編輯的分軌、信息處理的軟件控制、隨機硬盤和光盤錄制、顯示、輸出的程序控制等技術，并以硬盤存儲為基礎的多軌音頻操作，完成音頻節目的錄制、管理、編輯、播放等功能的數字音頻系統，對節目進行數字錄音、存儲、剪輯、音效處理、編排、播出、查詢的計算機工作模式系統。

數字音頻工作站采用非線性編輯系統，對音頻信號做精密加工和各種效果處理。在不改變音調的同時對聲音進行壓縮、擴展，可最大限度地減少了干擾和失真，確保了音頻信號的質量。因此，數字音頻工作站是一個集計算機、調音臺、錄音機、效果器、合成器為一體的數字音頻系統。

二 分布式系統

分布式系統是由多個相互連接的處理資源組成的計算系統，它們在整個系統的控制下可合作執行一個共同的任務，最少依賴于集中的硬件、程序和數據。這些處理資源可以是在地理上分散的，也可以是物理上相鄰的。

分布式系統可以用控制、硬件、數據這三個維度加以檢驗，同時還要求資源的分布必須對用戶透明。如果系統的這三個維度都達到一定程度的分散，系統可以被歸類為分布式系統。

如圖1所示，分布式系統由五層組成:第一層是由固件或硬件組成的硬核，該層包括處理器、主存、I/O設備、終端、鍵盤以及用于數據采集和物理過程控制的各種硬件設備;第二層是分布式操作系統的內核，最基本最重要的功能是進程通信，還包括進程的同步機制、進程管理、存儲管理和I/O管理等;第三層是分布式操作系統的服務層，為各種廣泛的應用提供一些共同的基本服務，包括實現基本的資源分配及復用。這一層由服務服務子層和支持子層兩個子層組成;第四層為中間件服務層，它的一個重要目標是為了應用程序隱匿底層平臺的異構性。中間件系統提供某種程度的全局服務集成，并只為用戶或應用程序提供使用這些服務的接口;第五層是分布式應用層，它包括和各種應用有關的客戶服務進程，主要考慮應用結構問題和語言問題。

為了支持分布控制，需要維持一個分布式系統數據庫。分布式數據庫系統由分布于多個計算機結點上的若干個數據庫系統組成，它提供有效的存取手段來操縱這些結點上的子數據庫。分布式數據庫在使用上可視為一個完整的數據庫，而實際上它是分布在地理分散的各個結點上。當然，分布在各個結點上的子數據庫在邏輯上是相關的。

數據庫中有兩個部件可以是分布式的:文件與記錄這些文件的目錄。可以使用兩種方式之一或結合使用它們來實現分布，即復制與分區。如果一個數據庫有多個副本在不同的地點，就稱為被復制。如果一個數據庫被分成位于不同地點的子數據庫，就稱為被分區。

分布式系統的容錯是建立在冗余基礎之上的，冗余是設置超過正常系統操作所需要的信息、資源及時間。有四種典型的冗余類型:硬件冗余、信息冗余、軟件冗余、時間冗余。為了提高可靠性和數據的訪問性能，數據往往有多個副本，分別存放在系統的不同物理節點上。因此，保持多個副本數據的一致性及并發控制是十分重要的。

三 分布式文件系統(DFS)

分布文件系統的特點是:系統中的客戶機與服務器具有自治性和多重性，分布文件系統管理著一組分散的存儲器，它的整個存儲空間由遠程的、不同的、較小的存儲空間組成。通常，在這些存儲空間的組成部分和文件集合之間存在著對應關系。

分布式文件系統(DFS)的目的是允許在物理上分散的用戶使用公共的文件系統、共享數據和存儲空間。分布式文件系統是將分布于不同計算機上的文件組合為單一的名稱空間，并使得在網絡上建立一個單一的、層次化多重文件服務器和服務器共享的工作更為方便的途徑。

分布式文件系統則為服務器、共享和文件提供統一的命名規則和映射。因此，分布式文件系統使得將文件服務器及其共享組織成一個邏輯層次的設想成為可能，并大大簡化了企業管理使用信息資源的工作。

通過分布式文件系統，可以使分布在多個服務器上的文件如同位于網絡上的一個位置一樣顯示在用戶面前。由于分布式文件系統將物理存儲映射為邏輯表示，故數據的物理位置對用戶和應用而言就變得透明，用戶在訪問文件時不再需要知道和指定它們的實際物理位置。也就是說，用戶通過分布式文件系統讀取文件時，分布式文件系統就會自動給用戶從其中一臺計算機中讀取文件，用戶并不需要知道這些文件的真正存儲地點。DFS映射為用戶提供了對他們所需網絡資源的統一和透明的訪問。

如圖2所示，在Windows Server 2003操作系統中，分布式文件系統映射由一個DFS根目錄、一個或多個DFS鏈接(alink)以及指向一個或多個目標的引用組成。

分布式文件系統的安全性主要表現在兩個方面:一個是通信的安全性，在分布式文件系統中建立一個安全通道實際上就是建立安全的遠程過程調用(RPC)。例如:使用RPCSEC_GSS的通用安全框架，可以在分布式文件系統的不同部分使用不同的認證機制;另一個是服務器需要驗證用戶的訪問權限。這是分布式文件系統中的訪問授權問題，主要通過訪問控制來完成。如圖3所示，我們可以設置NTFS文件夾的安全權限。如果單擊“添加”或“刪除”命令按鈕，即可添加或刪除需設置權限的用戶或組;如果單擊“允許”或“拒絕”復選按鈕，即對所選用戶設置允許或拒絕的權限。標準的有完全控制、修改、讀取和運行、列出文件夾目錄、讀取、寫入的權限。通過單擊“高級”命令按鈕，可以設置“特別的權限”，有完全控制、遍歷文件夾/運行文件、列出文件夾/讀取數據、讀取屬性、讀取擴展屬性、創建文件/寫入數據、創建文件夾/附加數據、寫入屬性、寫入擴展屬性、刪除子文件夾及文件、刪除、讀取權限、更改權限、取得所有權。

四 分布式數字音頻系統的建設

如圖4所示，處于不同物理位置的數字音頻工作站通過網絡相互通信。

由于音頻文件初始狀態下存放在不同的服務器的硬盤中，所以要采用通過分布式文件系統，為用戶提供對他們所需網絡資源的統一和透明的訪問，用戶在訪問文件時不再需要知道和指定它們的實際物理位置。用戶可以利用系統中的軟件將音頻節目自動從網絡上預先下載到本地硬盤，以實現本地處理。等到處理完成后，再將處理后的文件傳到相應的分布式文件系統中。

數據的安全性是很重要的，服務器和數據庫內置的容錯特性可以確保重要的數據不會丟失以及發生故障以后的恢復。另外，利用數據冗余，并通過數據復制服務，可使服務器的數據庫每過一定時間(此時間可設置)進行一次同步，從而保證服務器數據庫同步。數據冗余在分布式系統中被看作為他的重要的特性，其原因在于:首先，如果在需要的節點復制數據，則可以提高局部的應用性。其次，當某節點發生故障時，可以操作其它節點上的復制數據，因此這可以增加系統的有效性。

為了防止網上可能有黑客攻擊，這就需要安裝防火墻和殺毒軟件并在路由器上設置虛擬專用網絡VPN。這樣為通過一個公用網絡(通常是Internet網)建立一個安全的、穩定的臨時隧道連接，可以幫助遠程用戶、大學的各個校區、各個學院同內部網建立可信的安全連接，并保證數據的安全傳輸。

隨著廣播制播一體化網絡系統的普及，如何在大范圍保持計算機同步和時間準確變得日益重要。可采用網絡校時服務器，服務器定時用數字鐘和校時卡校時，各工作站統一采用軟件跟服務器校時，使網絡系統時鐘準確，保證系統的正確。這樣，可實現了遠程設備及系統內部或設備及系統之間的同步操作，一個局域網內只要一臺即可保證整個系統時間準確和同步。

如圖5所示，為校時系統的連接圖。校時卡可安裝在系統任何一臺計算機上，通常是安裝在服務器上，從衛星電視射頻信號中獲取標準時間，網絡內其他計算機可根據服務器時間自動核準。

總結

分布式數字音頻系統會得到迅速的發展，其原因主要是:

1 它可以解決組織機構分散而數據需要相互聯系的問題。比如多個大學，處于不同的城市或城市中的各個地區，在業務上它們需要處理各自的數據，也需要彼此之間的交換和處理，這就需要分布式的系統。

2 如果一個組織機構需要增加新的相對自主的組織單位(如不同的項目組)來擴充機構，則分布式數據庫系統可以在對當前機構影響最小的情況下進行擴充。

3 均衡負載的需要。數據的分解采用使局部應用達到最大，這使得各處理機之間的相互干擾降到最低。負載在各處理機之間分擔，可以達到均衡負載。

4 當現有機構中已存在幾個數據庫系統，而且實現全局應用的必要性增加時，就可以由這些數據庫自下而上構成分布式數據庫系統。這可以簡化分發及管理工作。

5 由于控制、數據、軟件和硬件的多重性和分散性以及結構上的可動態重組，提高了可靠性。因此在分布式系統中出現故障時，系統仍有可能繼續運行。

6 大學中各校區與伙伴學校的應用要求。一個完善的分布式多層應用，應該滿足安全管理、容錯、事務處理、可伸縮性、負載平衡、高性能方面的要求。

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