高校數(shù)字視頻編輯存儲網(wǎng)絡設計

摘要 從實用與簡約的角度出發(fā)，設計一種基于NAS存儲技術和1000Base-T技術標準的存儲網(wǎng)絡，以便于素材的共享與管理。

關鍵詞 數(shù)字視頻；存儲網(wǎng)絡；NAS；1000Base-T

中圖分類號TP302.1 文獻標識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）10-0074-03

Design of University Digital Video Editing Storage Network//Xie Hongjun，Wu Jianjun

Abstract The storage network is an important part of digital video editing network systems.In this paper，starting from practical and brief angle，a storage network based on NAS storage technology and 1000Base-T technical standard is designed.

Key words digital video；storage network；NAS；1000Base-T

Author’s address Huanghuai College，Zhumadian，Henan 463000

1 引 言

當前，信息技術飛速發(fā)展，數(shù)字傳媒業(yè)越來越重視視頻運用，數(shù)字視頻編輯人才需求日益劇增，許多高校開設了數(shù)字影視編輯制作類的課程，數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡正是這些課程實踐環(huán)節(jié)的保障，而存儲網(wǎng)絡是視頻編輯網(wǎng)絡中的核心之一，是實現(xiàn)資源存儲與共享的重要保障。

目前，國內(nèi)外數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡的研究大多采用較先進的技術和昂貴的設備，而普通高校的應用是僅限于數(shù)字視頻編輯課程的實踐教學，沒必要上功能繁雜和昂貴的大型系統(tǒng)。另外，高校經(jīng)費短缺，存儲網(wǎng)絡也是系統(tǒng)中占用資金較多的一部分。

本文從網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)需求、網(wǎng)絡傳輸技術的選擇、存儲技術的選擇、網(wǎng)絡架構等方面進行探討，提出了一種數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡存儲的簡約化解決方案，以期在發(fā)揮單體化的數(shù)字視頻編輯技術優(yōu)勢的基礎上，通過多工作站的網(wǎng)絡化存儲，實現(xiàn)資源共享，進一步發(fā)揮網(wǎng)絡存儲的優(yōu)勢，提高編輯工作效率。

2 設計目標與技術選擇

設有兩個平行教學班，每班40人，每班分兩組上機，建一個22個網(wǎng)絡用戶的編輯機房，其中無卡工作站（學生機） 20臺，上載工作站（有卡工作站）1臺，教師機1臺。存儲網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能需求：1）素材的網(wǎng)絡存儲和實時下載功能。每臺工作站都能實時的讀取素材庫中的WMV格式的視頻素材和其它素材，具有22個用戶同時進行正常訪問的工作帶寬；2）每種素材同時使用Mpeg-2、WMV兩種格式高低不同的碼率，若每位用戶存儲45分鐘視頻，應具有80個用戶專用的素材存儲空間。

2.1 網(wǎng)絡帶寬的選擇視頻編輯使用的素材主要是動態(tài)的視頻，對于視頻流的傳輸，傳輸網(wǎng)絡必須具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。在高校視頻編輯學習中，通常采用壓縮率較高的視頻格式，比如Mpeg-1、Mpeg-2、Mpeg-4、WMV等格式。這樣做的好處是減小視頻素材的數(shù)據(jù)量，從而降低了網(wǎng)絡的帶寬要求。數(shù)字視頻編輯網(wǎng)常采用高低兩種壓縮比的雙路采集功能，即視頻素材按2個壓縮比同步進行采集，一路采用低壓縮比進行采集，另一路采用高壓縮比。高壓縮比素材用于粗編（低分辨率編輯），這是學生學習過程中常用的一種編輯方式；低壓縮比素材用于精編合成（輸出最終作品）。低壓縮比素材使用Mpeg-2格式，其典型數(shù)據(jù)碼率為8 Mbit/s；高壓縮比素材采用的WMV格式素材，其典型數(shù)據(jù)碼率只有2 Mbit/s。本設計為22個網(wǎng)絡用戶的系統(tǒng)，在8 Mbit/s的數(shù)據(jù)率時，22臺機器同時工作時，并發(fā)數(shù)據(jù)流為176 Mbit/s。若采用兩層實時編輯，數(shù)據(jù)率為16 Mbit/s，并發(fā)數(shù)據(jù)流為352 Mbit/s，實際應用中應留有一定的冗余。因此，連接素材庫等設備的主干網(wǎng)須使用千兆網(wǎng)絡才能適應系統(tǒng)要求，而單臺無卡編輯工作站使用百兆網(wǎng)絡即可滿足要求。

2.2網(wǎng)絡傳輸技術標準與傳輸媒介的選擇在千兆網(wǎng)媒介的選擇上，IEEE802.3協(xié)議族規(guī)范了4種媒介可以承載千兆以太網(wǎng)的傳輸，表１列出了信號在這4種媒質(zhì)中的傳輸距離[1]。

從表中可以看出，1000BASE-SX標準和1000BASE-LX標準依賴光纖介質(zhì)，由于價格較高，不宜采用。1000BASE-CX標準使用的是銅纜，采用9芯D型連接器連接，最大傳輸距離只有25米。

1000Base-T以太網(wǎng)標準是一種使用5類UTP作為網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)技術，最長有效距離可以達到100米。1000BASE-T接口已成為各大網(wǎng)絡設備供應商的必備接口，1000BASE-T雙絞線收發(fā)模塊已被廣泛應用在千兆以太網(wǎng)中。1000BASE-T雙絞線收發(fā)模塊能在現(xiàn)有的第5類雙絞線中實現(xiàn)千兆位的傳輸，將傳統(tǒng)的十兆、百兆位以太網(wǎng)連接平滑升級到千兆位以太網(wǎng)，大大降低了以太網(wǎng)升級成本。1000BASE-T技術以其簡單和低廉的升級方式而倍受廣大網(wǎng)絡用戶的青睞，也非常適合本系統(tǒng)使用。

2.3 素材存儲器容量的選擇視頻素材采用Mpeg-2 格式，碼流8 Mb/S視頻質(zhì)量，25幀/s，分辨率720×576，24 Bit的圖像，質(zhì)量達到了廣播級標準，45分鐘節(jié)目的數(shù)據(jù)量在2.64 GB 左右。若按照兩個教學班80人計算，存儲作品的磁盤容量為210 GB；同時采集WMV格式的低碼率素材，碼流2 Mb/S的視頻質(zhì)量，存儲作品的磁盤容量為52.5 GB。存放素材的容量應大于2倍的作品容量。這樣，磁盤總?cè)萘?210+52.5+2×210=682.5 GB。所以本系統(tǒng)的素材存儲容量選擇1 TB，留有一定冗余，以作他用。

2.4 幾種網(wǎng)絡存儲技術的比較網(wǎng)絡存儲方案是對網(wǎng)絡存儲器進行管理和使用的技術方案。簡單來說，網(wǎng)絡存儲就是將存儲設備直接連接到網(wǎng)絡上。網(wǎng)絡存儲技術就是對這種直接連接到網(wǎng)上的硬盤進行組織與管理，形成網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)，并管理和控制網(wǎng)絡硬盤的使用。

目前主流的數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡存儲構架包括有NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡附加存儲）方案、SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)）方案和 SCSI 數(shù)據(jù)鏈方案。

SCSI數(shù)據(jù)鏈則是利用SCSI冗余硬盤陣列的兩個輸出接口分別連接一臺編輯工作站，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。但是該方案存在明顯缺陷：其一，規(guī)模僅限于兩臺編輯工作站的數(shù)據(jù)共享；其二，距離上受到SCSI傳輸規(guī)范的限制，一般不能超過2～3 米；其三，各臺編輯工作站上都必須安裝SCSI陣列卡，成本較高。

SAN方案使用以太網(wǎng)外加RAID陣列連接光纖通道（Fiber Channel）構建的。SAN提供無限的擴展能力和高速的數(shù)據(jù)處理能力與連接速度。目前，國內(nèi)外高效的數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡技術傾向是采用光通道網(wǎng)絡的SAN，它是能滿足多路視頻并發(fā)的高性能接口技術，標稱數(shù)據(jù)傳輸速率達 1 000 Mb/ s。但SAN 技術本身也有很多不足，一方面，SAN 技術需要遠遠超過 NAS 方案；另一方面，SAN 技術還要依賴光纖通道，成本較高。

在以太網(wǎng)基礎上構建的 NAS方案中[2]，NAS存儲結(jié)構通過網(wǎng)絡集線器或交換機方便地接到用戶網(wǎng)絡上，無需構建專用網(wǎng)絡；存儲系統(tǒng)不再通過I/O總線附屬于某個服務器或客戶機，而直接通過網(wǎng)絡接口與網(wǎng)絡直接相連，由用戶通過網(wǎng)絡訪問。而且，它是以數(shù)據(jù)為核心的存儲結(jié)構，可實現(xiàn)異構平臺下的文件共享，提供文件級服務，為每一個網(wǎng)絡用戶提供共享磁盤空間。缺點是在實際的應用中，當多用戶同時并發(fā)訪問同一數(shù)據(jù)時，繁鎖的網(wǎng)絡傳輸過程，增大了網(wǎng)絡資源的開銷，使得文件的I/O速度變慢，影響用戶的正常使用。但本系統(tǒng)的用戶數(shù)僅22個，完全能夠滿足要求。

與傳統(tǒng)的通用服務器不同，NAS專用服務器能在不增加復雜度、管理開銷、降低可靠性的基礎上，使網(wǎng)絡的存儲容量增加，具有非常好的可擴展性。由于不需要服務器提供更多的硬件及服務，使服務器的可靠性和I/O性能大大提高，能充分利用可得到的10 M/100 Mb或是1 000 Mb的網(wǎng)絡帶寬，有較大的數(shù)據(jù)吞吐量。NAS的數(shù)據(jù)吞吐量比通用服務器提高5～10倍，其數(shù)據(jù)傳輸速率已接近網(wǎng)絡帶寬的極限。構建1000Base-T 快速NAS 存儲網(wǎng)絡是最經(jīng)濟、有效、可行的方案。

3 NAS存儲方案

NAS設備提供 RJ-45 接口和單獨的IP地址，可以將其直接掛接在主干網(wǎng)的交換機或其他局域網(wǎng)的Hub上。通過簡單的設置(如設置機器的IP地址等)就可以在網(wǎng)絡即插即用地使用NAS設備。用戶可利用WWW瀏覽器、網(wǎng)絡鄰居等標準的PC界面工具，對NAS設備中的資源直接進行訪問。網(wǎng)絡管理員和教師可在網(wǎng)中的任一臺計算機上通過Web瀏覽器對NAS存儲設備進行遠程設置及管理，大大簡化了對存儲設備和資源的管理與維護。

系統(tǒng)存儲網(wǎng)絡采用了基于1000BASE-T技術的以太網(wǎng)星型結(jié)構，由1臺NAS存儲服務器、1臺有卡工作站、1臺教師機、20臺無卡工作站、1臺Web服務器及網(wǎng)絡交換機等組成。有卡工作站（上載工作站）、教師機和WEB服務器都通過1 000 M以太網(wǎng)和NAS存儲服務器連接。無卡工作站（學生機）通過100 M以太網(wǎng)和NAS存儲服務器連接。網(wǎng)絡交換機有4個1 000 M端口，NAS服務器直接連接到網(wǎng)絡交換機的1 000 M端口。系統(tǒng)存儲網(wǎng)絡結(jié)構如圖1所示。

4 結(jié)語

專業(yè)視頻編輯網(wǎng)絡一般會采用FC+以太的SAN雙網(wǎng)結(jié)構[3]，基于千兆網(wǎng)的單網(wǎng)結(jié)構也可以應用在視頻行業(yè)，不過由于單點NAS服務器對外提供的帶寬通常只有40～60 MB，因此NAS還只能應用在小型的，或視頻流碼率較小的視頻系統(tǒng)中。隨著NAS服務器系統(tǒng)的對存儲管理能力的加強，TOE卡投入實際的應用，通過鏈路聚合將多個網(wǎng)卡綁定在一起和增加NAS節(jié)點數(shù)使NAS服務器對外提供更大的連接帶寬和存儲空間。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)400 MB/S帶寬的NAS設備。近年來網(wǎng)絡存儲技術發(fā)展較快，如NAS和SAN相結(jié)合技術、存儲網(wǎng)絡虛擬化技術、智能存儲技術、零拷貝技術，以及可以提供800 MB/S 帶寬的先進的SDD存儲技術等，隨著新一代網(wǎng)絡技術的發(fā)展，存儲網(wǎng)絡正走向高帶寬、大容量、智能化、高效率之路，未來高清視頻編輯網(wǎng)絡中帶寬將不再是瓶頸。

參考文獻

[1]Wang K.1000BASE-T千兆以太網(wǎng)雙絞線收發(fā)技術[EB/OL].http://tech.ddvip.com/2006-04/11441938803804.html，2006-04-05

[2]陳志忠.數(shù)據(jù)存儲的架構方式與選擇[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2007(02):66

[3]殷利國.電視臺制播系統(tǒng)中存儲方案的設計[J].廣播與電視技術，2007，34(3):94-96