基于雙網架構數據存儲與傳輸的高清制作網絡系統

王睿

摘 要：隨著數字高清時代的到來、網絡多媒體技術的發展，以及相應廣電總局提出的高清制作、網絡傳輸的要求，高清制播系統成為越來越多電視媒體和節目制作機構的需求。結合電視臺衛星頻道節目制作和實現流程一體化、提升工作效率以及制作系統融入全臺網的需求，設計實現了包含對新聞類節目和大型綜藝節目制作和推送的高清制作網絡系統。本系統設計的核心之處在于數據的存儲和傳輸，故存儲架構的選取、設備選型及服務的配置、接口的連接等都關系到整個系統的效能。

關鍵詞：雙網架；數據存儲與傳輸；制作網絡

隨著電視設備的逐步高清化發展，高清網絡系統的平臺的建設是高清節目產出的前提，而相比標清節目來說，高清節目的制作對碼流和存儲容量都有較高的要求，這就關系到網絡系統的架構搭建、數據傳輸的手段和存儲技術。而對于高清制作網來說，數據傳輸和存儲技術則是重中之重，這不僅涉及到對于高效能、高傳輸帶寬的網絡傳輸及存儲設備的選型配置、網絡架構的設計與實現，還將涉及節目素材的格式和碼率、網絡安全與維護等等。

1 制作網絡系統

1.1 高清概述

高清（High Definition），意思是高分辨率，通常把物理分辨率達到720P以上的規格稱為高清。一般說的高清包含多個含義：高清視頻、高清傳輸、高清格式、高清存儲、高清顯示等。由于高清視頻分辨率高、像素量大，未經壓縮的高清視頻文件通常需要上百GB、上千GB的存儲空間，所以要通過編碼技術來解決減小視頻文件體積的問題。目前常見的高清視頻編碼格式主要由H.264，VC-I，MPEG-2，MPEG-4，DivX，XviD，WMA-HD，X264。效果比較好的壓縮編碼為H.264和VC-I。

1.2 網絡存儲

我們在日常工作和生活中經常用U盤、硬盤、存儲服務器來存放數據，這種存放數據的介質或者設備就叫存儲。隨著互聯網上業務的增大，需要處理或存儲的數據越來越多，針對目前復雜的網絡環境，單一的存儲己經滿足不了大容量、高速度的需求，這里就涉及到了網絡存儲。把所有用于存儲的設備通過一定的方式連接在一起構成存儲網絡，這就叫網絡存儲。

1.3 視頻壓縮

1）有損壓縮和無損壓縮

視頻壓縮前和解壓縮后的數據完全一致的叫無損壓縮，大多數的無損壓縮采用RLE（run length encoding）行程編碼算法。有損壓縮的視頻文件在壓縮前和解壓縮后數據不一致，一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息會在壓縮過程中丟失，并且丟失的信息不可恢復。為達到低數據率的目標，凡乎所有的高壓縮算法都采用有損壓縮。壓縮比越大，丟失的數據信息越多，解壓縮后的效果越差。有的壓縮算法采用多次重復壓縮的方式，這樣會導致丟失更多的數據信息。

2）幀內壓縮和幀間壓縮

幀內壓縮又叫空間壓縮，它和靜態圖像壓縮相類似，在壓縮一幀圖像時，只考慮本幀數據而不考慮相鄰幀之間的冗余信息。幀內壓縮的各個幀之間沒有相互關系，所以在編輯壓縮后的視頻數據時可以以幀為單位。幀內壓縮常采用有損壓縮算法但壓縮率不高。幀間壓縮又叫時間壓縮，這種壓縮方式一般是無損的。它通過比較時間輪上的不同幀之間的數據進行壓縮。連續的視頻其相鄰幀之間具有冗余信息，根據這一特征來壓縮相鄰幀之間的冗余量，從而能提高壓縮量、減小壓縮比。

2 系統的設計與應用

2.1 系統設計需求

1.編輯工作站、核心存儲等均要雙網接入，軟、硬件設備應支持光纖和以太網接入，實現光纖+以太網混合網絡架構。2.網絡系統能夠達高帶寬、低延時的標準要求。對大數據的傳輸要求無錯誤且保證實時。3.設備的選型要以高可靠性為原則，為了能夠保證核心設備的安全性，系統要采用服務器集群、雙機熱備、磁盤管理等技術。管理措施要完善，為使網絡信息平臺具有可管理性，網絡管理要配備優良的軟件。4.要有一個安全可靠的數據傳輸模塊，使視音頻素材能安全的進入制作網絡系統，為保證文件的安全，該模塊還需提供訪問控制機制并提供多重安全防范措施。

2.2 存儲架構

如果制作網絡全部采用FCSAN存儲架構，那么每一臺服務器和工作站都需要配備FCHBA卡，而且每增加一臺工作站，光纖交換機的一個端口就要被占用，這就對光纖存儲陣列性能要較高求，加之光纖交換機設備的價格本身就較高，成本問題又成了瓶頸。這就需要在性能和成本之間找到一個平衡點。基于以上方面的考慮，整體架構選取FCSAN和NAS的混合存儲架構比較理想，也就是FCSAN+NAS雙網架構。而針對某些特殊剪輯工作站，比如大素材量節目挑選及粗剪，可專門配備幾臺小型素材盤陣采用DAS的方式直接與其相連。

2.3 架構設計

1）硬件架構

我們把帶寬高、吞吐量高的工作站既接入以太網又接入光纖網，訪問FC存儲陣列是通過FC光纖通道，而對帶寬要求不是很高的工作站只接入以太網，訪問FC存儲陣列時通過NAS服務器。NAS服務器就相當于FCSAN的終端，可以共享訪問到的中心存儲。對于元數據的處理我們采用NAS集群架構，這種架構的設計能夠極大的提高I/O帶寬、I/O的可擴展性以及數據訪問的并行性，而且能夠充分利用光纖網絡和以太網絡兩者各自的特點，發揮出兩個網絡最大的效率。為了建立和維護一個快速高效的網絡，我們根據網絡帶寬需求的分析，在硬件配置方面做出相應部署：服務端、存儲設備以及客戶端全部采用8Gb通道技術，硬件配置上均采用8Gb的通道卡和存儲控制器。

2）軟件架構

高清制作網絡系統包含有50多個工作站和一套核心存儲設備，這50多個工作站作為客戶端主機訪問核心存儲設備需要統一管理權限和共享訪問權限，這就需要在客戶端主機安裝專門的存儲共享管理軟件或共享文件系統。本系統在充分考慮了軟件性能和系統易用性的前提下采用新奧特的ASFS智能媒體管理系統。該共享文件系統的總體設計策略是“集中決策，分布處理”，這種策略不但能保障決策邏輯的統一性，還可以提高處理的效率。在軟件架構的設計上，ASFS采用模塊化、層次化、積木式的體系結構，各構成模塊可靈活組合和配置，即能支持多種產品發布的方式，又能適應多種應用環境。

2.4 中心存儲模塊

該高清制作網的核心組成模塊是中心存儲備份，節目素材和節目成片保存的位置就在中心存儲里。其他設備直接或者間接的和中心存儲相連接，也體現出了中心存儲模塊的核心地位。該高清制作網絡系統包含的50個高清工作站數據的獲取都需要訪問共享存儲，所以中心存儲模塊實現數據共享必須保證安全可靠，因為系統的搭建需要選擇具有高帶寬、大容量性能的設備。為了滿足高清制作網絡系統對存儲高性能和磁盤陣列具備擴展性的的要求，該系統在構建中心存儲模塊時選用了美國Infortend公司的6套ESVA磁盤陣列。具有擴展能力的磁盤陣列的選擇是為未來網絡的擴容考慮，并且為未來增加帶寬需求提供彈性空間。這套存儲陣列系統配備了雙控制器冗余電源和兀余風扇，不僅能夠確保了素材安全而且該系統配置管理簡單，易于操作維護。

總之，隨著廣電行業的發展科技的進步也不斷催生著新媒體的產生，傳統的電視技術也過渡到了以網絡為基礎的平臺。數據存儲和傳輸技術也不斷成熟，這對廣電行業來說是個機遇也是個挑戰。本系統的設計也是建立在這種背景之下。該系統的實現不僅滿足了電視臺節目制作、采集、存儲、傳輸、存檔、播出等一系列流程需求，也滿足了在高帶寬、安全性、穩定性方面的要求，簡化了工作的流程，減少了物力、人力，提高了工作的效率。對廣電總局提出的“電視節目制作播出數字化、節目傳輸交換網絡化，該系統可作為一個有價值的實例。

參考文獻：

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