高校數(shù)字視頻編輯存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

摘要 從實(shí)用與簡(jiǎn)約的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于NAS存儲(chǔ)技術(shù)和1000Base-T技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，以便于素材的共享與管理。

關(guān)鍵詞 數(shù)字視頻；存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；NAS；1000Base-T

中圖分類號(hào)TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(dāng)前，信息技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)字傳媒業(yè)越來(lái)越重視視頻運(yùn)用，數(shù)字視頻編輯人才需求日益劇增，許多高校開(kāi)設(shè)了數(shù)字影視編輯制作類的課程，數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡(luò)正是這些課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的保障，而存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是視頻編輯網(wǎng)絡(luò)中的核心之一，是實(shí)現(xiàn)資源存儲(chǔ)與共享的重要保障。

目前，國(guó)內(nèi)外數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡(luò)的研究大多采用較先進(jìn)的技術(shù)和昂貴的設(shè)備，而普通高校的應(yīng)用是僅限于數(shù)字視頻編輯課程的實(shí)踐教學(xué)，沒(méi)必要上功能繁雜和昂貴的大型系統(tǒng)。另外，高校經(jīng)費(fèi)短缺，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)也是系統(tǒng)中占用資金較多的一部分。

本文從網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)需求、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的選擇、存儲(chǔ)技術(shù)的選擇、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面進(jìn)行探討，提出了一種數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的簡(jiǎn)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(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多工作站的網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)資源共享，進(jìn)一步發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，提高編輯工作效率。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與技術(shù)選擇

設(shè)有兩個(gè)平行教學(xué)班，每班40人，每班分兩組上機(jī)，建一個(gè)22個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶的編輯機(jī)房，其中無(wú)卡工作站（學(xué)生機(jī)） 20臺(tái)，上載工作站（有卡工作站）1臺(tái)，教師機(jī)1臺(tái)。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能需求：1）素材的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)下載功能。每臺(tái)工作站都能實(shí)時(shí)的讀取素材庫(kù)中的WMV格式的視頻素材和其它素材，具有22個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行正常訪問(wèn)的工作帶寬；2）每種素材同時(shí)使用Mpeg-2、WMV兩種格式高低不同的碼率，若每位用戶存儲(chǔ)45分鐘視頻，應(yīng)具有80個(gè)用戶專用的素材存儲(chǔ)空間。

2.1 網(wǎng)絡(luò)帶寬的選擇視頻編輯使用的素材主要是動(dòng)態(tài)的視頻，對(duì)于視頻流的傳輸，傳輸網(wǎng)絡(luò)必須具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。在高校視頻編輯學(xué)習(xí)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(luò)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(gè)壓縮比同步進(jìn)行采集，一路采用低壓縮比進(jìn)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(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)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(shè)計(jì)為22個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶的系統(tǒng)，在8 Mbit/s的數(shù)據(jù)率時(shí)，22臺(tái)機(jī)器同時(shí)工作時(shí)，并發(fā)數(shù)據(jù)流為176 Mbit/s。若采用兩層實(shí)時(shí)編輯，數(shù)據(jù)率為16 Mbit/s，并發(fā)數(shù)據(jù)流為352 Mbit/s，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)留有一定的冗余。因此，連接素材庫(kù)等設(shè)備的主干網(wǎng)須使用千兆網(wǎng)絡(luò)才能適應(yīng)系統(tǒng)要求，而單臺(tái)無(wú)卡編輯工作站使用百兆網(wǎng)絡(luò)即可滿足要求。

2.2網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)在這4種媒質(zhì)中的傳輸距離[1]。

從表中可以看出，1000BASE-SX標(biāo)準(zhǔn)和1000BASE-LX標(biāo)準(zhǔn)依賴光纖介質(zhì)，由于價(jià)格較高，不宜采用。1000BASE-CX標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)是一種使用5類UTP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，最長(zhǎng)有效距離可以達(dá)到100米。1000BASE-T接口已成為各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商的必備接口，1000BASE-T雙絞線收發(fā)模塊已被廣泛應(yīng)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(shí)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(jí)到千兆位以太網(wǎng)，大大降低了以太網(wǎng)升級(jí)成本。1000BASE-T技術(shù)以其簡(jiǎn)單和低廉的升級(jí)方式而倍受廣大網(wǎng)絡(luò)用戶的青睞，也非常適合本系統(tǒng)使用。

2.3 素材存儲(chǔ)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(dá)到了廣播級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，45分鐘節(jié)目的數(shù)據(jù)量在2.64 GB 左右。若按照兩個(gè)教學(xué)班80人計(jì)算，存儲(chǔ)作品的磁盤(pán)容量為210 GB；同時(shí)采集WMV格式的低碼率素材，碼流2 Mb/S的視頻質(zhì)量，存儲(chǔ)作品的磁盤(pán)容量為52.5 GB。存放素材的容量應(yīng)大于2倍的作品容量。這樣，磁盤(pán)總?cè)萘?210+52.5+2×210=682.5 GB。所以本系統(tǒng)的素材存儲(chǔ)容量選擇1 TB，留有一定冗余，以作他用。

2.4 幾種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)的比較網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方案是對(duì)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器進(jìn)行管理和使用的技術(shù)方案。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)就是將存儲(chǔ)設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)就是對(duì)這種直接連接到網(wǎng)上的硬盤(pán)進(jìn)行組織與管理，形成網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)，并管理和控制網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)的使用。

目前主流的數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)構(gòu)架包括有NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)）方案、SAN（Storage Area Network，存儲(chǔ)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(pán)陣列的兩個(gè)輸出接口分別連接一臺(tái)編輯工作站，從而實(shí)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(tái)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(guò)2～3 米；其三，各臺(tái)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(gòu)建的。SAN提供無(wú)限的擴(kuò)展能力和高速的數(shù)據(jù)處理能力與連接速度。目前，國(guó)內(nèi)外高效的數(shù)字視頻編輯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傾向是采用光通道網(wǎng)絡(luò)的SAN，它是能滿足多路視頻并發(fā)的高性能接口技術(shù)，標(biāo)稱數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá) 1 000 Mb/ s。但SAN 技術(shù)本身也有很多不足，一方面，SAN 技術(shù)需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) NAS 方案；另一方面，SAN 技術(shù)還要依賴光纖通道，成本較高。

在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建的 NAS方案中[2]，NAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集線器或交換機(jī)方便地接到用戶網(wǎng)絡(luò)上，無(wú)需構(gòu)建專用網(wǎng)絡(luò)；存儲(chǔ)系統(tǒng)不再通過(guò)I/O總線附屬于某個(gè)服務(wù)器或客戶機(jī)，而直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)直接相連，由用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。而且，它是以數(shù)據(jù)為核心的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)下的文件共享，提供文件級(jí)服務(wù)，為每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶提供共享磁盤(pán)空間。缺點(diǎn)是在實(shí)際的應(yīng)用中，當(dāng)多用戶同時(shí)并發(fā)訪問(wèn)同一數(shù)據(jù)時(shí)，繁鎖的網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程，增大了網(wǎng)絡(luò)資源的開(kāi)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(gè)，完全能夠滿足要求。

與傳統(tǒng)的通用服務(wù)器不同，NAS專用服務(wù)器能在不增加復(fù)雜度、管理開(kāi)銷、降低可靠性的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)容量增加，具有非常好的可擴(kuò)展性。由于不需要服務(wù)器提供更多的硬件及服務(wù)，使服務(wù)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(luò)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(wù)器提高5～10倍，其數(shù)據(jù)傳輸速率已接近網(wǎng)絡(luò)帶寬的極限。構(gòu)建1000Base-T 快速NAS 存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是最經(jīng)濟(jì)、有效、可行的方案。

3 NAS存儲(chǔ)方案

NAS設(shè)備提供 RJ-45 接口和單獨(dú)的IP地址，可以將其直接掛接在主干網(wǎng)的交換機(jī)或其他局域網(wǎng)的Hub上。通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置(如設(shè)置機(jī)器的IP地址等)就可以在網(wǎng)絡(luò)即插即用地使用NAS設(shè)備。用戶可利用WWW瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)鄰居等標(biāo)準(zhǔn)的PC界面工具，對(duì)NAS設(shè)備中的資源直接進(jìn)行訪問(wèn)。網(wǎng)絡(luò)管理員和教師可在網(wǎng)中的任一臺(tái)計(jì)算機(jī)上通過(guò)Web瀏覽器對(duì)NAS存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置及管理，大大簡(jiǎn)化了對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備和資源的管理與維護(hù)。

系統(tǒng)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)采用了基于1000BASE-T技術(shù)的以太網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)，由1臺(tái)NAS存儲(chǔ)服務(wù)器、1臺(tái)有卡工作站、1臺(tái)教師機(jī)、20臺(tái)無(wú)卡工作站、1臺(tái)Web服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成。有卡工作站（上載工作站）、教師機(jī)和WEB服務(wù)器都通過(guò)1 000 M以太網(wǎng)和NAS存儲(chǔ)服務(wù)器連接。無(wú)卡工作站（學(xué)生機(jī)）通過(guò)100 M以太網(wǎng)和NAS存儲(chǔ)服務(wù)器連接。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)有4個(gè)1 000 M端口，NAS服務(wù)器直接連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的1 000 M端口。系統(tǒng)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

專業(yè)視頻編輯網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)采用FC+以太的SAN雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]，基于千兆網(wǎng)的單網(wǎng)結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用在視頻行業(yè)，不過(guò)由于單點(diǎn)NAS服務(wù)器對(duì)外提供的帶寬通常只有40～60 MB，因此NAS還只能應(yīng)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(wù)器系統(tǒng)的對(duì)存儲(chǔ)管理能力的加強(qiáng)，TOE卡投入實(shí)際的應(yīng)用，通過(guò)鏈路聚合將多個(gè)網(wǎng)卡綁定在一起和增加NAS節(jié)點(diǎn)數(shù)使NAS服務(wù)器對(duì)外提供更大的連接帶寬和存儲(chǔ)空間。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)400 MB/S帶寬的NAS設(shè)備。近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展較快，如NAS和SAN相結(jié)合技術(shù)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、智能存儲(chǔ)技術(shù)、零拷貝技術(shù)，以及可以提供800 MB/S 帶寬的先進(jìn)的SDD存儲(chǔ)技術(shù)等，隨著新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)正走向高帶寬、大容量、智能化、高效率之路，未來(lái)高清視頻編輯網(wǎng)絡(luò)中帶寬將不再是瓶頸。

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