视频音频方案书容错系统方案书

2004-9-14　发布方：上海光景数据　网友评论 0 条　点击进入论坛

1. 前言

   近年来，在广播电视行业中，非线性编辑可以说是未来一段时间视频技术发展和人们注目的焦点。

   非线性编辑系统是在电视技术的数字化以及计算机技术在存储容量、数据处理速度等方面发展到一定阶段出现的。它融入了现代多媒体和计算机这两个二十一世纪最先进领域的前端技术，它集多项编辑功能于一体，改变人们按时间顺序剪辑素材的传统概念，克服了录像带多版合成、复制图像质量劣化的缺点，大大提高了编辑效率，并且为编辑人员的艺术创作开辟了广阔的天地，因而受到视频界的普遍关注。

   目前，国内有较多的省、市电视台及节目制作单位已购置了非线性编辑系统，编辑记者和技术人员对非线性编辑系统在素材编辑、特技制作等方面的优越性和灵活性给予充分肯定。但他们并不满足与目前单机操作的低效率模式，也就是所谓的"非线性岛"模式。他们更关心的是电视节目所需要的素材、节目和资源的共享，把目光更多地投向了适用于广播电视后期制作和播出的多媒体网络技术和存储共享技术、达到系统可用性和可靠性为99.999%。

2. 视频对容量和速度的需求

    对于PAL制的视频数据，如果不压缩，其数据率为20MB/S(720×576×2×25)，双通道音频数据率为192KB/S（48×2×2），由此可以计算出在某个压缩比情况下，一定素材量所需要的硬盘空间总和，如某个系统的总的素材量为8小时，在压缩比为4:1时，则总的硬盘空间需要20×3600×8/4=144000MB，即约144GB（由于音频数据相对视频数据很小，通常可以忽略不计）。

    视频网络系统所传输的数据量是非常大的，同时，系统要求数据有很好的同步，即每秒严格25帧，因此在编辑回放和采集时，对硬盘的读写速度和网络通道的带宽要求比较苛刻，即要求速度高，而且高速度能够持续稳定。通常，一个非线性编辑系统有两个实时通道，假如系统压缩比为4:1，则该编辑工作站最大占用的带宽为10Mbps，如果网络系统中有6套非线性编辑系统共享硬盘和网络通道，则硬盘速度和网络传输速度需大于60Mbps。

3. 视频容错系统

    针对视频对大容量和高速度的要求。我公司提出视频容错系统（SAN架构方案和单机容错方案）。SAN（存储局域网络）架构方案是以光纤为基础，光纤交换机或光纤集线器和存储设备（磁盘阵列，光盘塔，磁带库等）及其他辅助设备和相关软件组成。其大容量容错表现在存储设备磁盘阵列上，使用RAID技术来达到数据的高可靠性、高可用性、高安全性；高速体现在采用光纤技术，速度达到200M/S，并且磁盘阵列自带CPU和CACHE，RAID技术使许多硬盘一起读写，使读写速度提升了几十倍。单机容错方案，以磁盘阵列为主，SCSI或FC线缆为传输介质，来提高容量和速度。从而解决了大容量和高速度的要求，满足用户的需求.

4. SAN架构网络拓扑图

    黑色线表示以太网传输介质，粗细表示传输速率；彩线表示SAN传输介质（光纤介质）。

5. SAN架构软、硬件配置

硬件配置

服务器上的光纤适配卡（HBA）；如：QLA2200F等
服务器上的网卡（NIC）；如：INTEL 82558等
光纤交换机（FC SWITCH）；如：SANBOX 16HA等
光纤集线器（FC HUB7 可选）；如：等
磁盘阵列柜等存储设备。如：Iqstor R2000/WISE2000等

软件配置（可选）

网管软件; 如：HP Openview等
文件共享软件. 如：SANergy等

6. 为什么用磁盘阵列RAID技术？

    RAID是利用若干台小型硬磁盘驱动器加上控制器按一定的组合条件，而组成的一个大容量、快速响应、高可靠的存储子系统。由于可有多台驱动器并行工作，大大提高了存储容量和数据传输率，而且由于采用了纠错技术，提高了可靠性。硬盘阵列是视频网络系统中非常重要的一个环节，硬盘阵列的容量、速度、稳定性往往决定整个网络的性能。RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。在通常情况下，RAID有如下几种分类：

    RAID0：由多个硬盘并发协同工作完成数据的读写，数据被均匀分布在各个硬盘上，一般情况下，使用的硬盘越多，读写的速度越快。RAID0的特点是读写速度快，并且价格便宜；缺点是安全性相对较差，因为在RAID0中的一个硬盘出现故障时，整个阵列的数据将会丢失。RAID0是最快和最有效的磁盘阵列类型，但没有容错功能。

    RAID1：称为磁盘镜像。原理是在两个硬盘之间建立完全的镜像，即所有数据会被同时存放到两个物理硬盘上，当一个磁盘出故障时，仍可从另一个硬盘中读取数据，因此安全性得到保障。但系统的成本大大提高，因为系统的实际有效硬盘空间仅为所有硬盘空间的一半。

    RAID 0+1：为RAID0和RAID1的组合，即由两个完全相同配置的RAID0形成镜像关系，既提高了阵列的读取速度，又保障了阵列数据的安全性，当然，为此付出的代价同样是价格昂贵。

    RAID3：是把数据分成多个“块”，按照一定的容错算法，存放在N+1个硬盘上，实际数据占用的有效空间为N个硬盘的空间总和，而第N+1个硬盘上存储的数据是校验容错信息，当这N+1个硬盘中的其中一个硬盘出现故障时，从其它N个硬盘中的数据也可以恢复原始数据，这样，仅使用这N个硬盘也可以带伤继续工作（如采集和回放素材），当更换一个新硬盘后，系统可以重新恢复完整的校验容错信息。由于在一个硬盘阵列中，多于一个硬盘同时出现故障率的几率很小，所以一般情况下，使用RAID3，安全性是可以得到保障的。与RAID0相比，RAID3在读写速度方面相对较慢。

    RAID5：RAID5 和RAID3的原理非常类似，硬盘的有效使用空间也是一样的，只是其算法以及数据分块方式有所不同。

    使用的容错算法和分块大小决定RAID使用的应用场合，在通常情况下，RAID3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等；而RAID5适合较小文件的应用，如文字、图片、小型数据库等。

下表是几个常用的RAID级别的特征：

    RAID级别的选择有三个主要因素：可用性（数据冗余）、性能和成本。如果不要求可用性，选择RAID0以获得最佳性能。如果可用性和性能是重要的而成本不是一个主要因素，则根据硬盘数量选择RAID 1。如果可用性、成本和性能都同样重要，则根据一般的数据传输和硬盘的数量选择RAID３、RAID５。

7. SAN架构工作原理

    在SAN中所有的存储设备是独立的，也可以是相关联的。每一个设备可以单独作为一个大容量硬盘使用；也可以与其他设备组合成存储池，作为特大容量设备使用。工作站发出请求命令后，经LAN网络传输到SAN网络中，在SAN中把数据加工处理完成后，返回处理成功或失败或数据集给工作站。

1. 前言

   近年来，在广播电视行业中，非线性编辑可以说是未来一段时间视频技术发展和人们注目的焦点。

   非线性编辑系统是在电视技术的数字化以及计算机技术在存储容量、数据处理速度等方面发展到一定阶段出现的。它融入了现代多媒体和计算机这两个二十一世纪最先进领域的前端技术，它集多项编辑功能于一体，改变人们按时间顺序剪辑素材的传统概念，克服了录像带多版合成、复制图像质量劣化的缺点，大大提高了编辑效率，并且为编辑人员的艺术创作开辟了广阔的天地，因而受到视频界的普遍关注。

   目前，国内有较多的省、市电视台及节目制作单位已购置了非线性编辑系统，编辑记者和技术人员对非线性编辑系统在素材编辑、特技制作等方面的优越性和灵活性给予充分肯定。但他们并不满足与目前单机操作的低效率模式，也就是所谓的"非线性岛"模式。他们更关心的是电视节目所需要的素材、节目和资源的共享，把目光更多地投向了适用于广播电视后期制作和播出的多媒体网络技术和存储共享技术、达到系统可用性和可靠性为99.999%。

2. 视频对容量和速度的需求

    对于PAL制的视频数据，如果不压缩，其数据率为20MB/S(720×576×2×25)，双通道音频数据率为192KB/S（48×2×2），由此可以计算出在某个压缩比情况下，一定素材量所需要的硬盘空间总和，如某个系统的总的素材量为8小时，在压缩比为4:1时，则总的硬盘空间需要20×3600×8/4=144000MB，即约144GB（由于音频数据相对视频数据很小，通常可以忽略不计）。

    视频网络系统所传输的数据量是非常大的，同时，系统要求数据有很好的同步，即每秒严格25帧，因此在编辑回放和采集时，对硬盘的读写速度和网络通道的带宽要求比较苛刻，即要求速度高，而且高速度能够持续稳定。通常，一个非线性编辑系统有两个实时通道，假如系统压缩比为4:1，则该编辑工作站最大占用的带宽为10Mbps，如果网络系统中有6套非线性编辑系统共享硬盘和网络通道，则硬盘速度和网络传输速度需大于60Mbps。

3. 视频容错系统

    针对视频对大容量和高速度的要求。我公司提出视频容错系统（SAN架构方案和单机容错方案）。SAN（存储局域网络）架构方案是以光纤为基础，光纤交换机或光纤集线器和存储设备（磁盘阵列，光盘塔，磁带库等）及其他辅助设备和相关软件组成。其大容量容错表现在存储设备磁盘阵列上，使用RAID技术来达到数据的高可靠性、高可用性、高安全性；高速体现在采用光纤技术，速度达到200M/S，并且磁盘阵列自带CPU和CACHE，RAID技术使许多硬盘一起读写，使读写速度提升了几十倍。单机容错方案，以磁盘阵列为主，SCSI或FC线缆为传输介质，来提高容量和速度。从而解决了大容量和高速度的要求，满足用户的需求.

4. SAN架构网络拓扑图

    黑色线表示以太网传输介质，粗细表示传输速率；彩线表示SAN传输介质（光纤介质）。

5. SAN架构软、硬件配置

硬件配置

服务器上的光纤适配卡（HBA）；如：QLA2200F等
服务器上的网卡（NIC）；如：INTEL 82558等
光纤交换机（FC SWITCH）；如：SANBOX 16HA等
光纤集线器（FC HUB7 可选）；如：等
磁盘阵列柜等存储设备。如：Iqstor R2000/WISE2000等

软件配置（可选）

网管软件; 如：HP Openview等
文件共享软件. 如：SANergy等

6. 为什么用磁盘阵列RAID技术？

    RAID是利用若干台小型硬磁盘驱动器加上控制器按一定的组合条件，而组成的一个大容量、快速响应、高可靠的存储子系统。由于可有多台驱动器并行工作，大大提高了存储容量和数据传输率，而且由于采用了纠错技术，提高了可靠性。硬盘阵列是视频网络系统中非常重要的一个环节，硬盘阵列的容量、速度、稳定性往往决定整个网络的性能。RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。在通常情况下，RAID有如下几种分类：

    RAID0：由多个硬盘并发协同工作完成数据的读写，数据被均匀分布在各个硬盘上，一般情况下，使用的硬盘越多，读写的速度越快。RAID0的特点是读写速度快，并且价格便宜；缺点是安全性相对较差，因为在RAID0中的一个硬盘出现故障时，整个阵列的数据将会丢失。RAID0是最快和最有效的磁盘阵列类型，但没有容错功能。

    RAID1：称为磁盘镜像。原理是在两个硬盘之间建立完全的镜像，即所有数据会被同时存放到两个物理硬盘上，当一个磁盘出故障时，仍可从另一个硬盘中读取数据，因此安全性得到保障。但系统的成本大大提高，因为系统的实际有效硬盘空间仅为所有硬盘空间的一半。

    RAID 0+1：为RAID0和RAID1的组合，即由两个完全相同配置的RAID0形成镜像关系，既提高了阵列的读取速度，又保障了阵列数据的安全性，当然，为此付出的代价同样是价格昂贵。

    RAID3：是把数据分成多个“块”，按照一定的容错算法，存放在N+1个硬盘上，实际数据占用的有效空间为N个硬盘的空间总和，而第N+1个硬盘上存储的数据是校验容错信息，当这N+1个硬盘中的其中一个硬盘出现故障时，从其它N个硬盘中的数据也可以恢复原始数据，这样，仅使用这N个硬盘也可以带伤继续工作（如采集和回放素材），当更换一个新硬盘后，系统可以重新恢复完整的校验容错信息。由于在一个硬盘阵列中，多于一个硬盘同时出现故障率的几率很小，所以一般情况下，使用RAID3，安全性是可以得到保障的。与RAID0相比，RAID3在读写速度方面相对较慢。

    RAID5：RAID5 和RAID3的原理非常类似，硬盘的有效使用空间也是一样的，只是其算法以及数据分块方式有所不同。

    使用的容错算法和分块大小决定RAID使用的应用场合，在通常情况下，RAID3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等；而RAID5适合较小文件的应用，如文字、图片、小型数据库等。

下表是几个常用的RAID级别的特征：

    RAID级别的选择有三个主要因素：可用性（数据冗余）、性能和成本。如果不要求可用性，选择RAID0以获得最佳性能。如果可用性和性能是重要的而成本不是一个主要因素，则根据硬盘数量选择RAID 1。如果可用性、成本和性能都同样重要，则根据一般的数据传输和硬盘的数量选择RAID３、RAID５。

7. SAN架构工作原理

    在SAN中所有的存储设备是独立的，也可以是相关联的。每一个设备可以单独作为一个大容量硬盘使用；也可以与其他设备组合成存储池，作为特大容量设备使用。工作站发出请求命令后，经LAN网络传输到SAN网络中，在SAN中把数据加工处理完成后，返回处理成功或失败或数据集给工作站。

8. 单机硬盘播出容错系统架构拓扑图

9. 单机硬盘播出容错架构硬件配置

硬件配置

一台服务器， 如：Silicon Graphics 550/HP 、泰克专用服务器
服务器上的SCSI或FC卡，如：AHA2940UW，QLA2200F
服务器上的网卡（NIC），如：INTEL 82558
磁盘阵列柜，如：IQstor R2000/WISE2000

10. 单机容错架构工作原理

    服务器把磁盘阵列作为一个大容量硬盘处理。

    写数据时，服务器只要把数据通过线缆传送到阵列，阵列通过自带CPU和CACHE把数据分散写入各个磁盘。读数据时，阵列通过自带CPU和CACHE把数据从各个磁盘中读出，服务器只要通过线缆把数据从阵列中取出。

IQstor  R2000磁盘阵列的特点：

?          32/64Bit High Speed CPU   RSIC  133M
?          可以支持双控制器最大内存1000MB
?          RAID 0,1,3,5,0+1
?          RAM  256M ,可扩充到512M
?          4组通道，多种接口（可选接口卡：UW  S.E.，DIFF，LVD，FC）
?          12组热插拔硬盘(1.6  68pin)，单颗容量73.4GB
?          2组150W热插拔冗余电源 , 支持-48V
?          备有一个基于JAVA的跨平台GUI，实现真正的远程维护
?          SAN架构的存储设备
?          紧凑模块化设计，高度仅5U(1U=1.75英寸)，卧式、立式、机架式
?          LED和蜂鸣器报警

11.优点

最少占用主机资源：

    使用SCSI或FC协议，磁盘阵列自带CPU和CACHE。有利于减轻主机的负载，同时大大提高了主机的工作能力。

最少占用LAN资源：

    大部分数据都在SAN中进行传输、加工、处理。在LAN 中只传输小部分数据集或命令集，从而减轻LAN的负载，释放LAN 的有限带宽。

大带宽高速度：

    使用SCSI或FC传输介质，使传输速率最高达200M/S。

高可靠性、高安全性、高可用性：

    磁盘阵列采用RAID技术，增加了数据的高可用性；SAN中可以进行实时备份，保证了数据的高安全性；所有硬件设备采用容余配置决定了高可靠性。

跨平台工作：

应用于NT、UNIX、LINUX平台

在线数据重建（ONLINE REBUILD）：

             磁盘0                      磁盘1                             磁盘2                          磁盘3

    正常工作时，RAID5，DISK=4。设磁盘2现故障，在系统不停机的情况下，替换” 磁盘2”，控制器将用小部分的资源进行数据重建，大部分的资源进行正常工作。

在线等候（ONLINE STANDBY）：

             磁盘0                      磁盘1                             磁盘2                     STANDBY DISK

   正常工作时，RAID5，DISK=3。设” 磁盘2”出现故障，在系统不停机的情况下，控制器将用小部分的资源进行数据转移，大部分的资源进行正常工作。

数据永不丢失：

    使用具有容错能力的磁盘阵列系统作为外部数据存储器，可以防止由于硬盘损坏、数据丢失造成的重大损失。客户可以根据对容错能力、存储容量、硬盘访问速度、经济性等方面的需求灵活选择。

安装维护方便：

    全部操作均为GUI图形用户界面，安装配备极为简单快捷。系统管理员可以通过直观动态的监视界面随时了解系统运行状态。而且系统安装完毕后不需要进行任何维护，即可自动运行。

最可扩展性：

    在SAN中，要扩充容量是很方便的，只要在FC SWITCH 上挂接一个存储设备，马上可以使用。整个过程无须停机，在SAN中传输的数据不会受到任何影响。

可管理性：

    所有的存储设备都连接在SAN中，比较集中，这样管理起来比较方便。

实时备份：

    备份设备连接在SAN中，备份数据全部在SAN中传输，提高了备份速度，减少了LAN的负载。

应用广泛：

    目前，这套系统已经广泛应用于各个行业，能够为所有工作于NT or UNIX平台的大型数据库提供良好的支持，用户不需要改动程序设计。

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