摘   要： 硬盤播出視頻服務(wù)器的存儲子系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并分析了各個階段的典型模式的特點。
關(guān)鍵詞： 視頻服務(wù)器  碼流  帶寬  RAID 

　　當(dāng)前，廣播電視的播出系統(tǒng)正處于由模擬信號播出向數(shù)字信號播出的轉(zhuǎn)換時期，播出系統(tǒng)數(shù)字化的關(guān)鍵點之一就是選用合適的硬盤播出視頻服務(wù)器。硬盤播出視頻服務(wù)器從誕生至今雖然時間不久，卻經(jīng)歷了一系列的變化，其性能也是由多方面因素的綜合作用決定的。本文將從存儲子系統(tǒng)的角度回顧硬盤播出視頻服務(wù)器的發(fā)展歷程，并且分析各種存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于硬盤播出視頻服務(wù)器的影響。
1  第一代存儲子系統(tǒng)——單機陣列
　　第一代存儲子系統(tǒng)的產(chǎn)品示意圖如圖1所示。

　　由于受成本的制約和技術(shù)的限制，早期視頻服務(wù)器的硬盤存儲系統(tǒng)相對比較簡單。它們大多是一個獨立的單一系統(tǒng)，擁有一套硬盤存儲陣列，采用RAID3 或RAID5技術(shù)，擁有一層簡單的容錯功能。從視頻播出領(lǐng)域的應(yīng)用角度考慮，要保證播出安全，容錯技術(shù)尤為重要。一層簡單的容錯能力難以滿足大型多頻道播出的安全要求。這種播出方式除安全問題尤其顯著外，它的負載能力也有很大的局限性，由于總線速度的限制，總共可以安裝的編解碼板的數(shù)量是有限的。隨著編解碼板數(shù)量的增加而帶來的巨大的I/O帶寬壓力，對于磁盤陣列的帶寬承受能力是一個很大的考驗。如果系統(tǒng)負載過重，陣列帶寬占用率過高，或者說余量帶寬很小，則一旦陣列中的某個硬盤損壞，陣列的恢復(fù)將是一個極其漫長的過程，而且處于恢復(fù)過程中的陣列的帶寬余量更小，使整個陣列面臨的危險性顯著增加。這種方式的設(shè)計整體上沒有太多的冗余考慮，因而具有實現(xiàn)簡單、低成本的特點。但這種結(jié)構(gòu)的播出服務(wù)器只能負責(zé)一些廣告和短片的插播，不能作為主播設(shè)備使用。
2  第二代存儲子系統(tǒng)——雙機鏡像
　　由于單機系統(tǒng)的安全原因，一些視頻服務(wù)器供應(yīng)商提出一個改良的方法，即對單一系統(tǒng)進行一對一的鏡像配置。通過鏡像，存儲系統(tǒng)被分成主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)二個內(nèi)容完全一樣的結(jié)構(gòu)。文件上載到主系統(tǒng)后，往備份系統(tǒng)做一對一的拷貝（如圖2）。對于目前這種結(jié)構(gòu)的主流產(chǎn)品而言，主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)中間的連接通常采用的鏈路方式為光纖通道。

　　這種方式是通過增加存儲系統(tǒng)的冗余度，加了一倍的容量來提高系統(tǒng)的安全性。這種方式實現(xiàn)比較簡單，從技術(shù)角度來看，它的存儲子系統(tǒng)與第一代產(chǎn)品在故障容錯能力上是相同的，只是增加了拷貝功能。這種方式雖然在整體上增加了系統(tǒng)安全播出的可靠性，但是面對用戶對多頻道播出的需求，相對于第一代視頻服務(wù)器沒有什么提高，只是隨著IT技術(shù)的發(fā)展，在服務(wù)器的數(shù)據(jù)總線寬度達到64位，總線速度有了明顯提升之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)在這種系統(tǒng)構(gòu)建方式下播出2～3個頻道。
　　這種構(gòu)建方式的不足之處在于：(1)存儲系統(tǒng)的利用率較低(不到50%)，整體構(gòu)建成本較高。(2)單臺服務(wù)器上的編解碼板的正常運作幾乎完全依賴于本機的存儲陣列。也就是說編解碼板與存儲陣列是綁定在一起的。在這種體系中，存儲損失一半的同時編解碼板也要有一半停止工作。(3)多頻道高碼流播出的負載能力有限。但是這種構(gòu)建方式也有著明顯的優(yōu)點：原理比較簡單，易于理解和控制
　　目前國內(nèi)許多廠商推出的小型播出視頻服務(wù)器采用這種構(gòu)建方式。當(dāng)前的主流進口產(chǎn)品中也有采用雙機鏡像這種構(gòu)建方式的硬盤播出視頻服務(wù)服務(wù)器。以SONY的MAV-70XGI播出視頻服務(wù)器和SeaChange公司的BMS系列服務(wù)器為代表，其中MAV-70XGI服務(wù)器的存儲陣列基本配置由8塊硬盤組成，使用Raid3校驗方式；BMS服務(wù)器的存儲陣列的基本配置由8塊或者12塊硬盤組成，使用Raid5校驗方式。
3  基于SAN結(jié)構(gòu)存儲子系統(tǒng)的視頻服務(wù)器
　　鏡像存儲系統(tǒng)的做法限制了播出視頻服務(wù)器向多頻道高碼流方向的發(fā)展。因此采用鏡像存儲數(shù)據(jù)方式的服務(wù)器供應(yīng)商開始考慮使用新的方法來彌補鏡像設(shè)計的不足。其中一種方法是采用SAN(Storage Area Network)共享存儲結(jié)構(gòu)。典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是：只配置視頻I/O（沒有內(nèi)部大容量存儲)的視頻服務(wù)器通過FC集線器或交換機與中央存儲盤塔連接。盤塔采用RAID3或RAID5硬盤陣列形式。盤塔提供素材共享，它通過集線器或交換機向各個輸入輸出視頻服務(wù)器提供存儲服務(wù)。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3所示的SAN方案常采用對硬盤陣列分組的方式，下面以此為例進行說明。系統(tǒng)中有4組硬盤陣列連接到交換機上。進入到系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)首先被分散到4個陣列，然后，進入每個陣列的局部數(shù)據(jù)在陣列內(nèi)做RAID3或者RAD5的處理與記錄。在數(shù)據(jù)做RAID3或者RAID5前，先做了一次RAID0處理，這樣做有一個明顯的好處就是可以提高硬盤的總吞吐帶寬。隨著總的可用帶寬的增加，外部僅僅負責(zé)I/O的播出服務(wù)器就可以在數(shù)量上有所增加，對于多頻道高碼流的負載能力就得到了顯著的增強。在這種體系結(jié)構(gòu)下一個機群系統(tǒng)可以負載4個以上的播出頻道。
　　由于播出系統(tǒng)對于系統(tǒng)安全性的要求是極高的，所以必須在SAN結(jié)構(gòu)帶來極大進步的同時，冷靜地看一下它仍存在的一些安全上的隱患：(1)為了消除理論上的單一崩潰點，這種結(jié)構(gòu)下的文件服務(wù)器最好做成主備方式。(2)多頻道同時播出與上載同時進行的情況下，作為數(shù)據(jù)交換核心的交換機將承受巨大的帶寬壓力，這就要求該交換機具有很強的負載能力，而且最好也形成主備結(jié)構(gòu)。(3)SAN結(jié)構(gòu)的四個存儲陣列之間是RAID0的關(guān)系，每個陣列內(nèi)部只擁有一層RAID3或者RAID5的保護。也就是說如果某個存儲陣列同時出現(xiàn)二塊以上的硬盤故障或者其他的可以引起整個陣列停機的故障，則丟失的數(shù)據(jù)將無從找回，這也就意味著將會出現(xiàn)播出事故。所以實際中使用的SAN產(chǎn)品，都在此采用了一套備份存儲陣列。以圖3為例，通常的產(chǎn)品構(gòu)建方式為陣列1、2為一體，陣列3、4為一體，后者作為前者的備份，二者之間為鏡像關(guān)系。這種解決辦法可以保證SAN結(jié)構(gòu)的硬盤播出服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲的安全性，但是這種解決方式也有著明顯的缺點：(1)存儲利用率低、成本較高；(2)由于主備二套存儲之間的鏡像關(guān)系，主存儲除了要負擔(dān)外部I/O服務(wù)器的上載、數(shù)據(jù)寫入、播出及數(shù)據(jù)讀出外，還要把上載進來的新素材數(shù)據(jù)通過中心交換機及時地傳送給鏡像的備存儲，這就相當(dāng)于把中心交換機對主存儲的寫入帶寬的服務(wù)增加了一倍。也就是說中心交換機和主存儲體面臨的帶寬壓力更大了。
　　SAN結(jié)構(gòu)除了可以極大地提高服務(wù)器機群的總帶寬負載能力外，還帶來了一個革命性的變化，那就是打破了以往的服務(wù)器I/O與存儲陣列故障綁定的傳統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)下外部的服務(wù)和內(nèi)部的存儲是相互獨立的，各自可以隨著自己的需要而進行增減。存儲的故障也不會再影響到外部的I/O應(yīng)用服務(wù)。
　　與主備結(jié)構(gòu)相比，SAN存儲結(jié)構(gòu)的采用極大地提升了硬盤播出視頻服務(wù)器系統(tǒng)的總體性能，這是一次由視頻服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的改進而帶來的明顯進步，此后又有很多新的視頻服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)被提出，其中就包括基于RAID平方存儲結(jié)構(gòu)的視頻服務(wù)器。
　　共享存儲的SAN結(jié)構(gòu)被各大服務(wù)器廠商應(yīng)用于各自的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品包括目前處于主流地位的一些服務(wù)器，例如GVG的PVS1000系列和PVS2000系列都可以構(gòu)建成SAN模式。
4  基于RAID平方存儲子系統(tǒng)的視頻服務(wù)器
　　要說明RAID平方存儲結(jié)構(gòu)，首先要看一下RAID5的數(shù)據(jù)保護方式。一塊數(shù)據(jù)如果要通過RAID5控制單元(硬件或者軟件)寫入它所控制的多個存儲體，就必須經(jīng)過以下幾個步驟：數(shù)據(jù)分割，校驗計算，存儲體分配。圖4表示了一個RAID5控制單元控制著五個存儲體。下面通過一個例子來看一下數(shù)據(jù)是如何寫入的。假設(shè)待寫入的數(shù)據(jù)塊大小為4MB。根據(jù)RAID5控制單元所控制的存儲體的個數(shù)(這里為5個)，將這塊數(shù)據(jù)分成等長的5-1＝4段，每段大小為1MB，然后根據(jù)這4段數(shù)據(jù)計算出等長的一段校驗數(shù)據(jù)（校驗方式為異或校驗）。這樣總共得到5個等長的數(shù)據(jù)段，RAID5控制單元的每次寫入都是將這5個數(shù)據(jù)段放置在不同的存儲體上。四段原始數(shù)據(jù)在存儲體中以1、2、3、4表示，一段校驗數(shù)據(jù)在存儲體中以xor表示。圖4表示了RAID5控制設(shè)備連續(xù)五次對存儲體進行數(shù)據(jù)寫入的過程。RAID5控制單元的每次寫入是將各個數(shù)據(jù)段循環(huán)放置到不同的存儲體上。一個數(shù)據(jù)段不與某個存儲體固定對應(yīng)。數(shù)據(jù)讀出的過程也是按塊進行的，每塊數(shù)據(jù)的讀出就是從所有存儲體同時讀出當(dāng)初寫入時相對應(yīng)的各段，然后檢查數(shù)據(jù)無誤后，去掉校驗段數(shù)據(jù)，組裝有效數(shù)據(jù)段進行輸出。

　　RAID5的數(shù)據(jù)保護允許所控制的N（N≥3）個存儲體中的一個存儲體失效，這時缺失的數(shù)據(jù)由其他正常的N－1個存儲體的數(shù)據(jù)計算得到。如果再出現(xiàn)第二個存儲體失效，則RAID5存儲結(jié)構(gòu)將會因有效存儲體的不足而崩潰。
　　RAID平方存儲結(jié)構(gòu)是由三個或三個以上的獨立節(jié)點組成的分布式系統(tǒng)，每個節(jié)點類似于一臺獨立的服務(wù)器，擁有自己的硬盤陣列，系統(tǒng)中采用點對點的連接方式。圖5給出了由四個節(jié)點組成的RAID平方存儲結(jié)構(gòu)。RAID平方存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)寫入和讀出也是以數(shù)據(jù)塊的方式進行的。它通過一個節(jié)點要輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊，在該節(jié)點以系統(tǒng)所有節(jié)點為存儲體進行RAID5數(shù)據(jù)處理，將得到的各段數(shù)據(jù)分送各個節(jié)點。這樣在節(jié)點之間就形成了第一次RAID5數(shù)據(jù)保護。到達各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，在其內(nèi)部RAID5控制卡的作用下，再經(jīng)過一次RAID5處理，最終到達節(jié)點內(nèi)部的陣列中的硬盤。數(shù)據(jù)在這個系統(tǒng)中得到了二次RAID5方式的數(shù)據(jù)保護，這也是這種系統(tǒng)稱為RAID平方的原因。如果要從某個節(jié)點把數(shù)據(jù)從系統(tǒng)中讀出，則所經(jīng)歷的過程與寫入過程是相反的，每個節(jié)點要從內(nèi)部的陣列取出數(shù)據(jù)，這由節(jié)點內(nèi)部的RAID5控制卡負責(zé)，再將各個節(jié)點取出的數(shù)據(jù)送往負責(zé)對外服務(wù)的那個具體節(jié)點，并由這個節(jié)點自身的處理系統(tǒng)負責(zé)將有效數(shù)據(jù)最終交給某個應(yīng)用。由RAID5的故障承受能力可以知道，每個節(jié)點允許內(nèi)部的陣列有一塊硬盤失效，整個系統(tǒng)允許出現(xiàn)一個節(jié)點的存儲失效。在這樣的情況下，通過數(shù)據(jù)恢復(fù)機制，系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)讀寫不會受到影響，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢曰謴?fù)缺失的硬盤數(shù)據(jù)和節(jié)點數(shù)據(jù)。與主備存儲結(jié)構(gòu)相比，系統(tǒng)中不再存在相同文件的拷貝，每個文件只有一份。這樣RAID平方存儲方式可以達到很高的存儲利用率。例如，四個節(jié)點，每節(jié)點八塊硬盤的RAID平方存儲系統(tǒng)的存儲利用率為3/4×7/8=65.625％。這種結(jié)構(gòu)中，單就一個節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)來說是沒有意義的，是不完整的數(shù)據(jù)，必須要整個系統(tǒng)同步工作才能得到有效的數(shù)據(jù)。

　　基于RAID平方存儲結(jié)構(gòu)的硬盤播出視頻服務(wù)器的I/O基本配置方式為：編碼板和解碼板分散安裝在各個節(jié)點上，一個頻道的主備二塊解碼板一般不安裝在同一個節(jié)點上，這樣可以避免因為一個節(jié)點出現(xiàn)故障而導(dǎo)致某個頻道的播出事故。圖6為一個三節(jié)點的RAID平方存儲結(jié)構(gòu)的視頻服務(wù)器的I/O配置示例。圖中ch1、ch2、ch3分別表示頻道1、2、3。

　　這種方式下，單就一個節(jié)點的數(shù)據(jù)來說是沒有意義的，是不完整的數(shù)據(jù)，必須整個系統(tǒng)同步工作才能得到有效的數(shù)據(jù)。由于RAID5對于數(shù)據(jù)的保護，系統(tǒng)只允許一個節(jié)點失效，這種情況下該節(jié)點所丟失的數(shù)據(jù)可由其他存在的節(jié)點的數(shù)據(jù)計算得到。如果整個系統(tǒng)出現(xiàn)第二個失效節(jié)點，丟失數(shù)據(jù)將無法得到，則這種結(jié)構(gòu)將因為沒有足夠的有效數(shù)據(jù)而崩潰。
　　RAID平方存儲結(jié)構(gòu)的視頻服務(wù)器具備一些突出的優(yōu)點：(1)高存儲利用率。RAID平方結(jié)構(gòu)存儲利用率比較高，實現(xiàn)了無備份存儲，可以通過較小的硬盤或者較小的空間占用來實現(xiàn)相同于其他播出服務(wù)器的素材存儲時間。這樣陣列內(nèi)部的硬盤的故障恢復(fù)和整個節(jié)點的存儲的恢復(fù)都將可以較快地完成，從而減少了服務(wù)器處于危險模式的時間，使服務(wù)器的故障概率得以降低。(2)帶寬壓力平衡。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部是點對點互連，所以系統(tǒng)工作的時候，帶寬壓力平均到各個節(jié)點之間的鏈路上，從而避免了帶寬壓力的集中，帶寬均衡可以使服務(wù)器的故障率得以降低。(3)受存儲故障牽連的I/O板卡減少。I/O板卡的分散使得在某個節(jié)點完全由于故障停止的情況下，受到影響的I/O板卡只是總量的1/N(N為節(jié)點數(shù))，從而進一步降低了受到故障影響的I/O板卡比例。如果采用合理的控制方式，在一個節(jié)點僅僅發(fā)生存儲陣列故障的情況下，實現(xiàn)該節(jié)點編解碼板繼續(xù)工作是完全可能的。(4)系統(tǒng)升級成本低。這種方式的構(gòu)建的服務(wù)器，可以通過增加節(jié)點的方式實現(xiàn)服務(wù)器的升級——增加存儲、增加負載頻道的數(shù)量。從而擺脫了以往升級時必須購買一套主備存儲設(shè)備的弊端。
　　這種結(jié)構(gòu)的視頻服務(wù)器目前只有SeaChange公司的BMC系列，該項技術(shù)尚處于專利保護期內(nèi)。這種服務(wù)器對于多頻道播出系統(tǒng)有不錯的性價比，而對于三個以下頻道的播出則顯得有些昂貴。筆者認為，這種服務(wù)器是多頻道播出的首選，目前該系列產(chǎn)品已經(jīng)服務(wù)于國內(nèi)許多多頻道播出的電視臺。
5  結(jié)  論
　　通過以上幾點比較可以看到，存儲子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同和存儲技術(shù)的差異，對于存儲容量、容錯能力、存儲系統(tǒng)的升級性、負載能力以及性價比有著極其重要的影響。目前市場上基于各種存儲結(jié)構(gòu)的硬盤播出視頻服務(wù)器都可以找到，這就需要正準(zhǔn)備進行播出系統(tǒng)數(shù)字化改造的電視臺，根據(jù)自己的實際情況，選擇適合本臺的硬盤播出視頻服務(wù)器。
參考文獻
1   張琦.數(shù)字電視中心技術(shù).北京：北京廣播學(xué)院出版社，2000
2   杜百川.數(shù)字電視.北京：中國電子學(xué)會廣播電視技術(shù)分會，1998
3   史品智.網(wǎng)絡(luò)多頻道硬盤自動播控系統(tǒng)與數(shù)字中心存儲.合肥：安徽省廣播電視局，2003