网络电视关键技术及其发展(四)

3.4 存储系统
　　经过编码压缩后的数字视频文件一般需要占用大量的存储空间，通常一部长度为90分钟的电影如果按DVD质量要求进行数字化后，需要2.7GB的存储空间！通常无论是开展数字电视还是网络电视业务，系统的前端部分都需要考虑海量存储空间（一般在10TB以上）的实现和管理。存储系统大体上包括存储设备、存储网络和管理软件等部分，它们分别担负着数据存储、存储容量和性能扩充以及数据管理等任务。

3.4.1 存储设备
　　单一的存储设备通常可以分为内存、硬盘、光盘和磁带等几种[18]，在速度上以内存最快、磁带最慢，存储容量上是内存最小、磁带最大、价格上则是内存最昂贵、磁带便宜。由于内存属易失性设备，即在断电后无法保存其中存储的内容，因此常用于系统软件和数据的工作缓存区，真正用于长时间存放数据的介质就是硬盘、光盘和磁带等。
　　尽管目前市场上单块硬盘的存储容量已经超过上百GB，读写速度达到了几十MB/S，但是单个的硬盘无论在容量、读写速度和可靠性等方面与网络电视业务的要求还存在相当的差距，为了满足海量存储、高速访问和安全可靠等方面的需求，可以利用多个硬盘组成磁盘冗余阵列，阵列中磁盘上的数据可以按照一定的规则进行备份，同时多个磁盘也可以并行进行读写操作，从而满足流媒体应用的需要。
　　以硬盘为基础组成的廉价冗余磁盘阵列不仅可以综合利用多个硬盘的容量，还可以并行对多个硬盘进行读写操作，此外还通过设置高速缓存进一步提高数据访问的性能。数据的安全可靠性则是通过镜像和校验方式来实现，依据镜像和校验方式的不同，磁盘冗余阵列划分为许多级别，常用的有RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID10等[19]。鉴于RAID具有速度快、容量大、安全可靠等优点，一般作为流媒体应用的在线（On-line）存储设备。
与硬盘相比，光盘和磁带在读写访问速度方面存在明显的差距，光盘目前是10ms以上，磁带更是达到了几秒到十秒；但是在单位容量价格和容量扩展性等方面有着明显的优势，因此通常作为系统的近线（Near-line）或离线（Off-line）存储设备。

3.4.2 存储网络
　　目前实现存储设备与服务器之间的连接方式主要有三种：直接连接存储（Direct Attached Storage, DAS）、网络访问存储（Network Accessed Storage, NAS）和存储区域网络（Storage Area Network, SAN）连接，各自特点如下：
　直接连接：这种连接方式中存储设备通过SCSI或FC接口直接与服务器相连，存储设备的访问和管理均由与之相连的服务器负责；一般的产品配备4个连接端口，适合于规模较小、拓扑简单的系统。
　网络访问存储：这种连接方式中存储设备通过IP网络接口与网络设备连接，存储设备本身具备在文件级处理读写访问的能力，可以为具备NFS系统的服务器提供存储服务；由于数据是在文件级进行交换，需要操作系统的参与，存在性能方面的限制。
　存储区域网络：这种连接方式中存储设备大多通过光纤通道（Fibre Channel, FC）接口与FC交换机连接，服务器通过HBA卡上的FC接口在数据块级与存储设备进行数据交换，采用SAN架构的存储网络模型如图4所示；由于在数据块级进行操作，不需要操作系统的干预，比较适合于要求存储系统性能、扩展性和拓扑灵活的场合。

3.4.3 存储管理
　　海量的视频数据以数据块或片段等各种形式分别存储在磁盘阵列的不同硬盘中、或者是光盘库的不同盘片上、或者是磁带库的不同磁带里，如何把这些分散的单个物理介质在逻辑上虚拟成可以被操作系统或其他应用所能够识别的卷（volume）或分区（partition），并可以针对存储于其中的数据进行各种管理是非常重要的。存储管理主要提供以下的功能：
　虚拟（virtualization）：是将物理设备中所使用的道、块、柱面、盘片等信息转化为操作系统或应用所能使用的卷或分区。
　共享（sharing）：实现多台宿主设备（如服务器、主机等）对同一个卷或分区进行数据读写操作。
　迁移（migration）：经常不被访问的在线数据可以按照一定的规则转移到联机的光盘库或磁带库中，当被再次访问时可以自动地从光盘或磁带上恢复到磁盘阵列中。
　备份（backup）：为防止在线数据丢失，可以定期把它们复制到可以卸载的光盘或磁带等介质上离线保存，离线保存的数据在需要使用时必须经过恢复（restore）后才可以被使用。
　　存储技术的发展方向一直是围绕扩大存储容量、降低单位存储成本、提高存储响应速度和改善安全可靠性等进行，近年来在存储网络方面以SNIA为代表的标准化组织正努力推进以IP为基础的融合，比较突出的是iSCSI技术。

3.5 流媒体服务器
　　流媒体服务器担负着将预先编码压缩或实时编码压缩的视频文件以流的方式推送到网络中去的任务，在网络电视业务，特别是点播业务中对于流媒体服务器有着很高的性能和可靠性要求。满足上述要求大致上可以有改善单个服务器的性能和可靠性，以及利用多台设备组成服务器集群等两种途径。
　　首先介绍改善单个服务器性能的主要方法。流媒体服务对于服务器在性能方面的要求主要体现在数据处理能力和网络吞吐能力上，根据计算机的冯诺依曼体系结构模型，CPU的能力对于整个服务器的性能有着至关重要的影响。当前的CPU中一般都采用了流水线和超线程（Hyper-Threading）技术，使得CPU具备了并行运算和处理多任务的能力；同时在服务器的设计中还广泛采用了对称多处理器结构，采用Intel架构的单台服务器一般可以达到4路甚至8路，计算任务可以在多个处理器之间平衡调度分配。服务器中I/O模块的性能决定了数据吞吐能力，这里的主要瓶颈来自于两个网络接口：连接存储设备的FC和网络设备的IP。如上所述，服务器中一般均配备HBA（Host Bus Adapter）卡，主要用于高速完成数据块的封装和传输，从而保证了服务器与存储设备之间数据交换的瓶颈；同时也配备了网络接口卡（Network Interface Card, NIC）来完成服务器与网络设备之间的数据传递。目前的多数网卡不负责所传送数据的TCP/IP封装，为此服务器耗费了大量的系统处理能力而导致系统整体性能急剧下降，针对这种情况已经开发出专门的TCP处理引擎（TCP Offload Engine, TOE），该技术的出现不仅可以消除传统网卡带来的瓶颈，同时还可以配合未来IP存储技术的应用。此外结合使用高速总线以及高速大容量的内存等技术，保证了服务器性能的大幅度改善。
　　依靠单台服务器的性能改善解决整体性能和服务可用性问题存在着性能价格比方面的限制，服务器集群（Cluster）技术的出现有效地解决了这个问题。服务器集群可以分为紧密和松散耦合两大类型，后者又包括针对故障切换、高性能和服务均衡等三种不同结构[23]。由于网络电视业务一般不需要进行大量的数据运算，因此常使用负载均衡的松散耦合集群系统来提供可靠的大规模流媒体服务，见图5。

　　除了上面提到的几个相关技术外，在网络电视业务中需要处理的数据对象主要是视频节目，它与传统的文字、图片性信息有着很大的不同，为此在数字电视业务中引进了媒体资产管理（Media Asset Management, MAM）的概念，在网络电视中也存在着类似的情况。此外作为基于网络的流媒体应用，网络电视还需要有一个基于J2EE的三层B/S应用结构，以适应开放性和扩展性要求。（待续）
作者：彭劲 何青