數字視頻網絡
數字視頻網絡
《西部廣播電視》2000年第10期發(fā)表近幾年，隨著計算機專業(yè)多媒體技術的迅速發(fā)展，非線性編輯系統(tǒng)應運而生，并迅速趨于成熟。國內外眾多的廠商提供了各不相同的非線編設備，在廣電領域各放異彩。由于非線編設備具有操作簡單、功能強大、投資相對減少（與傳統(tǒng)設備比較而言）等顯著的優(yōu)點，它已成為視音頻編輯設備發(fā)展的方向，大有取代傳統(tǒng)制作設備之勢�？v觀目前眾多的非線編設備，大都已能提供中文界面、無損壓縮、實時三維特技、中文字幕等功能，可以說，單機非線編設備正逐步走向完善。但是非線編設備也存在一些問題，諸如存儲空間有限、某些特技不能實時完成等等，所以說單機非線編形式并不是非線編技術的最終發(fā)展結果和最大優(yōu)勢體現(xiàn)，只有將許多單機非線編設備連接成網，才能夠最大限度的發(fā)揮系統(tǒng)內存素材的作用，提高系統(tǒng)工作效率。這就是我們在本文中要討論的問題------數字視頻網。數字視頻網是指一種實現(xiàn)視頻傳輸（本地或遠程，實時或非實時）的計算機網絡，其構成包括其中各個子網（本地子網和遠程子網），其核心是視頻交換和視頻存儲。
一、網絡的概念及拓撲結構
網絡是許多設備的集合，由一個共同的傳輸媒體來連接；網絡是人與人之間溝通的橋梁，是獲取信息的手段，也就是說網絡是信息傳播的通道。網絡的拓撲結構通常可以分為總線型、星型和環(huán)型，關于這些拓撲結構的具體內容在此就不再詳細說明。
二、網絡的分類
計算機網絡分類的依據有幾種。按其信息傳輸范圍可分為廣域網WAN和局域網LAN；按其信息傳輸方向可分為國際互聯(lián)網Internet和企業(yè)內部網Intranet；按其信息傳輸內容可分為文字網和視頻網；按其信息傳輸協(xié)議可分為以太網、ATM（異步傳輸）網和FC（光纖通道）網和SSA（串行存儲結構）。下面我們就從傳輸協(xié)議方面對網絡進行詳細討論。
1、以太網（千兆以太網）
以太網是開發(fā)較早、應用廣泛、技術成熟的一種局域網絡技術。對基于計算機平臺的控制組來說，可以很方便地通過以太網在PC、蘋果、SGI等平臺建立聯(lián)接，且其投資比較小。但是，以太網也有其缺點，比如說它管理電子郵件和共享打印設備的能力極差。另外，以太網的一個最大缺點是傳輸速率較慢，一般為10Mbps或100Mbps,在這種傳輸速率下，要傳輸2mm的視頻信號（采用2：1壓縮比其數據文件大約為1GB），花費的時間之長恐怕是制作人員所不能忍受的，而這種大小的文件在多媒體非線編制作中是很常見的。所以說普通以太網結構只能用于傳輸量較小、對時間要求不高的場合。所以現(xiàn)在又發(fā)展出了新型以太網---千兆以太網。千兆以太網采用交換技術，每個端口數據傳輸速度已經接近1Gbps，根據實際的測試，千兆以太網可以達到320Mbps的實際可用帶寬，這樣就大大提高了傳輸效率，增強了實際應用性。千兆以太網通過RSVP（Resource Reservation Protocol，資源預留協(xié)議）來保證在建立連接后提供穩(wěn)定的帶寬，以確保視頻數據的穩(wěn)定傳輸。但RSVP只能“盡可能地”保證帶寬，也就是不一定保證。
2、ATM（異步傳輸）
網 ATM最早是為通過電話網絡遠距離傳輸音頻和視頻信息而設計的，它側重于恒定帶寬和固定時延，因此主要用于廣域網上的可用帶寬和同步服務。后根據其發(fā)展最終擴展為在廣域網上提供高速同步服務和在局域網上提供視音頻服務。ATM是為了高效、高速傳輸任何類型的信息而設計的新興數據網絡技術，在數據傳輸方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的以太網技術。首先，ATM能有效傳輸不同類型的信息。與不同類型的信息傳輸對應的延遲行為、延遲變化量和損耗特性，根據數據的重要性提供不同優(yōu)先級的服務，服務質量的保證特別有利于進行實時的交互式通信，而傳統(tǒng)以太網則不能提供類似的優(yōu)先級服務。其次，ATM既可以傳輸傳統(tǒng)數據，同時又能傳輸如電話或電視等時間敏感型多媒體數據。ATM信元只在有數據要傳輸時才需要帶寬，加之ATM信元提供時分復用器那樣的時間片段來進行連續(xù)傳輸，因此ATM在處理實時傳輸和突發(fā)性LAN傳輸時能達到同樣好的性能。另外，ATM的高傳輸率和延展性是傳統(tǒng)以太網無法比擬的。ATM技術支持25-622Mbps乃至更高的傳輸率。由低速率升級到高速率非常方便，且不帶破壞性，還可根據需要延展帶寬，實現(xiàn)局域和廣域之間的無隙互聯(lián)。ATM通過QoS（Quality of Service，品質服務）來保證在建立連接后提供穩(wěn)定的帶寬，以確保視頻數據穩(wěn)定傳輸，避免網絡擁塞造成傳輸速度下降或時間延長導致畫面停滯等現(xiàn)象，這一點要優(yōu)于千兆以太網的RSVP技術。
3、SSA（串行存儲體系結構）
SSA是一種新的可靠性高、實用性強、功能強大的串行接口。主要用于將硬盤機、磁帶機、CD-ROM、驅動器、打印機、掃描儀等外圍設備連接到工作站、主機、網絡服務器和磁盤子系統(tǒng)。
SSA接口是由美國國家標準局在X3T10.1基礎上標準化而成的。磁盤驅動器、適配器和帶支持現(xiàn)行操作系統(tǒng)及總線系統(tǒng)（Windows95、98、NT、Novell Netware、Macos AIX、Unix）的系統(tǒng)都適用。
SSA允許用戶方便的處理巨大容量的數據。其技術特性包括：環(huán)型體系結構，每環(huán)多達8臺控制器，密集6線電纜；最大帶寬80/160Mbps；雙全工、非仲裁；集成、熱插拔；每環(huán)多達128個設備，單設備自動配置，不需跳線或終接阻抗；備用數據路徑確保無單點失效。
采用SSA，設備就不同于SCSI那樣要使用單電纜連接，取而代之是一系列設備之間點到點連接。數據不直接送往主機，而是沿設備鏈路前進，理論上可以包含128個設備。這種點到點連接的一個巨大優(yōu)勢是所有外圍設備之間能按要求進行數據交換，而不馬上與主機通信。
若在一個閉合SSA中，萬一發(fā)生設備錯誤，通過SSA控制器即可盡快自動配置成兩環(huán)。這可確保繼續(xù)運行和剩余設備能被最大限度使用。出現(xiàn)故障的設備可以在運行中替換（熱插拔），一旦所有設備又正常運行，硬件會自動合并，并且系統(tǒng)重新配置成原來的SSA環(huán)形式。同樣，如果新的設備加入到SSA環(huán)中，配置和合并新硬件是自動的。
3、FC（Fiber Channel 光纖通道）網
FC開發(fā)于1988年，最早是用來提高硬盤協(xié)議的傳輸帶寬，側重于數據的快速、高效、可靠傳輸；后來FC同樣可以用來傳輸TCP/IP接口協(xié)議，因此FC就被修改為通過可擴展標準接口兼容多種網絡協(xié)議，以最大帶寬實現(xiàn)傳輸是一種傳輸率高達1G bps的高性能串行接口，它可以利用現(xiàn)有的公共傳輸協(xié)議，如IP和SCSI，因此，它是一種具有高速I/O和網絡功能集成在一起的技術。FC是由ANSI支持的并且遵從OSI標準和開放性標準，它支持多種拓撲結構，包括：點到點、仲裁和分支結構，可以為網絡化提供幾種服務質量。由于它采用較大的數據包進行傳輸，所以FC對于視頻、圖像和海量數據的存儲及傳輸極為理想。
FC已被許多計算機廠家推薦為電視節(jié)目制作設備的數字存儲連接標準，同時得到了Avid、松下等非線性編輯廠家和硬盤存儲生產廠商的廣泛響應。多臺非線性編輯機之間共享素材，協(xié)調工作已是大勢所趨，電視節(jié)目制作系統(tǒng)的網絡化已不容質疑。
應用FC，在硬件和軟件之間產生有效平衡，會消除計算機與計算機、計算機與硬盤之間的傳輸瓶頸。理論上，大約800Mbps的實際吞吐率是可能達到的，在節(jié)目制作中，這個速度將快于實時或同時進行多視頻流的傳輸率，發(fā)送多GB數字視頻文件將從十多分鐘減少為幾秒鐘，更重要的是，對制作和設備管理人員來說，煩人的等待時間將變?yōu)楦咝Ф喈a的創(chuàng)造時間。FC有一個缺點，這就是成本較高。這一點防礙了它在具體應用中的廣泛使用。
總之，以上提到的集中網絡技術各有其優(yōu)勢和適用范圍，各有所長，各自適用于不同的數據結構。以太網不太適用于固定數據的傳輸，而更適用于變化數據流的傳輸，如數據庫、文件拷貝。ATM是面向工作站、電話設備、視音頻攝取以及局域網集線器、網路由器之間的互聯(lián)，對于同步的服務，如多媒體和電話會議，尤其是廣域范圍內這些網絡的應用，ATM是一個好的方式。FC的設計是面向大容量存儲子系統(tǒng)、視頻工作站、媒體服務器以及局域網集線器、網橋、路由器之間的互聯(lián)，它可用于工作站之間大型文件的傳輸，在性能要求很高的情況下，F(xiàn)C是最佳選擇。而且FC支持ATM協(xié)議，所以FC與ATM是兼容的，可以與ATM同時存在。SSA僅僅是磁盤存儲的標準，對子系統(tǒng)內最少的設備數有限制，且雙向連接通道的傳輸速率也低于視頻編輯的傳輸要求，所以SSA的支持者現(xiàn)在是越來越少。
4、多網合一
對于電視節(jié)目制作部門來說，對網絡傳輸速率的要求是第一位的，因為在其中傳送的數據量是極大的，如果沒有一個足夠的傳輸速率的話，就不能滿足電視制作中常有的實時要求。同時，制作部門內部的數據傳輸量又遠遠大于外部數據傳輸量。所以，在構建數字視頻網時應從實用性和經濟性兩個方面來考慮，采用多種網絡形式來組成實用經濟的網絡框架。在現(xiàn)階段，我們可以利用FC技術解決共享存儲數據的讀寫問題，利用千兆以太網和ATM網解決數據傳輸和網絡管理問題，利用SAN技術解決硬盤的傳輸速度和數據安全問題。
（1）FC-以太網結構
這種網架結構是目前最流行的，國內幾家主要的非線性編輯設備生產廠家都推出了自己的基于這種架構的網絡產品。如索貝公司的SobeyNet，大洋公司的DayangNet，新奧特公司的NewautoNet，這三家公司產品的一個共同特點就是都采用了FC-以太網雙網結構。在FC上連入實時使用低壓縮比視頻數據進行工作的設備（如串編及下載工作站）以實現(xiàn)節(jié)目制作數字化，并實現(xiàn)整個節(jié)目制作過程中高質量、低壓縮比視頻素材的集中存儲和實時共享；在以太網（一般為千兆以太網）上連入使用高壓縮比視頻數據進行工作的設備（如預編及審片工作站）以完成工作量較大的任務，而且還采用多點并行的工作方式，大大加快節(jié)目制作速度。同時，以太網還將系統(tǒng)中所有的工作站點連接起來，以實現(xiàn)各工作站點制作結果的共享與相互傳遞。這樣就充分融合了FC與以太網各自的技術優(yōu)勢。但目前這些產品都存在著這樣那樣的缺點，如本身系統(tǒng)網管軟件缺乏或功能甚少，只能使用基礎平臺的網絡管理功能對本系統(tǒng)進行管理，或者是網絡用戶對整個系統(tǒng)的操作權限與系統(tǒng)自身安全之間存在很大的矛盾。這些缺點構成了系統(tǒng)運行期間的潛在危險，一旦發(fā)作，輕則導致系統(tǒng)癱瘓，無法正常工作，重則丟失重要數據，造成不可挽回的損失。
（2）FC-SAN網結構
FC-SAN（Fiber Channel Storage Area Networks,光纖通道存儲區(qū)域網）網構架一經提出，就得到了迅速的發(fā)展。SAN 是一種以Gb帶寬實現(xiàn)計算機和存儲器之間通訊，結合了I/O通道技術、LAN模型、大容量存儲器特點的一種新型網絡結構，具有以下特點：高帶寬、模塊化可擴展結構、高可用性和容錯能力、易管理性、易集成、低造價。SAN的根本就是計算機之間及其和存儲器之間的互聯(lián)，它消除了服務器處理瓶頸，使實際可用帶寬接近實際的網絡傳輸帶寬，適合大數據量傳輸、實時數據處理。而FC已逐步發(fā)展成為計算機和存儲器之間互聯(lián)的新標準，目前世界上有超過70家公司在生產FC連接的磁盤驅動器、硬盤陣列、服務器，F(xiàn)C已經發(fā)展成為構成SAN環(huán)境的事實標準。
在FC-SAN構架的視頻網中，SAN不但承擔著視頻數據的存儲、遷移、交換、共享，而且還掌管著網絡設備的登記、刪除、查詢、維護。也就是說，SAN是數字是數字視頻網的主干，在其上可以掛接若干制作子網和播出子網。北大方正公司的數字視頻網Founder DigiNET（如圖1）就是基于FC-SAN網架結 構的視頻網。它將文稿系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)、制作系統(tǒng)、演播室系統(tǒng)、播出系統(tǒng)集成在一個網中，支持異構網和異種操作系統(tǒng)， 采用開放式網絡協(xié)議和控制協(xié)議，兼容標準硬件廠家。
四、數字視頻網的發(fā)展前景
目前國內幾家大的非編生產廠商競爭的重點都已轉到了數字視頻網上，這一點從BIRTV’99上已可以清楚的看到。目前各廠家的網絡產品從結構上來說大同小異，都是采用FC-以太網這種雙網構架網絡結構，其壓縮方式都是M-JPEG。其中FC網用于網絡素材共享，以太網主要用于文稿、字幕和其它素材的網絡傳輸。但這種雙網架構也存在著一些缺點：造價偏高（主要是FC網），系統(tǒng)不易于維護；不同廠家的產品之間素材不能相互調用，網絡的可擴展性和兼容性較差。
從目前的發(fā)展趨勢來看，將來非編的壓縮方式應該是MPEG-2，這種壓縮方法對于網絡來說的最大好處是效率高，數據量小，便于網上傳輸。采用MPEG-2壓縮的非編卡已經面世（如格非的Magi1000/4000卡、Matrox的Digisuite DTV卡），非編系統(tǒng)問世的時間也不會長。所以將來的視頻網只需要采用以太網就可以完成數據傳輸，造價自然大大下降。
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