中小電視臺非編網絡帶寬設計與構建
視頻非線性編輯充分運用數字處理技術的研究成果大大豐富了電視創(chuàng)作的手段，改進了節(jié)目質量并提高了制作效率。數字化與計算機多媒體完美的結合，帶動了電視制播技術的深刻變革。
由于莆田廣電中心自辦欄目增多，廣告業(yè)務量越來越多，同時對節(jié)目字幕、包裝水平、以及對素材管理水平要求越來越高。為了適應廣播電視事業(yè)的不斷發(fā)展，實現節(jié)目制作網絡化數字化，中心決定組建非編網絡系統(tǒng)。
一 非編網的設計思想
由于媒體競爭越來越激烈，對視頻指標的要求越來越高，我們考慮非線性編輯系統(tǒng)指標要全面超過原來DVCPRO25和DVCAM的水平，接近DVCPRO50和Betacam SX的指標。同時作為經濟實力不強的電視臺，我們必須本著量力而行，經濟實用的指導思想，要求非編系統(tǒng)經濟實用，不能強求最先進，最高端的產品，而優(yōu)先選擇性價比高的產品，減輕資金的壓力。經過了詳細的技術研討、方案論證，認為網絡構建應該重點考慮以下幾個方面。
1. 標準
首先保證系統(tǒng)視音頻指標必須達到廣播級，符合以下標準:
* ITU-R BT.601數字電視編碼標準；
* GY/T 134-1998 數字電視圖像質量主觀評價方法；
* 國家廣播電影電視總局其他有關數字電視設備系統(tǒng)的標準；
* 國家廣播電影電視總局其他有關市級電視臺建設的標準；
* 電視信號錄制質量應符合國家廣電總局相關技術標準。
我們原來線性編緝是DVCAM和DVCPRO 25兩種格式，以DVCPRO 25為例，采用8bit量化，4:1:1取樣，色度的垂直分辨力降低了一半，圖像處理中采用4:1:1格式，取樣頻率的亮度 fy=13.5MHz，色差fPB、R=3.375MHz。從數據率看，轉換成4:1:1后為〔（720＋2×180） ×576×8〕×25≈124.4Mbps，壓縮成25Mbps進行記錄，需要的壓縮比為 124.4Mbps/25Mbps≈5:1，壓縮比率較高，但是信號相對較差。
而DVCPRO 50格式以標準的4:2:2輸入和輸出，4:2:2格式的凈數據率為〔（720＋2×360）×576×8〕×25≈165.9Mbps，壓縮成 50Mbps，壓縮比=165.9Mbps/50Mbps≈3.3:1，能夠保證高畫質圖像。
為使非編網絡系統(tǒng)盡量接近DVCPRO50 、 Betacam SX水平，達到比較良好的視頻效果，同時考慮帶寬壓力，我們非編系統(tǒng)傾向采用MPEG2-I幀 30Mbps碼率結合使用低碼率的MPEG-4格式，以達到較好的視頻指標和有效利用網絡帶寬。
2. 功能
系統(tǒng)必須涵蓋上下載、編輯、播出、媒體資產管理在內的全方位整體解決方案，全面實現從新聞的選題、報題、審批、收錄、上載、編目、檢索、寫稿、粗編、精編、配音、串編、審看、下載、播出、存檔等一系列工作，并把這些業(yè)務過程有機的聯系起來，確保新聞生產的準確、高效和統(tǒng)一。將媒體資產系統(tǒng)與新聞編播網絡無縫接合，在各方面對新聞生產直接產生作用，徹底解決新聞生產過程中素材及資源的檢索困難、再利用復雜、管理不便等的諸多問題，解決了海量多媒體信息的存儲和傳輸問題。
根據莆田廣電中心的節(jié)目設置，自辦欄目有12個，再加上各類型文藝晚會，需要20個工作站點，才能全面滿足日常節(jié)目制作和播出的需求。
3. 安全性、可靠性
系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠，安全有效，各個環(huán)節(jié)必須互相協(xié)調，保證本臺節(jié)目順利播出，同時必須有一定的應急措??須穩(wěn)定，在上下載、編輯、播出、管理等方面確保系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全。采用高碼率為主，并與低碼率編輯相結合的模式，系統(tǒng)在編輯、素材存儲、檢索等各方面，全面采用MPEG-4低碼率素材。低碼率MPEG-4占用帶寬為1Mbps，高碼率MPEG-2 I幀采用30Mbps碼率。 #p#page_title#e#
4. 性價比高
保證節(jié)目制作需要的前提，盡量減少浪費降低成本，減少投入，提高性價比
二 系統(tǒng)組成
圖1是非編網網絡結構圖。系統(tǒng)采用千兆以太網單網結構，以高性能交換機為核心交換設備，工作站依靠NAS網絡文件系統(tǒng)服務器服務器訪問硬盤陣列。節(jié)目上載工作站采集制作素材時只需一次上載，上載同時在存儲系統(tǒng)保存高碼率的MPEG-2 I幀壓縮文件和低碼率的MPEG-4壓縮文件，這兩種文件每一幀互相對應。無卡工作站通過以太網訪問較低碼率的視頻文件，利用軟解壓技術、軟件的視頻特技算法，進行視頻的編輯，如剪接、字幕、配音等。非線制作好的節(jié)目通過轉碼，選用MPEG-2的IBP長幀編碼，碼流設置在10Mbps，上傳到硬盤播出系統(tǒng)中，實現制播一體化。
三 系統(tǒng)技術實現
1. 架構分析
整個節(jié)目需要大約20臺左右的非編，才能滿足各個部門用機的需求，8臺精編工作站，10臺粗編工作站，2臺配音工作站（兼做粗編），按照計算每臺工作站平均2層來算按這樣大概得占用帶寬為：2×（8×30M+12×1M）=504 Mbps。
再考慮音頻系統(tǒng)和網絡效率因素，大約需要的總帶寬為600 Mbps左右就足夠了。
硬盤陣列容量大小按照MPEG2-I幀30兆碼率計算，約需要容納24×30天=720小時的節(jié)目才能滿足節(jié)目需要，這樣需要的容量大約為720×（30/8）=2.7TB，除去容錯盤和20%的冗余量，約需要3.2TB左右。
（1）以太網架構
傳統(tǒng)非編網絡用于電視臺節(jié)目制作和播出一直都采用FC+以太網的雙網結構但由于光纖網絡部署和維護相對復雜，價格昂貴，維護成本相對高。早期千兆以太網由于技術所限，存在千兆利用率較低，端口誤碼率較高的現象，也無法被大范圍推廣。
隨著各種RFC標準的建立，千兆以太網逐步普及化，技術日益成熟，維護成本日漸降低，已經被眾多企事業(yè)單位所廣為采用。千兆以太網的傳輸速率理論值在1000Mbps，實際使用值在500-700 Mbps左右。為了提高帶寬，我們將NAS上的兩塊千兆網卡做了端口聚合，對應的千兆交換機也做了端口聚合，這樣一來千兆以太網的傳輸速率理論值在2G Mbps 。經過測試，實際傳輸速度可達到 1G Mbps 以上，結合服務器的實際情況及視頻傳輸的速率要求，帶寬完全滿足20臺工作站節(jié)目編輯及信號傳輸所需要的600Mbps帶寬。
（2）交換機
考慮到工作站的編輯時直接面對陣列進行讀取，有可能存在陣列的帶寬以及陣列的性能瓶頸，考慮采用Cisco的SLB服務器負載均衡技術，充分實現性能上的最大提升。
思科針對寬帶匯聚提供的服務器負載均衡（SLB）架構是一種性能、規(guī)模和可用性高的下一代架構。結合思科經過驗證的寬帶匯聚產品線――Cisco 7200系列、Cisco 7400系列和Cisco 10000系列路由器及Catalyst 6500系列，Catalyst 3750系列部署這種下一代架構將能夠提高系統(tǒng)的利用??的可用性，從而大幅度地降低成本。提供SLB功能的Catalyst 3750可以被設置為具有一個虛擬服務器IP地址的SLB虛擬服務器，虛擬服務器IP是輸入的L2TP隧道的實際目的地，與配置了"實際" 服務器的服務器群相關聯。
SLB使用一種名為"預測器"的、配置在服務器群中的負載均衡預算算法按照預先定義的間隔監(jiān)控實際的服務器，它配置在SLB實際服務器中。在實現負載均衡的同時，同時實現熱備份，實現端口冗余，避免出現單點故障。
（3）存儲服務器
存儲服務器（NAS）是千兆以太網的管理服務器，網絡中的工作站依靠NAS服務器自動同步素材的文件大小，文件控制表等數據，從而訪問硬盤陣列。事實上，基于NAS的網絡存儲技術出現的比FC SAN還要早，但這種技術最大的問題在于NAS網關通過NFS或CIFS協(xié)議進行網絡文件共享時，效率比較低，且難以保證帶寬的穩(wěn)定性。隨著千兆以太網技術的發(fā)展和TOE網卡的出現，現在的NAS設備已經可以滿足規(guī)模制作系統(tǒng)的業(yè)務需要。TOE（TCP Offload Engine）網卡，可以在維持網絡連接時，將傳統(tǒng)上由CPU負責的TCP/IP協(xié)議的封包拆包、校驗運算等工作轉移到網卡上，由專用處理芯片完成，大幅度降低了系統(tǒng)資源占用，提高了網絡帶寬利用率。它通過自帶的網絡接口把存儲設備直接連入網絡設備中，把應用服務器從繁重的I/O負載中解脫出來，從而獲得更高的存儲效率，具備高容量，高性能，高可靠，具有較好的性價比。 #p#page_title#e#
由于NAS上的兩塊千兆網卡做了端口聚合，理論上千兆以太網的傳輸速率在2000Mbps，可以允許約60路MPEG2-I幀30兆碼率信號同時讀寫硬盤，按照每個工作站兩路視頻計算，可滿足全部30臺工作站同時寫硬盤的需要，（考慮網絡負擔最重的情況，所有站點同時寫硬盤）。實際上由于采用了高低碼流控制，MPEG4占用的碼流只有1Mbps，也是完全可以滿足600 Mbps帶寬的需要，還可留有較大的寬裕度，便于以后擴充工作站。這樣較好的解決了帶寬引起的服務器瓶頸問題，同時兩臺服務器還可起到互相備份的方式，增加網絡運行的安全穩(wěn)定性。
（4）硬盤陣列
硬盤陣列是視頻網絡系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，硬盤陣列的容量、速度、穩(wěn)定性往往決定整個網絡的性能。RAID 5是一種存儲性能、數據安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案，使用Disk Striping（硬盤分割）技術把數據和相對應的奇偶校驗信息存儲到組成RAID5的各個磁盤上，奇偶校驗信息和相對應的數據分別存儲于不同的磁盤上。當RAID5的一個磁盤數據發(fā)生損壞后，利用剩下的數據和相應的奇偶校驗信息去恢復被損壞的數據，支持熱插拔技術硬盤，服務器可以不用關機，直接抽出壞掉的硬盤，換上新的硬盤
作為存儲介質的硬盤陣列系統(tǒng)，內置硬盤有三種：PATA（IDE）、SATA和SCSI。性能方面，PATA總線的最高速度為100MB/s，SATA是150MB/s，SCSI是320 MB/s，PATA和SATA硬盤的平均無故障時間（MTBF）一般為100～120萬小時，而SCSI硬盤的的MTBF一般為120～140萬小時。容量與成本方面，PATA和SATA硬盤已經達到400GB，而計劃上市的SCSI硬盤只達到300GB的水平。而且PATA和SATA硬盤成本更低。顯然，采用SATA硬盤的磁盤陣列系統(tǒng)可以獲得最佳性價比。理論上能以150MB/s的全速直接從硬盤向主系統(tǒng)進行數據傳輸，但是由于受PCI總線的制約：PCI總線位寬為32位，運行頻率一般為33MHz，故此僅能提供32×33/8=133MB/s的峰值帶寬，同時硬盤還要與其他PCI設備共用PCI總線，因此Serial ATA總線理論上的150MB/s帶寬實際上難于達到，大約為133MB/s，即是133×8=1064 Mbps，同時通過多個硬盤的捆綁即可使網絡達到更加可觀的帶寬數值，所以硬盤本身并不會成為網絡帶寬瓶頸。
磁盤陣列箱 Arena SA-7230，平均傳輸率為320（MB/s），即320 MB/s×8=2500Mbps，足以滿足系統(tǒng)所需要的600 Mbps碼率，實際上我們經過實測最少為130 MB/s，130 MB/s×8=1040 Mbps，留有一定寬裕度。12個250GB 7200RPM的硬盤組成陣列，容量為達到250GB×12=3TB，隨著將來的欄目增多，若需要增加硬盤陣列容量可以方便的升級為400GB×12=5TB。同時采用了雙控制器、雙電源、雙風扇互為備份，提高其運行可靠性。SATA存儲陣列具有明顯的價格優(yōu)勢，雖然其帶寬、尋道時間等性能指標不如FC存儲，但通過針對SATA存儲陣列的特點，制定合理的存儲策略、優(yōu)化系統(tǒng)結構提升其性能表現后，不僅滿足了網絡制播系統(tǒng)的存儲要求，也有效地降低了系統(tǒng)構成成本。
（5）非編工作站
編輯系統(tǒng)工作站的配置我們考慮采用CPU+GPU+I/O技術替代原來由硬件板卡完成的功能，CPU負責完成視頻數據的編解碼運算；GPU負責實現視頻特技和合成運算。只有基帶信號的I/O需要通過特定的I/O板卡完成。我們的工作站全部采用NVIDIA GeForce FX 6800高端顯示卡，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專業(yè)版卡完成各種視頻特技合成效果。NVIDIA GeForce FX 6800顯示卡能提供驚人的繪圖效率，32位著色精準度、位移貼圖，幾何坐標引用，支持Pixel Shader 3.0，內載視頻處理器，不僅擁有高清晰度視頻解碼能力，同時也是有史以來第一顆片載視頻編碼器的GPU，擁有硬件級的視頻編碼/解碼能力，達到廣播級的指標，保證節(jié)目制作。
CPU+GPU+I/O卡技術在極大提升編輯系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性和性能價格比的同時，充分利用了軟件的靈活可升級特性，實現編輯系統(tǒng)的功能擴充和性能提升。采用幀緩沖技術，防止播放丟幀，避免了因為網絡傳輸的發(fā)包中斷給制作，播出系統(tǒng)造成的影響。在網絡帶寬抖動比較嚴重的情況，系統(tǒng)還可以通過改變緩沖區(qū)的大小避免溢出的發(fā)生，從而極大地彌補在下午繁忙時段可能因為帶寬的不足而引起的斷幀，保證節(jié)目的穩(wěn)定流暢。 #p#page_title#e#
選用MPEG-2 I 幀4:2:2P@ML 30Mbps碼率的格式作為素材上載，可實現高質量的多代復制；編輯采用高壓縮比的MPEG-4進行編輯，添加各種特技效果后，到有卡站點進行合成輸出成MPEG-2格式節(jié)省帶寬，后經轉碼系統(tǒng)轉碼采用MPEG-2 IBP 10Mbps碼率的視音頻格式至硬盤播出系統(tǒng)編排播出，既保證優(yōu)異的電視播出信號質量，又提高了視音頻數據壓縮效率，節(jié)約了大量的存儲空間。這樣非編網制作節(jié)目經過編輯合成后，通過播出上載機，最后由硬盤播出系統(tǒng)編排播出。
本著高效實用的原則，綜合考慮各種因素，經過多方對比分析，最后我們決定采用基于最新的千兆銅纜（GoC）技術的千兆以太網架構，采用CPU+GPU+I/O，幀緩沖技術等關鍵性技術構建我臺的非線性編輯系統(tǒng)。
2. 設備選型
選用思科CISCO 3750G-24T 24口千兆以太網交換機，Dell PowerEdge 2850專業(yè)服務器，配置2顆高端的CPU Xeon 3.0GHz， 內存 2GB DDR2，以滿足網絡接入骨干連接需求。采用Dell PowerEdge 1850專用存儲服務器，采用雙內核英特爾至強處理器，配置2顆CPU Xeon 3.0GHz，800MHz系統(tǒng)總線，其運算、網絡數據傳輸和磁盤讀取性能比較均衡，適合高性能和高密度部署需要兼顧的用戶選用，支持SCSI 硬盤熱插拔功能，系統(tǒng)安裝Windows 2000 Server，通過數據庫軟件SQL SERVER2000實現對中心存儲器的數據訪問。磁盤陣列箱 采用Arena SA-7230，帶寬為640Mbps，足以滿足MPEG2-I幀30Mbps碼率信號，有卡工作站配置HP DC7100 配置P4 3.4GHz CPU， NVIDIA GeForce FX 6800顯示卡，無卡工作站配置HP DC7100，配置一顆P4 3.4GHz CPU這樣可大大降低帶寬的開銷，節(jié)約帶寬資源。
數字有卡站點配備DVCAM，部分配置DVPRO25，采用SDI接口上下載，按ITU-R BT601-2 數字分量演播室標準，10bit信號，傳送比特率為270Mbps，通過75歐姆同軸電纜在短距離內發(fā)送未經壓縮的數字視頻信號，同時包含音頻信號，簡化了系統(tǒng)內部不同格式數據之間的轉換。兩臺模擬站點配置BETCAM SP 系列機，使用分量接口，一臺配置VO-9800，用于早期的資料上載，這樣使??卡站點配置藍光驅動器，采用1394接口上載藍光素材，藍光上載比例為30:1，縮短時間，加快了工作效率。
同時我們還配備兩臺Apple G5包裝工作站，安裝Final Cut Pro HD Retail，非編軟件/Soundtrack Pro音頻處理軟件，Shake4包裝特效軟件 ，用于后期特效制作及節(jié)目包裝，素材輸入輸出通過TGA序列或MPEG2-I等格式實現與非編網的連接。
最后我們采用SANerey3.2在同時有4臺工作站讀寫的測試環(huán)境下，實測數據為：寫測試為25MB/s~35MB/s，讀測試，35MB/s~40MB/s，這樣8臺精編最多占用40×2MB/s ×8=640Mbps。粗編工作站采用低碼率，占用帶寬很小，大約只有20Mbps，另外音頻信號文件很小，不會給帶寬總量帶來很大的影響。從實際工作經驗出發(fā)，網絡中同時并發(fā)的流量的概率是很低的，而且即使出現同時并發(fā)的流量，8臺工作站共享1G的帶寬，對實際應用不會產生影響 ，我們設計的網絡完全滿足要求。
四 結束語
經過近一年來的運行證明，全臺兩個頻道12個欄目在非編網上進行節(jié)目制作，每天播出總時長約在18到20個小時之間，原先所擔心的在繁忙時段可能出現因網絡帶寬不夠而導致的丟幀掉幀問題得到了根本解決，至今網絡的運行狀況非常良好。系統(tǒng)結構實現方案設計書中確定的目標，各設備有一定的富裕量以方便站點的擴容需要，系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地運行，實現了資源共享，監(jiān)控管理和調度切換更加方便，提高了效率和質量，降低了制作成本，很好地實現了網絡化，數字化。
