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发信人: dormouse (出征 V 号带飘扬), 信区: Communication
标  题: Fibre Channel技术在构建数字视频网时的考虑
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月20日21:38:57 星期三), 站内信件

Fibre Channel技术在构建数字视频网时的考虑 
    鉴于数字视频网络的种种优势，全世界广电业的同行就视频编辑中使用网络已
达成了共识。但是，究竞采取何种网络解决方案，又采用什么样的技术呢? 

一 目前可应用到非线性编辑的高速网络形式 

1．ATM异步传输模式
    ATM是近10年来最重要的网络技术之一，ATM承诺要把LAN功能、WAN 功能、语
音、视频和数据等集成进单一的协议。尽管如此，ATM仍具有独自的特点。 速度：
ATM支持高达622Mbps的传输速率； 

扩展能力： ATM允许在现有的结构中增加带宽和端口密度；


专用带宽： 它保证了业务应用的连贯性，该业务在共享技术中是不可用的；


广泛的应用：ATM提供了端点到解决方案的潜能，意思是以桌面系统到局域网、到
主干网、以及WAN均可使用ATM。 ；


2．千兆以太网 
    千兆以太网足新兴的一项技术，但由于以太网本身的特点，不太适合于固定数
 据的传输，如视频的采集和播放，而更适合于变化数据流的传输，如数据库、文
件拷贝等。但该技术正在逐渐成熟起来，基于以太网的视频传输协议正在出现，所
以如此应用广泛，价格低廉的以太网可以用于视频行业。 


3．串行HIPPI
     HIPPI起源于超级计算机组成的LAN互联的原始需求，1991年通过ANSI标 准。
HIPPI已被看成一种优异的点对点，庞大文件传送体制。它可以提供数字视频所要
求的信息吞吐量，但具有成本高、所需电缆铺设麻烦等缺点。


4．SSA 
    信道包括调制器，发射机，天线，接收天线和解调器以及发射机和接收机之间
的中转部分。通常最不受控制的就是传输途径。传输路径将引入宽带噪声或者高斯
噪声，以及由于闪电引起的脉冲噪声等,这两种效应都能通过误码矫正来处理。卷
积内码抗噪声性能很好，而交织的里德-索罗门码可以解决突发误码。 


5．Fibre Channel 
     Fibre Channel技术是ANSI为网络和通道I／O接口建立的一个标准集成。支持
HIPPI，IPI，SCSI，IP，ATM等多种高级协议，它的最大特性是将网络和设备的通
讯协议与传输物理介质隔离开．这样多种协议可在同一个物理连接上同时传送， 
高性能存储体和宽带网络使用单一I／0接口使得系统的成本和复杂程度大大降低。
 它采用仲裁环式拓扑结构，出于实时传输视频数据的需要，以最高画质的数据流
来计算，一个用户级仲裁环可容纳4-12个用户稳定运行。如通过Switch扩充至交换
仲裁复用结构则可将用户扩很多。它使用全双工串行通讯原理传输数据，传输速率
高达1062．5Mbps，Fibre Channel的最大数据传输速度为100MB／S，双环可达
200MB／S，使用同轴线传输距离为30M，使用单模光纤传输距离可达10公里以上。
光纤通道支持多种拓扑结构拓扑结构，主要有：点到点（Links）、仲裁环（
FC-AL）、交换式网络结构（Fabrics）。 


a．FC的特点
    ①光纤通道既具有单通道的特点，又具有网络的特点，它是把设备连接到网络
结构上的一种高速通道。而这种网络结构描述了连接两套设备的单条电缆以及连接
许多设备的交换机产生网状结构。
    ②光纤通道最大优点是速度快，它可以给计算机设备提供接近于设备处理速度
的
      吞吐量。
    ③光纤通道与协议无关，它有很好的通用性，是一种通用传输机制。适用范围
广， 可提供多性价比的系统，从小系统到超大型系统 ，支持存在的多种指令集，
如IP、SCSI、IPI 

      如表：光纤通道规范定义的各种类型媒介支持的最大网络长度。
 132．8Mbps  265．6Mbp 531．25Mbps  1．062Gbps  
单模光纤  10KM 10KM  10KM  10KM 
50mm多模光纤  不适用 2KM  2KM  不适用  
62．5mm多模光纤 500M lKM  不适用  不适用 
同轴电缆 40M  30M  20M 10M  
屏蔽双绞线 100M  50M 不适用  不适用  

   

b．FC的结构：


    FC(光纤通道)结构定义为多层功能级，但是所分的层不能直接映射到OSI模型
的层上。FC(光纤)通道的五层定义为：物理媒介和传输速率、编码方式、帧协议和
流控制、公共服务以及上级协议（ULP）接口。


1) FC-0：
    FC-0是物理层底层标准。FC-0层定义了连接的物理端口特性，包括介质和连接
器（驱动器、接收机、发送机等）的物理特性、电气特性和光特性、传输速率以及
其它的一些连接端口特性。物理介质有光纤、双绞线和同轴电缆。带有ECL的铜芯
同轴电缆，用于高速、短距离传输。双绞线用于25MB/s数据传输，距离可达50米。
带有激光和LED传导的光纤，用于长距离的传输，光纤通道的数据误码率低于
10-12，它具有严格的抖动容许规定和串行I/O电路能够进行正常管理的其他一些电
气条件。 

2) FC-1（传输协议）


    FC-1根据ANSI X3T11标准，规定了8B/10B的编码/解码方式和传输协议，包括
串行编码、解码规则、特殊字符和错误控制。传输编码必须是直流平衡以满足接收
单元的电气要求。特殊字符确保在串行比特流中出现的是短字符长度和一定的跳变
信号，以便时钟恢复。8B/10B码在现实中的应用是稳定和简单的。


3) FC-2（帧协议）：


    FC-2层定义了传输机制、包括帧定位、帧头内容、使用规则以及流量控制等。
光纤通道数据帧长度可变，可扩展地址。用于传输数据的光纤通道数据帧长度最多
达到2K，因此非常适合于大容量数据的传输。帧头内容包括控制信息、源地址、目
的地址、传输序列标识和交换设备等。64字节可选帧头用于其它类型网络在光纤通
道上传输时的协议映射。光纤通道依赖数据帧头的内容来引发操作，如把到达的数
据发送到一个正确的缓冲区里。


4) FC-3（公共服务）：


    提供高级特性的公共服务，即端口间的结构协议和流动控制，它定义了三种服
务：条块化（Striping）、搜索组（Hunt　Group）和多路播放（Broadcast　
Multicast）。条块化的目的是为了利用多个端口在多个连接上并行传输，这样传
输带宽能扩展到相应的倍数。搜索组用于多个端口去响应一个相同名字地址的情况
，它通过降低到达"占线"的端口的概率来提高效率。多路播放用于将一个信息传递
到多个目的地址。


5) FC-4（ULP映射）：


    它是光纤通道标准中定义的最高等级，固定了光纤通道的底层跟高层协议（
ULP）之间的映射关系以及与现行标准的应用接口，这里的现行标准包括现有的所
有通道标准和网络协议，如SCSI接口和IP、ATM、HIPPI等。

二 基于FC的SAN结构网络


    传统的局域网(LAN)如100M以太网等都是非面向连接的，它们通过将地址信息
打入包内，然后按规定路线发送的方式完成网络传输的。为了管理网络协议。 这
种网络型的互连方案都需要较大的软件开销。它一方面限制了系统带宽，另一方面
造成了较大的延迟，不适合实时视音频互连，而且这类方案对于存储体的共享是不
直接的，客户端对于服务器存储体的共亨是需要通过服务器来进行的．而Fibre 
Channel网(以下简称FC)是高带宽的直接面向存储体的网络。 在所连接的设备之间
，如计算机的处理器和外围设备，通道连接要么提供点到点的直接连接，要么提供
交换的点到点连接。通道的作用在要领上并不复杂：其目的是尽可能快地把数据从
A点传送到B点。目的地的地址不仅是预先确定的，而且两点是用实际线路连起来的
，数据除了去目的地之外不可能去其他任何地方。纠错过程简单，可由硬件完成。
另外，也不进行路由选择和地址分辨，原因是不需要这些功能。因此，数据分组中
不需要携带任何地址和纠错信息，分组开销很小。由于它们的点到点的性质和有限
的处理要求，通道连接大多足以硬件实现的。


    而传统的以太网络连接取决于寻址方案的多点连接，该寻址方案能保证数据到
 达正确的目的地。沿着某一条网络连接传输的各个数据分组必须包含一个地址，
网络中的各个设备均根据该地址确定分组是否正确。网络连接一般都具有相对复杂
的误码探测和纠错能力，因此分组前端必须包含地址和误码纠错信息，这就使得分
组 开销较单通道连接高。另外，网络连接能够支持路由选择等功能，而简单地单
通道不支持这些操作。 光纤通道既具有单通道的特点，又具有网络的特点，它是
把设备连接到网络结构上的一条高速通道。网络结构描述了网络连接的模型，该模
型具有连接两套设备的单条电缆到连接许多设备的一台交换机产生的网状结构。这
种结构比采用集线器、环路、主计算机和交换机等设备的组合要完美得多，它根据
不同情况实现特定的结构，以达到支持应用程序的目的。在任何情况下，就某个单
光纤通道端口而言，无论网络结构多么复杂，它只负责工作站和网络结构之间的一
条简单的点到点的连接，可以避免大流量数据传输时发生组塞和冲突，非常适合高
速和不间断视频数据流的传送。


    另外，在传统的基于SCSI技术的存储方式中，磁盘上的数据是服务器的专有资
源，存储任务依赖于服务器及其所挂接的LAN。由于这种技术本身的局限性以及存
储任务对网络带宽的消耗越来越多，并行SCSI技术已渐渐不能够满足客户存储的需
求。而SAN的推出首先使服务器同存储阵列之间的连接方式发生了根本性的变革，
基于Fibre Channel（同时具备网络和通道特性，能够以千兆位速度进行数据传输
的技术）的SAN改变了传统服务器与磁盘阵列的主从关系。位于SAN上所有设备均处
于平等的地位，任何一台服务器均可存取网络上任何一台存储设备，通过Fibre 
Channel高带宽和强大的I/O处理能力，SAN技术在可连接性、可扩展性以及性能方
面解决了SCSI技术无法解决的问题，成为存储领域具有强大生命力的新技术。 


    再者，在具体存储应用方式上，对于一个IT机构或部门来讲，传统的存储是在
LAN上进行，大大占用了LAN的带宽资源，另外由于这种传统的存储方式多是在以太
网上以TCP/IP协议传输数据，在层层打包之后资源会有较大的开销。由于在SAN存
储网络设计方式中，文件传输是直接在界面卡(SCSI、SSA、FC-AL)与存储设备进行
交互，无须经过网络传输，此时原先数据传输所占用的网络带宽，可大大被释放。
SAN也支持IP协议，但由于其针对存储数据传输的特点进行设计，当需要有大量或
者大块的数据在SAN上进行传输时，基于F C的传输技术更有优势，当客户端在LAN
上请求来自服务器的数据时，服务器将在SAN上的存储设备中检索数据，由于这种
方式对数据的处理没有IP打包方面的开销，所以能够更有效的提交数据。
    例如AVID公司生产的后期制作网是一个典型的FC-SAN结构(光纤通道存储区域
网),这个网络体现了SAN的最大特点是网络中工作站接点与存储器最直接的连接。
这样才能达到最快访问速度的目的。


    图中的非线性工作站分别可以是相同或不同档次的系统，如AvidXpess 或
MediaComposer1000/9000。网络结构中还包括16-Port　Fabric Switch, FC磁盘阵
列。系统可依据节目的不同要求，将FC磁盘阵列分为不同的JBOD存储阵列，并按以
不同的视频压缩比来存储素材。每个工作站都独立于中央磁盘阵列工作，装有可插
拔FC网卡。系统包括一个Unity MediaNet File Maneger工作站，对系统进行监控
和管理。 


    可以看出系统采用SAN结构克服了媒体访问方面各种速度瓶颈。（服务器及复
杂网络协议）。用户在网上任一工作站通过访问共享中央存储体得到素材信息。避
免了服务器方式的瓶颈效应。传统采取服务器为中心的存储体系，存储体系是服务
器的一部分，数据的输入输出由服务器负责。客户机提出访问资料的请求，服务器
读取资料，并以小的数据包通过网络向客户计算机仲裁和分发文件及数据，其CPU
的大部分时钟周期用于仲裁和控制数据流，为了发送请求数据，客户计算机必须等
待文件服务器的处理。服务器最优先考虑的不是速度，而是向客户计算机发送的数
据包组织。在这种存储系统中，所有访问通过服务器进行。SAN最大特点是网络中
工作站接点与存储器是最直接的连接。以达到最快访问速度的目的。SAN结构通常
强调网络的通道特性和直接共享特性。 


    1、 整个系统中，有光纤和铜缆两种传输介质。 其传输速度是相当的，差别
在距离，硬盘阵列通常在与SWITCH放在相邻的位置，所以SWITCH和硬盘阵列间用铜
缆。工作站位置变化较大，同时考虑到FC网卡的统一性，SWITCH与工作站间使用光
纤连接。


    2、 整个系统中，有光纤和铜缆两种传输介质。 其传输速度是相当的，差别
在距离，硬盘阵列通常在与SWITCH放在相邻的位置，所以SWITCH和硬盘阵列间用铜
缆。工作站位置变化较大，同时考虑到FC网卡的统一性，SWITCH与工作站间使用光
纤连接。


    3、 整个系统最大可采用5TB的硬盘阵列，硬盘阵列分成若干个虚拟工作区，
工作区的大小可以动态分配，在工作中不需要关机和重新格式化，用鼠标即可随时
扩大任意一个存储区，这样即充分利用了硬盘，又提高了传输速度，可带最多24个
工作站。 


    4、 在整个FC网中，可以跨平台地将所有AVID设备有效地连接起来，包括
Macintosh平台，Windows NT平台和SGI平台。在文件系统上，使用OMF格式为整个
系统提供一种共同的文件格式，使跨设备的文件可进行共享。 


    5、 该系统的软件允许每个用户在中央磁盘阵列组中分配存储单元和设计用户
组，设置参数，和对数据及工作项目进行保护。用户可以设置或不设置存储工作项
目卷，限制其它用户读写权利，防止其它用户进入。 
        1) 存储系统：要具备管理海量磁盘阵列存储器的能力，将来也可以是光
盘或数据流磁带。
        2) 硬件连接：包括SAN体系结构中的互连线路，如光纤、铜缆、SWITCH、
HUB等。如果要达到高性能的SAN操作，还必须对控制光纤通道网络设备软件进行工
程设计，要充分考虑网上各种设备的性能和特点，避免相互连通时出现瓶颈



        3) 管理软件：系统的管理软件很重要，它将存储系统与网络互连设备有
机而智能地连接在一起。 


        4) 文件系统：为整个系统提供一种共同的语言，给存储区域网上所有设
备实现互相通讯的方法以及共同遵循的操作协议，防止相互冲突，并保证数据可靠
安全地运行。 

三 关于FC网的几点考虑

    1．FC（Fibre Channel）网和双网架构的优劣。。
    从图5可看出，VSB让一个边带全部通过，而另一个边带只残留了一部分余迹。
VSB比SSB（单边带）带宽多一部分，因此其频谱利用率降低。降低量由滚降系数α
决定。一般，滚降系数α取值0.1～0.25，它表示残留边带占信号边带的多少。这
里，取α为0.12，可得8VSB的带宽利用率为
    实际而言，对他们的比较是没有太大意义的。FC网是一种直接面对存储体的光
纤通道网络。它既具通道的特点，又具网络的特性。事实上可以把它简单的看作是
由多个终端设备通过交换机与中央存储器相连的网络结构。FC网的单通道能够提供
100M字节的速度，双通道则为200M字节速度，它所提供的传输带宽从266MB/S到
4GB/S不等，支持超过10KM的传输距离，完全能够满足视音频的互连和数据的管理
。FC网一般采用的"仲裁环"结构能接8个左右的客户端，若采用基于SWITCH的交换
仲裁复用结构，客户端的数量可扩充至1600万个。
    而以太网是一种典型的传统局域网，它最大的特点是共享数据资源，各工作站
之间易于传递信息，成本较低。但目前由于网络协议的限制，对于传输连续高速的
多媒体数据流有着先天不足。那么在以太网与FC网相结合的双网结构中，FC网提供
实时的广播级视音频数据访问，以太网提供低质量视频信号的传输并提供数据的管
理，二者的结合构成了性能/价格比较高的节目制播网，所以成为当前广播电视界
应用最为广泛的网络方案。 
    在被抑制的载波频率处，及高低端边界310KHZ处，要加上一个导频信号，此导
频信号在VSB接收机中用于载波锁定，导频信号功率使总功率增加了0.3dB，有助于
降低实施中的损耗。而且由于导频信号位于同频道NTSC信号的残留边带区域内，对
NTSC不产生同频道干扰。生成的基带信号转换成模拟形式（D／A转换器），然后调
制到正交的中频载波，并用边带消除法（相位法）生成残留边带的中频信号。中频
载波的标称频率为46.69MHz，等于中频中心频率（44MHz)加上符号除4（10.
762MHz／4＝2.6905MHz） 
     2．FC（Fibre Channel）网的容量。 

    我们说FC（Fibre Channel）网究竟能接多少站点， 其瓶颈或者说制约因素有
几方面？
    （1）Fibre Channel是一种高性能的基于光纤通道的互联标准，是专为台式工
作站、海量存储子系统，外围设备和主机系统之间双向点对点的串行数据通道而设
计的，传输速率比现行网络0传输速率高很多，其标称数据传输率为1000Mb/s,而压
缩比为4：1的视频数据率约为40 Mb/s，从理论上讲，Fibre Channel可以支持约
25台实时视频工作站，但由于系统管理开销、硬件（网卡、Switch、HUB、硬盘阵
列控制器等）设计水平等因素的影响，Fibre Channel的实际数据率约为700Mb/s左
右，因此实际应用中连入Fibre Channel的视频工作站数量不应超过17台（所采用
的视频数据压缩比变化时，这个数量也会变化）。这是对于一个用户级（即以一台
SWITCH连接的结构中）的情况，而对于多个用户级，以多台SWITCH做复式级联，则
会大大增加用户站点。有资料讲可以连接1600万个，这里需要注意的是，多台
SWITCH的复式级联必然带来信号在SWITCH中的延迟，这一点是在搭建FC网络时需要
注意的。 
      （2）来自硬盘阵列的I/O能力的限制。就目前而言，高速Ultra SCSI硬盘的
理论I/O能力为40MB／S，实际上只能达到30 MB／S甚至更低，而无压缩的视频流的
码率8bit时为20 MB／S，10bit时为25 MB／S，所以硬盘阵列的I/O能力限制了工作
站点的数量。 

             四 综 述
    FC-SAN技术使磁盘阵列等存储设备集群通过FC以高传输速率与服务器集群相连
，使集群技术的应用成为现实，从而推动了网络管理技术的发展，提高了网络的性
能，降低了系统造价。而且FC-SAN技术在大容量、高速度、高可靠性要求的场合有
一定的优势，其无缝扩容、集中化管理等诸多优点，给用户的使用提供了极大的灵
活性。相信随着计算机以及网络技术的飞速发展，FC-SAN技术在构建数字视频网的
领域内必将大有作为。 


 

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    I am dormouse.    我是睡鼠
    too lazy.

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