中小电视台非编网络带宽设计与构建

视频非线性编辑充分运用数字处理技术的研究成果大大丰富了电视创作的手段，改进了节目质量并提高了制作效率。数字化与计算机多媒体完美的结合，带动了电视制播技术的深刻变革。

    由于莆田广电中心自办栏目增多，广告业务量越来越多，同时对节目字幕、包装水平、以及对素材管理水平要求越来越高。为了适应广播电视事业的不断发展，实现节目制作网络化数字化，中心决定组建非编网络系统。

    一 非编网的设计思想

    由于媒体竞争越来越激烈，对视频指标的要求越来越高，我们考虑非线性编辑系统指标要全面超过原来DVCPRO25和DVCAM的水平，接近DVCPRO50和Betacam SX的指标。同时作为经济实力不强的电视台，我们必须本着量力而行，经济实用的指导思想，要求非编系统经济实用，不能强求最先进，最高端的产品，而优先选择性价比高的产品，减轻资金的压力。经过了详细的技术研讨、方案论证，认为网络构建应该重点考虑以下几个方面。

    1. 标准

    首先保证系统视音频指标必须达到广播级，符合以下标准:

    * ITU-R BT.601数字电视编码标准；

    * GY/T 134-1998 数字电视图像质量主观评价方法；

    * 国家广播电影电视总局其他有关数字电视设备系统的标准；

    * 国家广播电影电视总局其他有关市级电视台建设的标准；

    * 电视信号录制质量应符合国家广电总局相关技术标准。

    我们原来线性编缉是DVCAM和DVCPRO 25两种格式，以DVCPRO 25为例，采用8bit量化，4:1:1取样，色度的垂直分辨力降低了一半，图像处理中采用4:1:1格式，取样频率的亮度 fy=13.5MHz，色差fPB、R=3.375MHz。从数据率看，转换成4:1:1后为〔（720＋2×180） ×576×8〕×25≈124.4Mbps，压缩成25Mbps进行记录，需要的压缩比为 124.4Mbps/25Mbps≈5:1，压缩比率较高，但是信号相对较差。

    而DVCPRO 50格式以标准的4:2:2输入和输出，4:2:2格式的净数据率为〔（720＋2×360）×576×8〕×25≈165.9Mbps，压缩成 50Mbps，压缩比=165.9Mbps/50Mbps≈3.3:1，能够保证高画质图像。

    为使非编网络系统尽量接近DVCPRO50 、 Betacam SX水平，达到比较良好的视频效果，同时考虑带宽压力，我们非编系统倾向采用MPEG2-I帧 30Mbps码率结合使用低码率的MPEG-4格式，以达到较好的视频指标和有效利用网络带宽。

    2. 功能

    系统必须涵盖上下载、编辑、播出、媒体资产管理在内的全方位整体解决方案，全面实现从新闻的选题、报题、审批、收录、上载、编目、检索、写稿、粗编、精编、配音、串编、审看、下载、播出、存档等一系列工作，并把这些业务过程有机的联系起来，确保新闻生产的准确、高效和统一。将媒体资产系统与新闻编播网络无缝接合，在各方面对新闻生产直接产生作用，彻底解决新闻生产过程中素材及资源的检索困难、再利用复杂、管理不便等的诸多问题，解决了海量多媒体信息的存储和传输问题。

    根据莆田广电中心的节目设置，自办栏目有12个，再加上各类型文艺晚会，需要20个工作站点，才能全面满足日常节目制作和播出的需求。

    3. 安全性、可靠性

    系统必须稳定可靠，安全有效，各个环节必须互相协调，保证本台节目顺利播出，同时必须有一定的应急措??须稳定，在上下载、编辑、播出、管理等方面确保系统的稳定、安全。采用高码率为主，并与低码率编辑相结合的模式，系统在编辑、素材存储、检索等各方面，全面采用MPEG-4低码率素材。低码率MPEG-4占用带宽为1Mbps，高码率MPEG-2 I帧采用30Mbps码率。 #p#page_title#e#

    4. 性价比高

    保证节目制作需要的前提，尽量减少浪费降低成本，减少投入，提高性价比

 

二 系统组成

 

    图1是非编网网络结构图。系统采用千兆以太网单网结构，以高性能交换机为核心交换设备，工作站依靠NAS网络文件系统服务器服务器访问硬盘阵列。节目上载工作站采集制作素材时只需一次上载，上载同时在存储系统保存高码率的MPEG-2 I帧压缩文件和低码率的MPEG-4压缩文件，这两种文件每一帧互相对应。无卡工作站通过以太网访问较低码率的视频文件，利用软解压技术、软件的视频特技算法，进行视频的编辑，如剪接、字幕、配音等。非线制作好的节目通过转码，选用MPEG-2的IBP长帧编码，码流设置在10Mbps，上传到硬盘播出系统中，实现制播一体化。

    三 系统技术实现

    1. 架构分析

    整个节目需要大约20台左右的非编，才能满足各个部门用机的需求，8台精编工作站，10台粗编工作站，2台配音工作站（兼做粗编），按照计算每台工作站平均2层来算按这样大概得占用带宽为：2×（8×30M+12×1M）=504 Mbps。

    再考虑音频系统和网络效率因素，大约需要的总带宽为600 Mbps左右就足够了。

    硬盘阵列容量大小按照MPEG2-I帧30兆码率计算，约需要容纳24×30天=720小时的节目才能满足节目需要，这样需要的容量大约为720×（30/8）=2.7TB，除去容错盘和20%的冗余量，约需要3.2TB左右。

    （1）以太网架构

    传统非编网络用于电视台节目制作和播出一直都采用FC+以太网的双网结构但由于光纤网络部署和维护相对复杂，价格昂贵，维护成本相对高。早期千兆以太网由于技术所限，存在千兆利用率较低，端口误码率较高的现象，也无法被大范围推广。

    随着各种RFC标准的建立，千兆以太网逐步普及化，技术日益成熟，维护成本日渐降低，已经被众多企事业单位所广为采用。千兆以太网的传输速率理论值在1000Mbps，实际使用值在500-700 Mbps左右。为了提高带宽，我们将NAS上的两块千兆网卡做了端口聚合，对应的千兆交换机也做了端口聚合，这样一来千兆以太网的传输速率理论值在2G Mbps 。经过测试，实际传输速度可达到 1G Mbps 以上，结合服务器的实际情况及视频传输的速率要求，带宽完全满足20台工作站节目编辑及信号传输所需要的600Mbps带宽。

 

（2）交换机

    考虑到工作站的编辑时直接面对阵列进行读取，有可能存在阵列的带宽以及阵列的性能瓶颈，考虑采用Cisco的SLB服务器负载均衡技术，充分实现性能上的最大提升。

    思科针对宽带汇聚提供的服务器负载均衡（SLB）架构是一种性能、规模和可用性高的下一代架构。结合思科经过验证的宽带汇聚产品线――Cisco 7200系列、Cisco 7400系列和Cisco 10000系列路由器及Catalyst 6500系列，Catalyst 3750系列部署这种下一代架构将能够提高系统的利用??的可用性，从而大幅度地降低成本。提供SLB功能的Catalyst 3750可以被设置为具有一个虚拟服务器IP地址的SLB虚拟服务器，虚拟服务器IP是输入的L2TP隧道的实际目的地，与配置了"实际" 服务器的服务器群相关联。

    SLB使用一种名为"预测器"的、配置在服务器群中的负载均衡预算算法按照预先定义的间隔监控实际的服务器，它配置在SLB实际服务器中。在实现负载均衡的同时，同时实现热备份，实现端口冗余，避免出现单点故障。

    （3）存储服务器

    存储服务器（NAS）是千兆以太网的管理服务器，网络中的工作站依靠NAS服务器自动同步素材的文件大小，文件控制表等数据，从而访问硬盘阵列。事实上，基于NAS的网络存储技术出现的比FC SAN还要早，但这种技术最大的问题在于NAS网关通过NFS或CIFS协议进行网络文件共享时，效率比较低，且难以保证带宽的稳定性。随着千兆以太网技术的发展和TOE网卡的出现，现在的NAS设备已经可以满足规模制作系统的业务需要。TOE（TCP Offload Engine）网卡，可以在维持网络连接时，将传统上由CPU负责的TCP/IP协议的封包拆包、校验运算等工作转移到网卡上，由专用处理芯片完成，大幅度降低了系统资源占用，提高了网络带宽利用率。它通过自带的网络接口把存储设备直接连入网络设备中，把应用服务器从繁重的I/O负载中解脱出来，从而获得更高的存储效率，具备高容量，高性能，高可靠，具有较好的性价比。 #p#page_title#e#

    由于NAS上的两块千兆网卡做了端口聚合，理论上千兆以太网的传输速率在2000Mbps，可以允许约60路MPEG2-I帧30兆码率信号同时读写硬盘，按照每个工作站两路视频计算，可满足全部30台工作站同时写硬盘的需要，（考虑网络负担最重的情况，所有站点同时写硬盘）。实际上由于采用了高低码流控制，MPEG4占用的码流只有1Mbps，也是完全可以满足600 Mbps带宽的需要，还可留有较大的宽裕度，便于以后扩充工作站。这样较好的解决了带宽引起的服务器瓶颈问题，同时两台服务器还可起到互相备份的方式，增加网络运行的安全稳定性。

    （4）硬盘阵列

    硬盘阵列是视频网络系统中非常重要的一个环节，硬盘阵列的容量、速度、稳定性往往决定整个网络的性能。RAID 5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案，使用Disk Striping（硬盘分割）技术把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据，支持热插拔技术硬盘，服务器可以不用关机，直接抽出坏掉的硬盘，换上新的硬盘

作为存储介质的硬盘阵列系统，内置硬盘有三种：PATA（IDE）、SATA和SCSI。性能方面，PATA总线的最高速度为100MB/s，SATA是150MB/s，SCSI是320 MB/s，PATA和SATA硬盘的平均无故障时间（MTBF）一般为100～120万小时，而SCSI硬盘的的MTBF一般为120～140万小时。容量与成本方面，PATA和SATA硬盘已经达到400GB，而计划上市的SCSI硬盘只达到300GB的水平。而且PATA和SATA硬盘成本更低。显然，采用SATA硬盘的磁盘阵列系统可以获得最佳性价比。理论上能以150MB/s的全速直接从硬盘向主系统进行数据传输，但是由于受PCI总线的制约：PCI总线位宽为32位，运行频率一般为33MHz，故此仅能提供32×33/8=133MB/s的峰值带宽，同时硬盘还要与其他PCI设备共用PCI总线，因此Serial ATA总线理论上的150MB/s带宽实际上难于达到，大约为133MB/s，即是133×8=1064 Mbps，同时通过多个硬盘的捆绑即可使网络达到更加可观的带宽数值，所以硬盘本身并不会成为网络带宽瓶颈。

    磁盘阵列箱 Arena SA-7230，平均传输率为320（MB/s），即320 MB/s×8=2500Mbps，足以满足系统所需要的600 Mbps码率，实际上我们经过实测最少为130 MB/s，130 MB/s×8=1040 Mbps，留有一定宽裕度。12个250GB 7200RPM的硬盘组成阵列，容量为达到250GB×12=3TB，随着将来的栏目增多，若需要增加硬盘阵列容量可以方便的升级为400GB×12=5TB。同时采用了双控制器、双电源、双风扇互为备份，提高其运行可靠性。SATA存储阵列具有明显的价格优势，虽然其带宽、寻道时间等性能指标不如FC存储，但通过针对SATA存储阵列的特点，制定合理的存储策略、优化系统结构提升其性能表现后，不仅满足了网络制播系统的存储要求，也有效地降低了系统构成成本。

    （5）非编工作站

    编辑系统工作站的配置我们考虑采用CPU+GPU+I/O技术替代原来由硬件板卡完成的功能，CPU负责完成视频数据的编解码运算；GPU负责实现视频特技和合成运算。只有基带信号的I/O需要通过特定的I/O板卡完成。我们的工作站全部采用NVIDIA GeForce FX 6800高端显示卡，代替传统的专业版卡完成各种视频特技合成效果。NVIDIA GeForce FX 6800显示卡能提供惊人的绘图效率，32位着色精准度、位移贴图，几何坐标引用，支持Pixel Shader 3.0，内载视频处理器，不仅拥有高清晰度视频解码能力，同时也是有史以来第一颗片载视频编码器的GPU，拥有硬件级的视频编码/解码能力，达到广播级的指标，保证节目制作。

    CPU+GPU+I/O卡技术在极大提升编辑系统的兼容性、稳定性和性能价格比的同时，充分利用了软件的灵活可升级特性，实现编辑系统的功能扩充和性能提升。采用帧缓冲技术，防止播放丢帧，避免了因为网络传输的发包中断给制作，播出系统造成的影响。在网络带宽抖动比较严重的情况，系统还可以通过改变缓冲区的大小避免溢出的发生，从而极大地弥补在下午繁忙时段可能因为带宽的不足而引起的断帧，保证节目的稳定流畅。 #p#page_title#e#

    选用MPEG-2 I 帧4:2:2P@ML 30Mbps码率的格式作为素材上载，可实现高质量的多代复制；编辑采用高压缩比的MPEG-4进行编辑，添加各种特技效果后，到有卡站点进行合成输出成MPEG-2格式节省带宽，后经转码系统转码采用MPEG-2 IBP 10Mbps码率的视音频格式至硬盘播出系统编排播出，既保证优异的电视播出信号质量，又提高了视音频数据压缩效率，节约了大量的存储空间。这样非编网制作节目经过编辑合成后，通过播出上载机，最后由硬盘播出系统编排播出。

    本着高效实用的原则，综合考虑各种因素，经过多方对比分析，最后我们决定采用基于最新的千兆铜缆（GoC）技术的千兆以太网架构，采用CPU+GPU+I/O，帧缓冲技术等关键性技术构建我台的非线性编辑系统。

   2. 设备选型

    选用思科CISCO 3750G-24T 24口千兆以太网交换机，Dell PowerEdge 2850专业服务器，配置2颗高端的CPU Xeon 3.0GHz， 内存 2GB DDR2，以满足网络接入骨干连接需求。采用Dell PowerEdge 1850专用存储服务器，采用双内核英特尔至强处理器，配置2颗CPU Xeon 3.0GHz，800MHz系统总线，其运算、网络数据传输和磁盘读取性能比较均衡，适合高性能和高密度部署需要兼顾的用户选用，支持SCSI 硬盘热插拔功能，系统安装Windows 2000 Server，通过数据库软件SQL SERVER2000实现对中心存储器的数据访问。磁盘阵列箱 采用Arena SA-7230，带宽为640Mbps，足以满足MPEG2-I帧30Mbps码率信号，有卡工作站配置HP DC7100 配置P4 3.4GHz CPU， NVIDIA GeForce FX 6800显示卡，无卡工作站配置HP DC7100，配置一颗P4 3.4GHz CPU这样可大大降低带宽的开销，节约带宽资源。

    数字有卡站点配备DVCAM，部分配置DVPRO25，采用SDI接口上下载，按ITU-R BT601-2 数字分量演播室标准，10bit信号，传送比特率为270Mbps，通过75欧姆同轴电缆在短距离内发送未经压缩的数字视频信号，同时包含音频信号，简化了系统内部不同格式数据之间的转换。两台模拟站点配置BETCAM SP 系列机，使用分量接口，一台配置VO-9800，用于早期的资料上载，这样使??卡站点配置蓝光驱动器，采用1394接口上载蓝光素材，蓝光上载比例为30:1，缩短时间，加快了工作效率。

    同时我们还配备两台Apple G5包装工作站，安装Final Cut Pro HD Retail，非编软件/Soundtrack Pro音频处理软件，Shake4包装特效软件 ，用于后期特效制作及节目包装，素材输入输出通过TGA序列或MPEG2-I等格式实现与非编网的连接。

    最后我们采用SANerey3.2在同时有4台工作站读写的测试环境下，实测数据为：写测试为25MB/s~35MB/s，读测试，35MB/s~40MB/s，这样8台精编最多占用40×2MB/s ×8=640Mbps。粗编工作站采用低码率，占用带宽很小，大约只有20Mbps，另外音频信号文件很小，不会给带宽总量带来很大的影响。从实际工作经验出发，网络中同时并发的流量的概率是很低的，而且即使出现同时并发的流量，8台工作站共享1G的带宽，对实际应用不会产生影响 ，我们设计的网络完全满足要求。

    四 结束语

    经过近一年来的运行证明，全台两个频道12个栏目在非编网上进行节目制作，每天播出总时长约在18到20个小时之间，原先所担心的在繁忙时段可能出现因网络带宽不够而导致的丢帧掉帧问题得到了根本解决，至今网络的运行状况非常良好。系统结构实现方案设计书中确定的目标，各设备有一定的富裕量以方便站点的扩容需要，系统能稳定可靠地运行，实现了资源共享，监控管理和调度切换更加方便，提高了效率和质量，降低了制作成本，很好地实现了网络化，数字化。