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        云媒資系統(tǒng)中的存儲設(shè)計與實現(xiàn)

        2019-12-27 07:03:06
        山西電子技術(shù) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        孫 強

        (太原廣播電視臺,山西 太原 030024)

        媒資系統(tǒng)用于存儲臺內(nèi)節(jié)目素材,與云制作系統(tǒng)共同完成節(jié)目制作生產(chǎn)。云媒資系統(tǒng)與云制作系統(tǒng)統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)標準,媒資系統(tǒng)采用與云制作系統(tǒng)可互聯(lián)互通的私有云技術(shù)架構(gòu)替代解決,依靠云媒資系統(tǒng)來實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互、流轉(zhuǎn)。

        1 存儲方案設(shè)計原則

        1) 高可靠性:對于存儲的高可靠性應(yīng)該從幾個方面來進行考慮。首先,對于磁盤存儲進行較高級別的RAID冗余。其次,磁盤陣列系統(tǒng)本身的設(shè)計中不能存在部件的單點故障。還有,磁盤陣列與應(yīng)用系統(tǒng)之間的連接上也不能存在單點故障。

        2) 高性能:方案設(shè)計的集中存儲不能以犧牲性能為代價,這需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€過程具體分析性能瓶頸。

        3) 可擴展性:方案的可擴展性的要求表現(xiàn)在以下幾方面:

        ◆容量的可擴展性:存儲系統(tǒng)可以在現(xiàn)有容量的基礎(chǔ)上,為未來的應(yīng)用提供足夠的擴展空間。

        ◆接口的可擴展性:隨著用戶業(yè)務(wù)的增長,有更多的服務(wù)器可以很方便地使用存儲系統(tǒng),以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲和備份。

        ◆新技術(shù)的可擴展性:方案采用的硬件設(shè)備和軟件產(chǎn)品都是業(yè)界相關(guān)領(lǐng)域的開放型主流產(chǎn)品,采取開放性模塊化設(shè)計,當(dāng)新的存儲技術(shù)出現(xiàn)后,可以通過升級相應(yīng)的模塊實現(xiàn)向新技術(shù)的擴展。

        4) 兼容性:方案提供的磁盤陣列系統(tǒng)可以同時支持Windows、Linux、Unix等操作系統(tǒng)。

        5) 高性價比:首先要從系統(tǒng)的實用性角度出發(fā),滿足不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實際需要和前瞻性的同時,選擇最高性價比的設(shè)計方案。

        2 存儲設(shè)計

        系統(tǒng)建設(shè)完成后,所有節(jié)目生產(chǎn)都在此系統(tǒng)進行,生產(chǎn)業(yè)務(wù)對存儲的需求主要為匯聚媒體的寫入、編輯工具的讀寫訪問、媒體處理轉(zhuǎn)換、媒體數(shù)據(jù)索引的讀寫等。網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)后,非編的上下載、編輯、審片、送播等關(guān)鍵業(yè)務(wù)都依賴存儲系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此,采用分布式集群存儲架構(gòu),為系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)安全策略,保證了系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)的安全和系統(tǒng)高穩(wěn)定性,同時滿足靈活的編輯、擴展需求。

        2.1 存儲總體設(shè)計

        本次存儲架構(gòu)設(shè)計采用目前業(yè)內(nèi)成熟先進的非編制作系統(tǒng)素材安全解決方案——單存儲架構(gòu)。單存儲采用IP分布式集群存儲,可進行節(jié)點式擴展,為后期系統(tǒng)擴容提供線性增長的帶寬及存儲容量。在線存儲支持對匯聚、生產(chǎn)、發(fā)布全流程的媒體訪問支持,針對不同業(yè)務(wù)應(yīng)用提供合適的存儲容量和帶寬訪問。存儲資源對可以為生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供必要的容量和帶寬支撐,并根據(jù)安全性需求提供必要的備份和切換手段

        本次分布式存儲采用現(xiàn)最先進IP集群存儲,配置5個全對稱節(jié)點,可實現(xiàn)高安全性以及帶寬、容量的平滑擴展。分布式存儲架構(gòu)采用Scale-out存儲架構(gòu),將海量數(shù)據(jù)壓力分散到多個并發(fā)存儲節(jié)點,數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)均勻分布于各個節(jié)點上,避免資源爭用,系統(tǒng)性能(吞吐量)按照比例擴展,并且各個存儲節(jié)點之間負載均衡,有效避免單節(jié)點性能瓶頸。這種架構(gòu),不僅保持了對象存儲系統(tǒng)高可靠、高性能的優(yōu)點,而且使得分布式存儲架構(gòu)系統(tǒng)具有更好的擴展性。分布式存儲架構(gòu)通過Scale-out架構(gòu),輕松實現(xiàn)容量擴展,可實現(xiàn)從3節(jié)點到288節(jié)點的輕松擴容。

        圖1 分布式存儲系統(tǒng)圖

        分布式存儲架構(gòu)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)增長進行平滑擴容,系統(tǒng)每增加一個存儲節(jié)點,都能夠自動識別,并將該存儲空間加入到整系統(tǒng)中,并根據(jù)負載均衡的原則,優(yōu)先選擇新的節(jié)點存儲,從而簡化了系統(tǒng)擴容的管理,降低了操作成本。擴容時容量和性能支持線性擴展,最大可提供40PB規(guī)模的單一文件系統(tǒng),真正實現(xiàn)“應(yīng)需而變”,為業(yè)務(wù)的長期高性價比提供保障。

        分布式存儲系統(tǒng)分為三層:分布式節(jié)點層,大數(shù)據(jù)處理層及應(yīng)用層。

        ◆分布式節(jié)點層:物理設(shè)備層,由集群存儲中的所有分布式節(jié)點組成,所有節(jié)點全部采用對稱式連接。

        ◆大數(shù)據(jù)處理層:文件系統(tǒng)層,實現(xiàn)對所有節(jié)點的元數(shù)據(jù)管理,物理數(shù)據(jù)管理,物理數(shù)據(jù)讀取,寫入,全部由分布式文件系統(tǒng)進行管理;分布式文件系統(tǒng)通過對外輸出NFS或者CIFS文件系統(tǒng),為各終端提供數(shù)據(jù)訪問。

        ◆應(yīng)用層:各個終端應(yīng)用通過存儲提供的NFS或CIFS文件系統(tǒng)對存儲進行數(shù)據(jù)訪問。

        2.2 分布式存儲邏輯架構(gòu)

        本次系統(tǒng)建設(shè)采用的OceanStor 9000云存儲平臺架構(gòu)可分為硬件平臺和存儲軟件。

        ◆硬件平臺:包括網(wǎng)絡(luò)和物理節(jié)點及節(jié)點內(nèi)的硬盤、網(wǎng)卡、NVDIMM、內(nèi)存等;

        ◆軟件系統(tǒng):主要是DFS分布式文件系統(tǒng)和多種增值特性、提供對外共享的NAS共享服務(wù)、性能負載均衡、多種策略管理、提供對整個系統(tǒng)統(tǒng)一管理的管理系統(tǒng)。

        系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

        OceanStor 9000存儲系統(tǒng)中的核心部件是分布式文件系統(tǒng)OceanStor DFS,DFS將系統(tǒng)中所有節(jié)點的硬盤整合成一個統(tǒng)一的資源池,對外提供統(tǒng)一命名空間。同時對用戶數(shù)據(jù)提供跨節(jié)點、跨機架、不同級別的數(shù)據(jù)冗余保護,可以兼顧高硬盤利用率和高可用的需求,避免了傳統(tǒng)存儲的煙囪式弊端。

        OceanStor DFS支持節(jié)點動態(tài)擴展,節(jié)點數(shù)目從3~288隨需而定,單一文件系統(tǒng)可擴容至50PB,而且節(jié)點擴展中業(yè)務(wù)不中斷。隨著節(jié)點數(shù)的增加,存儲容量和計算能力線性增加,最終給用戶提供呈線性遞增的帶寬、并發(fā)數(shù)。OceanStor DFS提供了全局一致的緩存,緩存容量隨著節(jié)點增加而線性增長,隨著節(jié)點數(shù)目的增加,越來越多的熱點數(shù)據(jù)可以被緩存命中,大大減少硬盤隨機I/O,提高整系統(tǒng)性能。

        OceanStor DFS使用了NVDIMM和RDMA等技術(shù)。NVDIMM使得數(shù)據(jù)即使在緩存中也可以得到持久化保護,而RDMA則有效減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中內(nèi)存拷貝次數(shù)。這樣在不降低可靠性的前提下,進一步提升整系統(tǒng)響應(yīng)速度。

        OceanStor DFS對外提供CIFS、NFS接入功能,并提供對CIFS、NFS的統(tǒng)一域名訪問機制,讓用戶業(yè)務(wù)輕松接入存儲系統(tǒng)。同時支持集群節(jié)點間負載均衡及管理功能。在這些功能特性基礎(chǔ)上,由于全對稱的架構(gòu)設(shè)計使得OceanStor 9000每個節(jié)點都可以對外提供全局的NAS業(yè)務(wù)訪問,且任何單節(jié)點故障時可自動切換。

        在權(quán)限管理方面,OceanStor DFS支持AD、LDAP、NIS多種權(quán)限管理方式,可直接與域控服務(wù)器對接,對域用戶訪問權(quán)限進行控制。

        方案組網(wǎng)示意圖如圖3。

        華為OceanStor 9000存儲節(jié)點后端通過10GE交換機互聯(lián),完成系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互。

        組網(wǎng)說明:

        OceanStor 9000使用10GE組網(wǎng)時,前端網(wǎng)絡(luò)對接用戶10GE以太網(wǎng)交換機,后端網(wǎng)絡(luò)使用內(nèi)部10GE交換機。前后端交換機冗余配置。GE交換機通過網(wǎng)線連接各節(jié)點的IPMI網(wǎng)口,僅用于設(shè)備管理。

        2.3 存儲容量規(guī)劃

        本次項目采購5個存儲節(jié)點,總物理容量為700TB。存儲節(jié)點之間采用N+1的數(shù)據(jù)保護設(shè)置,扣除節(jié)點間冗余,實際有效容量為460TB,在這種模式下,任何一臺存儲節(jié)點的故障都不會影響業(yè)務(wù)的停頓,也不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。后期可進行節(jié)點式擴展,節(jié)點擴容將提供線性增長的帶寬及存儲容量。

        每節(jié)點提供700MB帶寬,總計提供帶寬3500MB。

        2.4 存儲帶寬規(guī)劃

        表1 系統(tǒng)碼率帶寬需求表

        根據(jù)項目的規(guī)模、設(shè)備數(shù)量,得出在線存儲所需帶寬計算公式如下:

        帶寬需求(MB/s)=工作站/服務(wù)器數(shù)量(臺)×單臺該類型工作站單層視音頻所占用的帶寬(Mbps)×該類型工作站使用時所需要的平均視音頻層數(shù)。

        通過以上分析,按照系統(tǒng)最大化存儲訪問計算,我們可以看出,按照系統(tǒng)大部分模塊滿配置、高負荷并行運行計算,系統(tǒng)帶寬需求為1 825 MB。本方案設(shè)計采用5個節(jié)點,每個節(jié)點可提供700 MB讀寫帶寬,共可提供3 500 MB的穩(wěn)定讀寫帶寬,完全滿足本項目所需帶寬要求,并且留有充分余量。綜上所述,該系統(tǒng)設(shè)計的帶寬完全滿足臺內(nèi)業(yè)務(wù)需求。

        2.5 近線存儲文件存儲系統(tǒng)

        本方案采用索尼公司ODA專業(yè)藍光光盤庫作為近線存儲。

        采用最新一代專業(yè)驅(qū)動器,單驅(qū)動器讀性能:250 MB/s;單驅(qū)動器寫性能:125 MB/s。

        本次配備的單盒介質(zhì)ODC3300R具備3.3TB/單盒容量42U單機柜能夠疊加擴展單元,按照1個基本柜+5個101槽位擴展單元,最多可達535個光盤槽位,可實現(xiàn)1.7PB的大容量保存。

        驅(qū)動器指標:本次項目配置,在單套42U單機柜光盤庫支持2個驅(qū)動器,實現(xiàn)互為備份。具備后期擴充能力,最多可擴充至18個驅(qū)動器并可同時對18個光盤盒進行并發(fā)讀寫,且每個驅(qū)動器均可以使用庫體內(nèi)任意位置藍光光盤盒。

        支持驅(qū)動器冗余,單驅(qū)動器故障情況下,其余驅(qū)動器均可支撐所有業(yè)務(wù)。機械手可將光盤放到任意驅(qū)動器內(nèi)。

        支持單驅(qū)動器應(yīng)急模式,在額外配置USB驅(qū)動器情況下,盤庫系統(tǒng)級故障時可以將藍光光盤盒直接放入外置USB單驅(qū)動器進行應(yīng)急讀取,且讀出速度依舊可達到250MB/s,保障業(yè)務(wù)不停止。

        對寫入文件格式?jīng)]有限制,支持MXF、Matrox_Avi、Riff-Avi、ODML_AVI、WAV、MP3、MP4、H.264等主流視頻格式。

        光盤盒具備防潮、防塵、耐高溫特性,可滿足讀取100萬次以上,室溫下保存周期可保存50年。

        數(shù)據(jù)采用連續(xù)記錄方式,光盤盒內(nèi)單片或多片(包括3片以上)光盤損壞,其余盤片內(nèi)容依舊安全,可以正常讀取。

        光盤支持循環(huán)冗余校驗,可以將誤碼率降低到10-24。

        光盤庫支持多個邏輯光盤庫的劃分,可對驅(qū)動器和光盤設(shè)置邏輯地址。最多支持11個邏輯光盤庫的劃分。

        加載光盤效率在50 s內(nèi),包含機械臂抓取光盤盒效率和光盤加載到驅(qū)動器的總時間。

        3 結(jié)論

        媒資系統(tǒng)要求存儲要高可靠、大容量、高帶寬、低成本,而分布式存儲的冗余校驗可提高數(shù)據(jù)存儲的安全性;私有云對存儲的管理使存儲的容量具有良好的可擴展性;堆疊式交換使存儲的吞吐帶寬大為提升;由磁盤在線存儲和藍光盤近線存儲構(gòu)成的兩層存儲構(gòu)架使高速大容量和經(jīng)濟性得以兼顧。私有云在媒資系統(tǒng)的開創(chuàng)性應(yīng)用,為節(jié)目生產(chǎn)和媒體融合發(fā)展注入了新的動力。

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