李希堯

（作者單位：中央廣播電視總臺）

2013年棱鏡門事件爆發(fā)并持續(xù)發(fā)酵，各國意識到自身在信息系統(tǒng)安全上存在極大短板[1]，許多重要的數(shù)據(jù)未能得到妥善保護。而這些信息系統(tǒng)的漏洞和重要資料的泄露給經(jīng)濟甚至國家安全造成了極壞的影響，堅持獨立發(fā)展是擺脫受制于人、提高安全水平的必由之路。傳媒行業(yè)是國家重要的意識形態(tài)宣傳陣地，承擔著傳播主流價值觀，引導社會輿論，促進社會穩(wěn)定等重要使命。提高節(jié)目制播系統(tǒng)的國產(chǎn)化比率，保障制播系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是媒體技術人員的一項重要工作。多年來，筆者在不斷地進行摸索和研究，也對一些設備和系統(tǒng)進行了測試、試用與使用。本文主要根據(jù)國產(chǎn)芯片分布式存儲設備的發(fā)展情況以及超高清視頻制作的特點，對國產(chǎn)芯片分布式存儲設備進行實測真用，探討國產(chǎn)芯片分布式存儲支撐中大型超高清制播系統(tǒng)的技術可行性。

1 基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲發(fā)展現(xiàn)狀

在以數(shù)據(jù)為中心的信息時代，存儲成為互聯(lián)網(wǎng)技術（Internet Technology, IT）基礎設施的核心，其提供底層動力，驅(qū)動了千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。近幾年5G技術、超高清視頻、人工智能、云計算、區(qū)塊鏈、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、泛在感知等新技術、新模式、新應用迅速發(fā)展，激發(fā)海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)快速增長，帶動存儲產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，技術、設備不斷推陳出新。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（International Data Corporation, IDC）2021中國區(qū)存儲市場報告，國內(nèi)廠商已占據(jù)中國存儲市場70%以上的份額，取得了不錯的成績。但是國產(chǎn)分布式存儲產(chǎn)品中，基于intel處理器和紅帽（Redhat）公司的分布式文件系統(tǒng)（Ceph）軟件代碼的產(chǎn)品仍占大部分份額，依舊面臨著一些不可控的產(chǎn)業(yè)鏈風險。

存儲行業(yè)生態(tài)具有相對封閉和與上游應用相對松耦合的特點，各個國內(nèi)廠商在基于國產(chǎn)芯片的存儲產(chǎn)品研發(fā)上發(fā)展也比較迅速，陸續(xù)推出了基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲產(chǎn)品。這類產(chǎn)品普遍具備以下關鍵技術：

（1）國產(chǎn)芯片。中央處理器（Central Processing Unit, CPU）采用國產(chǎn)自研產(chǎn)品，保證全產(chǎn)業(yè)鏈的安全可控。當前有華為、飛騰、海思、龍芯、申威等控制器CPU產(chǎn)品[2]。其他如固態(tài)硬盤（Solid State Disk, SSD）主控芯片、網(wǎng)卡芯片、管理芯片等也有國產(chǎn)自研產(chǎn)品。

（2）關鍵部件自研自產(chǎn)。存儲控制器、接口卡、SSD顆粒、SSD硬盤等均可自研自產(chǎn)，同時通過在硬盤介質(zhì)上硅進磁退，可以全面提升存儲的綠色節(jié)能水平，降低了設備的總體擁有成本（Total Cost of Ownership, TCO），在降低單盤能耗、整機能耗，減少單位容量所占盤空間，提高單位空間密度容量上均有很大進步，同時相較于機械硬盤（Hard Disk Drive, HDD），其每秒進行讀寫操作的次數(shù)（Input/Output Operations Per Second, IOPS）性能顯著提升，時延顯著降低，可極大地提高存儲整機性能。

（3）整機硬件自研自產(chǎn)。整機硬件包括底板管理控制器（Baseboard Management Controller, BMC）管理芯片、主板、內(nèi)存、電源、硬盤框等，這些均可自主設計，獨立完成生產(chǎn)。

（4）存儲軟件自開發(fā)。存儲的操作系統(tǒng)（Operating System）軟件、系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動、磁盤管理軟件、任務調(diào)度軟件、緩存管理軟件、訪問協(xié)議軟件等均可基于國產(chǎn)芯片獨立研發(fā)；同時，絕大部分國內(nèi)廠商的國產(chǎn)芯片分布式存儲產(chǎn)品管理界面和功能設計可與自身基于intel架構(gòu)的產(chǎn)品統(tǒng)一，方便用戶日常運維管理和使用。

具有以上特點的國產(chǎn)芯片分布式存儲設備做到了端到端自研、軟硬協(xié)同，安全可信，同時功能齊全，性能上也能做到又快又穩(wěn)，成為國產(chǎn)化IT基礎架構(gòu)下的基石。

2 超高清節(jié)目制播系統(tǒng)的發(fā)展推動存儲升級

在電視節(jié)目制播系統(tǒng)中，國內(nèi)大部分網(wǎng)絡制播系統(tǒng)都采用了基于IP化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用千兆、萬兆或25G混合組網(wǎng)，以滿足不同設備的網(wǎng)絡接入需求。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于擴展、運行穩(wěn)定性高等特點。視音頻文件均為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，在基于IP化的網(wǎng)絡制播系統(tǒng)中，這部分文件數(shù)據(jù)主要采用文件存儲設備進行儲存，供制播業(yè)務訪問使用?？蛻舳送ㄟ^使用通用網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（Common Internet File System, CIFS）、網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（Network File System, NFS）、簡單存儲服務（Simple Storage Service, S3）等協(xié)議訪問存儲，進行素材上下載、視音頻編輯、節(jié)目轉(zhuǎn)碼合成等操作?；贗P化的分布式文件存儲系統(tǒng)是目前應用最廣泛的網(wǎng)絡制播系統(tǒng)建設方案。

中央廣播電視總臺4K超高清頻道于2018年10月1日開播，成為我國首個覆蓋全國的4K超高清電視頻道。4K超高清視頻制播系統(tǒng)在性能、功能、穩(wěn)定性上對存儲設備提出了更高的要求。4K超高清視頻的編輯碼率為500～1 500 Mbps[3]，在非線性編輯制作、包裝、節(jié)目合成轉(zhuǎn)碼過程中，往往需要多臺設備的多軌4K穩(wěn)定流疊加訪問存儲，4K制作系統(tǒng)對存儲設備的性能、穩(wěn)定性都是極大的考驗，分布式文件存儲設備具有高容量、高帶寬、低延時等特點才能支撐4K超高清制播業(yè)務。原有采用HDD硬盤作為介質(zhì)的分布式文件存儲在單節(jié)點性能上很難適應大規(guī)模IP化超高清制播系統(tǒng)業(yè)務的發(fā)展，超高清節(jié)目制播實踐引領了存儲設備的更新?lián)Q代。

3 網(wǎng)絡制播系統(tǒng)選擇基于IP的分布式存儲的原因

隨著萬兆以太網(wǎng)絡技術的發(fā)展，制播系統(tǒng)在過渡到高清節(jié)目網(wǎng)絡制播系統(tǒng)后，采用了基于IP的分布式存儲作為核心存儲[4]，基于IP的分布式存儲具有高可靠性、高擴展性、高性能、高數(shù)據(jù)一致性等特點。分布式存儲基于全對稱架構(gòu)，3節(jié)點即可起配，隨著節(jié)點數(shù)的增加，容量、帶寬可準線性增加（在一定節(jié)點數(shù)量范圍內(nèi)，品牌存在差異），支持在線增減節(jié)點擴縮容，無單獨元數(shù)據(jù)節(jié)點，每個節(jié)點均可以對外提供服務，采用彈性糾刪碼（EC模式）對數(shù)據(jù)進行保護，可提供99.999 9%的數(shù)據(jù)可靠性和最高90%以上的磁盤空間利用率，單文件系統(tǒng)的容量可達幾百PB甚至EB級以上。基于IP的分布式存儲的各項特點特別符合廣電行業(yè)網(wǎng)絡制播系統(tǒng)，所以采用HDD磁盤作為介質(zhì)的基于IP的分布式存儲成為市場主流延續(xù)至今。

4 4K超高清網(wǎng)絡制播系統(tǒng)對分布式存儲的選擇

近幾年，國內(nèi)外超高清視頻產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，原有采用HDD硬盤作為介質(zhì)的分布式文件存儲由于單節(jié)點帶寬吞吐量小和HDD磁盤IOPS性能差等問題，很難適應大規(guī)模網(wǎng)絡化4K超高清制播業(yè)務的發(fā)展。國內(nèi)主流4K超高清視頻的編輯碼率為500～1 500 Mbps，為滿足4K超高清視頻編輯對存儲高容量、高帶寬、低延時的性能要求，各大存儲廠商也陸續(xù)推出了基于SSD硬盤并配有25 G或以上網(wǎng)絡端口的分布式文件存儲產(chǎn)品。此類產(chǎn)品發(fā)揮了SSD硬盤高IOPS、低能耗、帶寬吞吐量大的特性，與以HDD硬盤為介質(zhì)的分布式存儲相比，單節(jié)點性能有極大提升，所以采用SSD硬盤作為介質(zhì)的基于IP的分布式存儲設備是4K超高清網(wǎng)絡制播系統(tǒng)核心存儲的最優(yōu)選擇。

5 根據(jù)4K超高清視頻制作特點對國產(chǎn)芯片分布式存儲進行測試

為了測試基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲設備的性能、功能是否能夠滿足4K超高清視音頻制播系統(tǒng)的要求，本文采用了《面向超高清節(jié)目制播的IP分布式存儲測試方法》的測試內(nèi)容和測試方法[5]，對某型國產(chǎn)芯片分布式存儲設備進行了全面的測試，被測分布式存儲設備信息如表1所示：

表1 分布式存儲設備信息

測試客戶端設備基本信息：

使用5臺X86架構(gòu)服務器，安裝Windows Server 2019操作系統(tǒng)，具有2顆AMD726CPU、128 G內(nèi)存、1塊1.92 TB SSD硬盤、10 Gbps網(wǎng)卡。

使用5臺X86架構(gòu)工作站，安裝Windows 10 Pro操作系統(tǒng)，具有1顆Intel Core i5 8500CPU、8 G內(nèi)存、1 TB SSD硬盤、10 Gbps網(wǎng)卡。

筆者通過構(gòu)建測試系統(tǒng)（見圖1），從該型號國產(chǎn)芯片分布式存儲設備的功能方面、可維護性方面、性能方面、可靠性方面出發(fā)，進行了系統(tǒng)的、全面的模擬測試，得出以下測試結(jié)果（見表2—5）：

圖1 測試系統(tǒng)組網(wǎng)圖

表2 國產(chǎn)芯片分布式存儲功能測試結(jié)果

表3 國產(chǎn)芯片分布式存儲可維護性測試結(jié)果

表4 國產(chǎn)芯片分布式存儲性能測試結(jié)果

表5 國產(chǎn)芯片分布式存儲可靠性測試結(jié)果

通過以上測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論，本次測試的國產(chǎn)芯片分布式存儲由5個存儲節(jié)點構(gòu)成，在性能上該存儲設備寫吞吐速度可達9.1 GB/s，讀吞吐速度可達8.9 GB/s，可支持140路4K視頻穩(wěn)定流并發(fā)讀取。每個節(jié)點的平均讀速度可達1.78 GB/s，寫速度可達1.8 GB/s，每個節(jié)點可支持28路4K視頻穩(wěn)定流并發(fā)讀取，在功能、可維護性、性能及可靠性方面均滿足中大型4K超高清視頻制播系統(tǒng)對分布式存儲設備的各項要求。

6 國產(chǎn)芯片分布式存儲設備在4K超高清節(jié)目制作中的實際使用

通過模擬測試，該型號的國產(chǎn)芯片分布式存儲設備各方面指標有了全面可靠的數(shù)據(jù)支撐，理論上該型號分布式存儲設備可以支撐4K超高清視頻制播系統(tǒng)的存儲需求。但只有在實際業(yè)務場景中進行使用，完成4K超高清視頻制作，才能驗證基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲設備是否能夠做到真替真用，滿足業(yè)務需求。

筆者將此型號國產(chǎn)芯片分布式存儲設備通過萬兆網(wǎng)絡接入一個大型周播現(xiàn)場音樂類節(jié)目的超高清視頻后期制作系統(tǒng)中。該超高清制作系統(tǒng)包含了多臺萬兆網(wǎng)絡4K精編工作站、包裝工作站、合成工作站等，該節(jié)目素材收錄、制作、包裝、打包合成均為500 Mbps碼率的4K文件，每次集中錄制兩期節(jié)目并制作，產(chǎn)生的4K超高清素材量在200 TB左右。節(jié)目錄制完成后，需由多名編輯人員在限定時間內(nèi)同時在多臺精編工作站編輯該節(jié)目素材，再完成調(diào)色、渲染、節(jié)目包裝等工作，并生成最終播出的節(jié)目，以滿足節(jié)目播出周期的時效性要求。在為期8個月的試用中，該型號國產(chǎn)芯片分布式存儲設備共完成了約630 h的素材和成品節(jié)目的存儲與制作工作。

使用期間，該存儲設備充分滿足了4K制作系統(tǒng)對存儲高帶寬、高容量、低延時的需求，很好地支撐了該節(jié)目4K原碼多臺精編工作站并發(fā)、多軌并發(fā)、復雜包裝和特效制作工作，未出現(xiàn)由于存儲性能和功能問題導致的影響節(jié)目制作的問題，進一步在實踐中證明了國產(chǎn)芯片分布式存儲設備可以充分滿足中大型4K超高清視頻制播系統(tǒng)的存儲需求。

7 結(jié)語

本文通過分析信息系統(tǒng)獨立發(fā)展的必要性，對當前基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲發(fā)展情況進行研究，并結(jié)合傳媒行業(yè)特點，分析了4K超高清視頻制播系統(tǒng)對存儲的需求，建立了測試系統(tǒng)，采用《面向超高清節(jié)目制播的IP分布式存儲測試方法》，對某型號基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲設備進行了較為全面的測試。測試數(shù)據(jù)充分證明了國產(chǎn)芯片分布式存儲設備功能、性能等方面均可滿足支撐4K超高清視頻制播系統(tǒng)的要求。

同時，通過將該型號國產(chǎn)芯片分布式存儲設備接入正式的4K超高清制作系統(tǒng)中，支撐某大型周播現(xiàn)場音樂類4K超高清節(jié)目的后期制作，證實了其可用性，為相關人員在建設4K超高清制播系統(tǒng)過程中選擇和使用基于國產(chǎn)芯片的分布式存儲設備提供參考。