都市頻道新聞制作網擴容及增強系統安全性方案

都市頻道新聞制作網擴容及增強系統安全性方案

都市頻道新聞制作網擴容及增強系統安全性方案

2002中國西部地區電視技術年會優秀論文二等獎

    河南電視臺都市頻道現在所使用的索貝新聞制作網自投入使用以來，運轉正常，有效的提高了新聞制作效率和質量。由于在建設時受資金限制，所以該網存儲系統容量較小且采用的是單環的JBOD硬盤陣列形式。隨著時間的推移，這樣的存儲形式無論從容量上還是從安全性上來講，都已經無法滿足節目制作的需求。因此，對新聞制作網進行擴容和系統安全性增強已成為我們工作的當務之急。

一、 都市頻道新聞制作網改造前的硬盤陣列情況

    都市頻道新聞制作網是一個FC+以太網的雙網結構，其中有卡工作站7臺，無卡工作站10臺。其中兩臺有卡工作站在離服務器300米以外的機房（通過光纖級聯實現連接），單環的JBOD硬盤陣列，一個16口的VIEXL FC交換機，2個帶2個千兆模塊接口的24口CISCO交換機。系統圖如下所示。

1、硬盤陣列安全性考慮

    硬盤陣列存儲了新聞制作網絡系統中所有的素材和成品節目內容，一旦陣列出現問題，輕則導致系統無法使用，嚴重時會導致存儲內容丟失，不但會使制作者浪費大量的時間、人力、物力，還會給工作造成很大的被動局面。所以說硬盤陣列是新聞制作網絡系統中最重要的部分，它的安全性有多大是一個新聞制作網絡是否能夠正常運做的一個重要指標。
    目前比較常用的硬盤陣列容錯技術是RAID。由于介紹RAID技術的文章較多，在本文中只對其中幾種常用形式進行簡單介紹。
    RAID是由美國加州大學伯克利分校的DA Patterson教授提出的。RAID是Redundant Array of Inexpensive Disks的縮寫，簡稱為"磁盤陣列"。可以把RAID理解成一種使用磁盤驅動器的排列組合方式，構成邏輯上的一個磁盤驅動器。RAID的具體實現可以靠硬件，譬如磁盤陣列柜；也可以靠軟件，Windows NT操作系統就提供軟件RAID功能。
RAID 0：

    這是最簡單的RAID模式，其工作原理如圖2所示。它沒有數據冗余功能，所以不適于數據穩定性敏感的應用。在各個單一RAID形式中它提供了最快的性能，也是造價最低的--只要兩塊硬盤、一個RAID控制器，不需要額外存儲設備就可以了。不會因為要在硬盤上存儲同樣的數據而浪費空間。RAID0因為其相對低廉的造價和明顯的性能提升在主流市場上已經流行起來。其實RAID 0（又稱為延展技術）是通過RAID控制器把多個硬盤當成一個容量更大、速度更快的硬盤來使用，所以最后要說明的是任何一個硬盤出問題都可能造成整個陣列的數據丟失。

RAID 1：
    RAID 1其實就是鏡像技術的實現，其工作原理如圖3所示。簡單工作原理就是把相同的數據備份存放在兩個驅動器，當一個驅動器出現故障，另一個仍然可以維持系統的正常運轉。當然恢復故障驅動器也是非常簡單的，只要把數據完好的備份拷貝到正常的硬盤上就可以了。數據冗余換來的是數據的安全。不過RAID 1對于系統的性能提高很小。它的相對低廉的價格和易用的特點使它已經成為RAID控制器的主流之一。

RAID 3：
    利用專門奇偶校驗實現的延展技術，其工作原理如圖4所示。換句話說，就是應用延展技術將數據分布到陣列的各個驅動器上，同時用專門的驅動器存儲用于校驗的冗余信息。這種形式的優點就是既通過延展技術提高了性能，又利用專門奇偶校驗驅動器容納冗余信息，以保證數據的安全。一般至少需要3塊硬盤：兩塊用于延展，一塊做為專門奇偶校驗驅動器。不過雖然利用延展技術提高的性能，可以因為奇偶校驗在寫入數據時又抵消了一部分性能--因為校驗信息同時也需要寫入校驗驅動器。因為需要進行大量的計算，所以需要硬件RAID控制器，軟件RAID幾乎沒有什么實際意義。RAID 3因為延展容量小，所以適于經常處理大文件的應用。

RAID 5：
    RAID 5使用延展技術和分布式奇偶校驗來實現。它主要針對專門奇偶校驗驅動器所帶來的瓶頸而產生的解決方案。利用分布式奇偶校驗運算法則，把數據和校驗數據寫在所有的驅動器中。本技術的要旨在于相對于塊數據產生校驗塊（parity blocks）同時存儲于陣列當中--解決了專么校驗驅動器所帶來的瓶頸問題。不過，校驗信息是在寫入過程中計算出來的，所以對于寫入性能仍有影響。當一個硬盤驅動器出現故障，可以從其它的驅動器之中的數據塊分離出校驗信息從而恢復數據。由于分布式校驗本身屬性，恢復數據會比其它的形式復雜。RAID 5也可以通過更改延展容量的大小來滿足不同應用的需要，另外還需要硬件RAID控制器。RAID 5是目前最流行的RAID應用形式，因為它綜合最好的性能、冗余能力、存儲能力為一體。當然價格也是不菲的。
RAID 0+1：

    復合使用RAID 0是為了提高磁盤性能，使用RAID 1為了提高容錯性能。假設有8塊硬盤，將它們4個一組分成兩個陣列--稱為基陣列，每個基陣列用RAID 0模式連接。然后就有了兩個延展模式的基陣列。然后將這兩個基陣列用RAID 1模式連接--也就是讓其中一個基陣列作為另一個的鏡像。如果一個延展模式的基陣列中的硬盤出現故障了，那么這個延展陣列也將全部癱瘓。不過另一個延展陣列仍然可以維持系統工作，并且可以利用其來恢復數據。
    為了確定到底使用哪一種RAID方式來做容錯處理，我們對其中幾種RAID方式應用于SCSI硬盤陣列和FC硬盤陣列做了實際測試，測試方式及結果如下：

的有效存儲容量只有總硬盤物理容量的一半，而且在實際測試中其讀寫速度和穩定性都不太理想。RAID3方式損失的存儲容量是總硬盤物理容量的1/N（N為系統總硬盤數量），讀寫速度和穩定性較好。RAID5方式損失的存儲容量與存儲數據量的多少成正比，其讀寫速度和穩定性最好。如果單從這些來看，無疑應選擇使用RAID5方式，但RAID5控制器價格遠遠高于RAID3控制器（EDI RAID3雙控制器硬盤塔價格約為120000元人民幣，而EDI RAID5雙控制器硬盤塔價格約為200000元人民幣），從性價比的角度考慮，無需為增加10%的性能而多付出50%的代價。同時，我們還考慮到了RAID控制器的備份問題，采用了雙RAID控制器，這樣，即使有一個控制器出現問題，另一個控制器就會自動接管所有工作，保證系統的安全運行。綜上所述，我們在系統改造方案中選用了RAID3雙控制器容錯方式。

2、硬盤容量的考慮
    系統原有FC硬盤陣列有12塊36G的硬盤，總容量為432G，可存儲25個小時的節目內容（壓縮比為4：1）；本地SCSI硬盤陣列為4塊18G的硬盤，容量為72G，存儲高質量素材對應的低質量（壓縮比為30：1）素材。擴容后的FC RAID3硬盤陣列有12塊73G的硬盤，總容量為730G，存儲41個小時的節目內容；本地SCSI年個硬盤陣列為6塊36G的硬盤，做RAID3容錯，容量為180G，存儲高質量素材對應的低質量素材。
3、FC硬盤陣列做過RAID后，對新聞網服務器CPU資源占用的考慮
    FC硬盤陣列做過RAID后，對服務器CPU資源占用很小。因為這種情況下，服務器把整個RAID當成一個邏輯盤進行處理，數據如何在硬盤中分布是由RAID控制器進行處理；而在帶區集方式中，需要由操作系統處理數據在硬盤陣列中的分布，增加了操作系統的負擔。所以采用RAID方式，使服務器和工作站的負擔更輕，減少了它們因系統資源不足而引起死機的機率，從而使系統也更加安全和穩定。
4、硬盤陣列的應急考慮
    正因為我們采用了具有容錯功能的RAID3技術和雙RAID控制器，所以無論是陣列中任何一塊硬盤失效還是一個控制器失效，其容錯功能都能支持網絡系統繼續使用，直至更換失效部件，恢復原有工作狀態。

三、 系統安裝及測試

    在上述方案的具體實施中，要考慮到不能妨礙新聞節目的正常制作和播出，其工作步驟如下：

1、 將網絡上所有需要使用的片頭、宣傳片、字幕模版文件下載進行備份。
2、 將網絡上所有未編輯完成的節目、素材及未播出的節目下載進行備份。
3、 待當日播出的節目制作完成后，提前將第二天一早播出的節目制作出來，以防不測。
4、 關閉所有工作站和服務器及網絡設備。
5、 更換FC硬盤陣列和SCSI硬盤陣列。使用服務器現有系統備份硬盤作為系統硬盤重新配置系統。重新安裝網絡管理軟件。重新注冊用戶帳號和分配用戶空間。對所有工作站進行系統調整。
6、 將備份的字幕模版文件恢復，重新上載各類節目素材。
7、 使用工作站模擬實際工作狀態進行系統性能測試。
    另外，在系統升級過程中，如果出現任何無法及時解決的問題，我們都可以將原來的系統盤、FC硬盤陣列和SCSI硬盤陣列恢復到系統中去，將系統恢復到原有的狀態，不會影響正常的節目制作。
四、 綜述
    我們根據實際工作中遇到的問題和需求，對新聞制作網絡系統的存儲系統進行了擴容和升級。運行至今，系統穩定，各項指標也符合要求。

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