一、前言
    視頻服務(wù)器在廣播電視領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長的時間，經(jīng)歷了從簡單Motion-JPG方式的廣告插播時代，到MPEG-2編碼的盤帶結(jié)合播出時代，以及到今天的全硬盤播出時代。應(yīng)用的發(fā)展來自于技術(shù)的發(fā)展，不斷進(jìn)步的視頻服務(wù)器存儲技術(shù)起了舉足輕重的作用。視頻服務(wù)器的存儲性能除了硬盤容量的快速提升，數(shù)據(jù)冗余保護(hù)和數(shù)據(jù)重建的性能提升也是其中重要的推動力量。
    以下就對相關(guān)的視頻服務(wù)器存儲技術(shù)的新發(fā)展進(jìn)行介紹，藉此展望未來視頻服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

    二、冗余的必要性
    在視頻服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中，除了要求容量外，更重要的就是保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。只有數(shù)據(jù)不丟失，才能去談性能。因此，視頻服務(wù)器數(shù)據(jù)必須具有冗余性，防止數(shù)據(jù)的崩潰。
    數(shù)據(jù)的錯誤通常是由硬盤故障引起的，而最恐怖的硬盤崩潰將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。由于至少10000RPM高轉(zhuǎn)速磁盤的機(jī)械特點(diǎn)，它的崩潰通常是永久性，因此數(shù)據(jù)的保護(hù)變得十分必要。
    由磁盤失效導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤，通常用平均無故障時間（MTBF）表示；另一種是用讀出數(shù)據(jù)總量中出現(xiàn)比特錯誤的數(shù)目表示，稱為誤碼率（BER）。還有一些由磁盤尋道、讀出和寫入等失效導(dǎo)致的錯誤是可以通過重復(fù)操作而成功解決。由于現(xiàn)在許多磁盤的MTBF都超過了百萬小時，BER指標(biāo)的數(shù)量級也到達(dá)10-15，再加上5年質(zhì)保，令檢測壞盤比檢測一個偶然出現(xiàn)問題的硬盤更符合經(jīng)濟(jì)效益。為了減少更換保修成本，通過配置多種內(nèi)部數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制可以防止額外的磁盤失效，包括數(shù)據(jù)校正、重構(gòu)和磁盤壞軌映射機(jī)制。只有當(dāng)單個磁盤超出它的重讀數(shù)并再沒有冗馀的扇區(qū)進(jìn)行磁盤壞軌映射時，數(shù)據(jù)才會真正丟失。
    但是，由于視頻服務(wù)器要求數(shù)據(jù)吞吐性能穩(wěn)定，其設(shè)計通常不能采用復(fù)雜的磁盤內(nèi)部數(shù)據(jù)校正機(jī)制以消除錯誤，而“重復(fù)操作”這一技術(shù)在系統(tǒng)中會被限制。
    對視頻服務(wù)器設(shè)計而言，隨著系統(tǒng)的性能、規(guī)模和復(fù)雜性的提高，磁盤失效和錯誤處理成為一項重要而又緊迫的任務(wù)。假定1個磁盤的BER指標(biāo)為10-15（每比特讀錯誤），當(dāng)數(shù)據(jù)率增加時，錯誤出現(xiàn)的頻率約為幾小時出現(xiàn)1個。

    在重要的數(shù)據(jù)位置，即使1個不可校正的比特錯誤，也可能導(dǎo)致不可接受的視音頻異常。因此采用一些數(shù)據(jù)保護(hù)方式是十分必要的，最主要的手段就是對硬盤故障的保護(hù)。而對數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)中斷的保護(hù)只是暫時的，更安全穩(wěn)定的是要對丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，這就是硬盤數(shù)據(jù)的重建。下面內(nèi)容主要圍繞這兩方面技術(shù)的新發(fā)展。

    三、硬盤故障保護(hù)
    硬盤故障，就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。硬盤故障保護(hù)，也就是在出現(xiàn)硬盤故障時，存儲單元的數(shù)據(jù)在一定冗余保護(hù)措施下不至于丟失。這樣的保護(hù)有如下幾種方式。
    1.單硬盤故障保護(hù)
    單硬盤故障保護(hù)是為了避免存儲陣列中單個硬盤故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，通常是通過增加一個校驗盤對所在硬盤陣列進(jìn)行冗余保護(hù)。對視頻服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲的單硬盤故障保護(hù)主要以RAID3為主，這方面技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，在此不做冗述。這里介紹的，是以RAID3技術(shù)為基礎(chǔ)的更為實用的連續(xù)數(shù)據(jù)重構(gòu)RAID3校驗方式。
    與傳統(tǒng)RAID3不一樣，連續(xù)數(shù)據(jù)重構(gòu)方式的RAID3在數(shù)據(jù)“讀出”期間一并讀出校驗信息并將其解碼，并用它去檢驗數(shù)據(jù)的完整性。由于單個校驗值是基于每個數(shù)據(jù)部分分布的XOR計算的結(jié)果，既可以用它作錯誤檢驗處理，也可以用它作錯誤校正處理。依據(jù)實際情形，應(yīng)用程序使用這些校驗信息服務(wù)于如下三個目的：
    （1）一個數(shù)據(jù)塊不能還原或報告錯誤的情況。損壞的部分仍然可以用好的數(shù)據(jù)塊和校驗信息通過XOR計算而得以重構(gòu)。這種情況就是通常的單一錯誤校正（SEC）。
    （2）磁盤上所有讀取的數(shù)據(jù)和校驗信息能夠還原和無錯誤報告的情況。如果所有的數(shù)據(jù)塊和校驗信息事實上是正確的，依上述方程式就可方便地重建了緩存。如果經(jīng)過檢驗運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)某一數(shù)據(jù)塊出錯（包括校驗），這樣受損壞的緩存會被摒棄，對應(yīng)的視頻和音頻信息的數(shù)據(jù)塊就用“黑塊”和“靜音”數(shù)據(jù)替代。這種情況稱為單一錯誤檢測（SED）。
    （3）數(shù)據(jù)帶區(qū)集有多處損壞，在這種情形下，損壞的數(shù)據(jù)無法被校正。對應(yīng)的視頻和音頻信息數(shù)據(jù)塊就用“黑塊”或“靜音”替代。這種情況稱為多錯誤檢測（MED）。
    在RAID磁盤存儲子系統(tǒng)中，失效的數(shù)據(jù)部分通常反映出一個特定磁盤的損壞（前提是分析可知該部分?jǐn)?shù)據(jù)出錯了），多限于上述提到的第一和第三情形。絕大部分RAID系統(tǒng)只依靠磁盤自己報告錯誤，也沒有在讀取數(shù)據(jù)時進(jìn)行XOR校驗。所以都忽略了第二種情形，讓系統(tǒng)處于易損或“不報告”錯誤數(shù)據(jù)狀態(tài)。在視頻服務(wù)器應(yīng)用場合，這種方法是至少要檢測這些錯誤信息，并用“黑塊”替換這些錯誤數(shù)據(jù)來保證連續(xù)的視頻流，以免因錯誤數(shù)據(jù)被讀取導(dǎo)致MPEG-2解碼運(yùn)算混亂從而引起馬賽克等現(xiàn)象的發(fā)生。同樣的方法也應(yīng)用于音頻，以防止出現(xiàn)“口破”和“咔嗒”類型的數(shù)字雜音。
    另一個優(yōu)勢，就是一直保持校驗信息計算，從而有效地改進(jìn)了單一錯誤校正情形下的總體性能。如果一個磁盤損壞，就不需返回前面重讀先前的數(shù)據(jù)，只需跳過失效的部分，利用校驗數(shù)據(jù)重構(gòu)原始數(shù)據(jù)分布。另外，當(dāng)系統(tǒng)操作在降級模式時（出現(xiàn)壞盤等待重建），完全不會因重新讀取校驗盤而降低系統(tǒng)的性能。
    2.雙硬盤故障保護(hù)
    單硬盤故障保護(hù)可以防止一個硬盤失效，但大量數(shù)據(jù)盤同時使用時，就存在超過一個數(shù)據(jù)盤失效所造成的不可校正錯誤的機(jī)會。當(dāng)增加更多數(shù)據(jù)存儲硬盤時，兩個數(shù)據(jù)（硬盤）同時出錯導(dǎo)致的不可校正可能性大大增加了。下面，我們對存儲單元雙數(shù)據(jù)錯誤發(fā)生的可能性進(jìn)行分析。
    （1）雙數(shù)據(jù)錯誤的幾率分析
    如果單一數(shù)據(jù)瞬間失效的可能性是df，在n個數(shù)據(jù)帶區(qū)的單一數(shù)據(jù)錯誤的可能性是：

    可校正的單一數(shù)據(jù)錯誤=df×n
    從上述方程式中可知，單一數(shù)據(jù)錯誤與磁盤的數(shù)目成正比。因此，推導(dǎo)出雙重數(shù)據(jù)失效的可能性是：
    不可校正雙重數(shù)據(jù)失效=(df×n)(df×(n-1))=(df×n)(df×(n-1))=df2×(n2-n)
    從上述方程式中可知，雙數(shù)據(jù)錯誤與磁盤數(shù)目的平方成正比。
    擁有單一校驗盤的RAID系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)，就是當(dāng)它的帶區(qū)集增大時，出現(xiàn)不可校正的雙重錯誤的機(jī)會也大大增加了。事實上，當(dāng)df=0.008時，一個典型的48塊磁盤的帶區(qū)出現(xiàn)雙數(shù)據(jù)錯誤的可能性與在16塊硬盤帶區(qū)集中出現(xiàn)單一數(shù)據(jù)錯誤的可能性相當(dāng)。
    針對上述可能風(fēng)險出現(xiàn)的預(yù)防，采用多個校驗盤的技術(shù)改進(jìn)方法就可以克服每一數(shù)據(jù)帶區(qū)只有單一校驗盤的不足。這種方法的關(guān)鍵是定義一個或一組方程式表示已知數(shù)據(jù)帶區(qū)的校驗信息，而這個或這組方程式的運(yùn)算必須簡單，才能減少冗余校驗對存儲性能的影響。漢明編碼技術(shù)恰恰符合這樣的要求。
    （2）漢明編碼
    通過采用碼距為3的漢明編碼定義一組校驗方程式，可以取得如下的數(shù)據(jù)保護(hù)特性：
    校驗方程式的數(shù)目（校驗磁盤）：r
    數(shù)據(jù)塊的數(shù)目（數(shù)據(jù)磁盤）：n=2r-1-r
    以針對SEC帶區(qū)集采用漢明編碼（15，11，3）方程式的典型應(yīng)用為例，碼距為3的標(biāo)準(zhǔn)校驗矩陣定義如下（有4塊校驗盤）：
    位置：p1   p2   d3   p4   d5   d6   d7   p