浅析万兆以太网技术在高清制作网中的应用

韩小兵

（江苏省宝应县广播电视台总台，江苏 扬州 225800）

浅析万兆以太网技术在高清制作网中的应用

韩小兵

（江苏省宝应县广播电视台总台，江苏 扬州 225800）

介绍了在高清节目制作网中两种常用的网络架构及其优缺点，详细介绍了利用万兆以太网技术在高清制作网中的两种应用模式——万兆主干+千兆桌面、万兆主干+万兆桌面，以及如何组建万兆以太网架构的高清制作网，展望了万兆以太网在电视台的发展前景。

万兆以太网；高清；节目制作网；NAS

随着网络技术的不断发展，万兆以太网已经不是新名词了，从IEEE组织2002年6月正式发布IEEE802.3ae 10GE标准到2014年，经历整整12年的发展，数据海量增长带动市场需求不断加大。万兆以太网各方面成本已经大幅降低，应用范围也逐步扩大，已经在通信、金融、教育、广播电视等多个行业广泛应用[1]。在广播电视行业中，电视技术的发展也已经从标清（指物理分辨率为720×576像素的标清电视格式）发展到高清（指物理分辨率为1 920×1 080像素的高清电视格式），超高清（指物理分辨率为3 840×2 160像素及以上的超高清电视格式）也并不遥远。

电视台全面高清化后，台内原有以千兆以太网技术为支撑的业务网络已经不能承载高清数据的运行，而基于SAN架构的光纤网络，其结构的封闭性、极差扩展性也不能满足电视台全媒体业务系统的发展需求。电视台在以局域网应用为主的节目制作环境中，万兆以太NAS（也称为10 Gbit/s NAS）能否取代光纤SAN架构的网络呢？下面就此提出笔者的认识。

1 FC-SAN和10 Gbit/s NAS在高清制作网环境中的比较

目前有两种架构可以应用于高清节目制作网，一是在标清制作时代就大量使用的SAN架构FC网络，另一种就是以NAS架构为主的10 Gbit/s以太网络，前者已经大量应用在高清节目制作网络中，后者的技术早已成熟，但是直到近两年才开始应用[2-3]。这两种网络架构都能满足高清节目制作网络对带宽的需求，到底哪一种网络架构才是最贴合用户业务需求的呢？如果要做比较，两种网络采用两个完全不同的协议及架构，FC-SAN支持Block协议，NAS则支持File协议，一个偏重对资源的管理，一个偏重对文件的管理，本身是没有可比性的，如果在高清制作网中部署，从实际应用出发，针对这两种网络架构进行简单探讨。

1.1 FC-SAN高清制作网络

1）FC-SAN网络架构的优点

（1）技术成熟。1988年开始出现，到如今已经20多年的历史，各大电视台已经使用超过10年的时间，FC-SAN在标清制作网中的表现，排除管理软件的因素，还是可圈可点的。

（2）链路带宽可选。有1 Gbit/s，2 Gbit/s，4 Gbit/s，8 Gbit/s多种可选，在高清制作网中采用4 Gbit/s和8 Gbit/s较多，且单机到服务器的链路带宽较高。

（3）传输效率高。FC-SAN之所以得到大家的认可，是因为其传输效率高、带宽恒定，不会出现以太网的丢包情况。

2）FC-SAN网络架构的缺点

（1）拥有成本高。部署一个FC-SAN的节目制作网，除了高昂的光纤存储盘阵费用外，还需要增加光纤适配卡，光纤交换机，专业的SAN管理服务器、SAN的管理软件，按照客户端站点收费的客户端软件，后期更换维修设备的费用也是成本高的一大原因。

（2）管理复杂度高。基于FC-SAN的架构，需要特定的工具软件来管理操作，每个客户端采用封闭式的管理，人员上手周期较长，后期制作站点扩容受制于SAN管理软件。

（3）兼容性差。这是最让电视台技术管理者烦恼的问题，由于采用传输协议的不同，FC网络和以太网不能兼容，往往需要在FC制作网络中添加以太网交换设备或者增加业务操作才能和其他以太网架构的业务网络交互。而不同厂商搭建的SAN架构的FC网由于管理软件的差异也不能兼容，在这样的环境下，实现全台各个业务系统数据共享的困难非常大，这种模式下的数据共享成本较高。

（4）存储效用比较低。当存储数据量达到存储容量一半后，其性能下降非常快。因为光纤磁盘阵列采用仲裁环来串接所有的磁盘，使磁盘的带宽采用分享的方式，造成了这种架构没有以太网全交换架构的性能高。

（5）系统部署复杂。节目制作网采用FC-SAN架构时网络部署采用双网架构，视音频数据通过光纤链路传输，数据管理信息和控制信息通过以太网传输。双网模式网络部署需要光纤线缆和双绞线分别和光纤交换机、以太网交换机连接，这种双网结构在部署和维护上，复杂度都体现得较为明显。

1.2 10Gbit/s NAS制作网

1）10 Gbit/s NAS网络架构的优点

（1）结构简单。在NAS的网络架构中，将原有的千兆链路提升到万兆链路，其结构没有任何变化，也没有SAN架构中专业的管理系统，其管理复杂度大大降低，而10 Gbit/s NAS的物理链路由原有的以太链路变成了光纤链路，继承了光纤线缆所有优秀的物理特性。

（2）成本低廉。首先随着万兆以太网的普及，万兆交换机和万兆网卡的价格大幅下降。其次网络架构（相对SAN）的简化也是导致成本下降的一个因素。当然万兆以太网部署后也不需要额外的投资升级上层应用系统，也不会影响到原有的业务部署和应用，所以组网成本比FC-SAN还低，进一步体现了10 Gbit/s NAS性价比。

（3）兼容性好。还有一个优点，也是符合现阶段以及电视台以后发展方向的，那就是其强大的兼容性，万兆以太网技术完全兼容台内原有的千兆网、百兆网等以太网，基础网络的无缝兼容为全台网络一体化提供了强有力的支撑，使得在电视台全台网络整合中不需要花更多的金钱和时间。

（4）可持续发展性。纵观以太网技术的发展，一直都是随着交互需求的变化而不断发展的，从百兆到千兆，千兆到万兆，甚至从万兆到十万兆都是呈几何倍数上升的，而这种始终向前面标准兼容的方式也是以太网技术可持续发展的源动力，现在很多城域网的核心层、汇聚层也在使用万兆以太网，相信电视台在以后的业务发展中更容易融合到互联网中。

2）10 Gbit/s NAS网络架构的缺点

相对千兆以太网成本较高。虽然万兆以太网设备的价格大幅下降，但是和千兆以太网仍有不小的差距，随着市场进一步扩大，希望价格差距会进一步缩小，特别是万兆万卡、万兆模块的价格还有很大的下降空间。

2 万兆以太网技术在节目制作网中的具体应用

上文已经简单分析了2种网络架构在节目制作网中的优点和缺点，从兼容性和可持续发展性来说，万兆以太网的优势很明显，但是现在万兆以太网技术在高清非编网中的应用偏少，万兆以太网技术到底如何在高清非编网中进行应用，笔者经过实践并不断地总结，认为万兆以太网技术在高清非编网中有两种应用模式。

2.1 万兆主干+千兆桌面

万兆主干+千兆桌面结构如图1所示，万兆主干指的是万兆存储阵列和万兆交换机直接相连，后台服务器采用万兆或千兆的方式连入交换机，所有的节目制作站点全部采用千兆接入交换机。

图1 万兆主干+千兆桌面结构

这种方式优点是成本低廉、管理简单、部署简单。由于只有存储盘阵和交换机采用了万兆设备，而且交换机只需要部分万兆接口就可以搭建成功，成本非常低廉。这种架构采用NAS管理方式，整个网络采用以太网络协议，不需要专业的管理软件。再说中心存储的带宽，市面上普通的入门级万兆接口NAS存储的峰值带宽也能达到800 Mbit/s，稳定带宽在600 Mbit/s左右，最高能支持12台高清制作站点每台5层100 Mbit/s的高清码率素材网络实时编辑，因为音频和字幕占用带宽在2 Mbit/s以下级别，所以不存在带宽制约问题。

万兆主干+千兆桌面的方式适合电视台部门级制作网使用，其网络整体投入略高于千兆NAS非编网，但其网络带宽和性能优于4 Gbit/s FC-SAN（存储和交换部分），千兆桌面且完全能够支撑高清节目的网络化编辑。这种架构模式的故障节点只有存储、交换机两级，而传统的FC-SAN故障节点则有存储、MDC（管理）服务器、光纤交换机、以太网交换机4级，其安全性也是SAN架构的2倍。

也许还会担心以太网的数据传输效率，可能会出现网络延迟和丢包，这两个问题通过非编制作厂家可以得到解决。现在很多厂家已经推出了缓存技术，比较典型的有东方盛行公司推出的超级缓存（Super Cache）技术，通过软件缓存实现数据预存预读机制，有效解决因卡顿、掉帧等影响节目制作流畅性问题，也可解决以太网固有的延时问题和视频解码出错问题。

这种模式只有一个问题没有很好地解决，那就是各个节目制作站点采用千兆接入，节目制作站点到交换机的网络带宽时钟限定在千兆范围内，千兆网络编辑实施层数实测最多能达到5层100 Mbit/s码率视频，千兆以太网络要想达到5层以上的100 Mbit/s码率视频网络实施编辑非常困难，因为网口带宽决定了上限速度。

2.2 万兆主干+万兆桌面

万兆主干+万兆桌面结构如图2所示，这种全万兆架构中所有的节目制作站点、服务器、存储全部采用万兆接入交换机。

图2 万兆主干+万兆桌面结构

这种模式成本相对万兆主干+千兆桌面的方式要高，与FC-SAN相比稍低。采用全万兆的组网方式，从存储到交换机，交换机到各个制作站点没有网络带宽的限制（10 Gbit/s以内），只要存储的带宽能够支撑，制作站点的网络编辑实时层数完全可达10层以上。

万兆主干+万兆桌面的方式适合节目制作站点网络编辑实施层数高的制作需求，对于预算充足的单位是不错的选择，如果需要支撑中、大型节目制作网运行，选择合适的万兆存储阵列较为重要。市面上已经拥有众多厂家推出了万兆以太网络交换设备，包括交换机、网卡、存储，只需要根据预算和技术需求选择合适的设备就能完成万兆制作网的搭建。

目前万兆产品已经成熟，万兆接口的存储可循范围大，例如EMC isilon X200/X400系列、华为N8500/ N9000系列存储都是采用万兆接口，存储带宽都可以线性扩展。华为、思科、H3C等厂商都陆续推出了性价比不错的万兆交换机产品、万兆接口板、万兆光模块等，以后市场上可选设备将会更多。

3 万兆以太网在广电行业的发展前景

3.1 万兆以太网技术加快电视台业务网络整合

随着电视台高清化、网络化持续、深入的发展，万兆以太网良好的向下兼容性和管理性都是高清时代电视台最需要的网络特性。目前万兆以太网通过光缆进行传输，其距离可达40 km，而且万兆网的接口有多种标准，可顺利地将局域网的范围进一步扩大，电视台的传统业务和新媒体业务通过万兆以太网在物理层面上融合是平滑的，利用万兆以太网可以和更多以太网络架构的业务网络进行无缝整合，网络结构不变，而整合后的网络结构在万兆以太网的基础上将会更加健壮。

3.2 万兆以太网技术有利于电视台超高清制作的发展

万兆以太网技术已经在电视台节目制作网中广泛应用，加速淘汰了原有封闭式的SAN结构，而目前节目制作从高清向超高清（4K）发展，超高清码率是高清的4倍以上，也就是说1轨超高清视频在非线性编辑软件上的码率至少是400 Mbit/s，在电视台业务网络中要传输如此高码率的数据，万兆以太网的带宽是完全可以支撑超高清节目素材的网络编辑，可以预见在未来5～10年中，超高清节目制作网络化也是可行的。

3.3 万兆以太网技术加快电视台主干平台的发展

现在电视台的全台主干网络都是采用ESB+EMB双网架构，媒体数据采用光纤链路传输，控制信息和元数据采用以太网进行传输，万兆以太网会改变这种架构复杂的网络结构，采用万兆以太网为支撑的全台网主干平台网络结构简单，子系统接入能力更强，特别是在全媒体时代，电视台需要更快速地整合内部网络结构，才能从容面对大融合时代的各项挑战。

4 总结

电视台IT化、网络化的转变已经发展多年，万兆以太网技术取代现有FC-SAN和千兆以太网已经是水到渠成的事情，现在高清节目制作网的应用已经可以看出万兆以太网的技术优势和发展潜力。随着万兆以太网技术的普及，被一直诟病的成本问题也会得到解决，各个厂家推出的万兆以太网解决方案也在不断完善，万兆以太网技术在电视台中大规模应用指日可待。

[1]魏大强，翟丽华.万兆以太网技术发展及应用[J].计算机网络世界，2010（11）：12.

[2]孙淑芬.NAS-SAN和FC-SAN两种技术对比分析——吉林电视台制作网建设中的选择[J].硅谷，2011（20）：15.

[3] 孙友伟.基于下一代电视传送技术的无线传感器网络[J].电视技术，2010，34（6）：54-56.

TN948

B

��健男

2014-04-14

【本文献信息】韩小兵.浅析万兆以太网技术在高清制作网中的应用[J].电视技术，2014，38（16）.