基于光纖通道的實(shí)時(shí)數字圖像存儲

關(guān)鍵詞： 圖像存儲；光纖通道；電子硬盤(pán)

引言
實(shí)時(shí)圖像存儲在許多學(xué)科領(lǐng)域都有著(zhù)十分重要的應用，如導彈跟蹤、實(shí)時(shí)監控等。在這些場(chǎng)合中，圖像數據量大，要求傳輸速率保持在一定值以上，而且要求誤差較小，這就對硬件提出了較高的要求，而實(shí)時(shí)性尤為重要。
現在常用的圖像存儲技術(shù)主要是SCSI接口。SCSI是一種點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，在擴充性上并不很好。雖然它在八十年代滿(mǎn)足了當時(shí)存儲設備的需求，但目前，處理速度和存儲需求以倍數增長(cháng)，SCSI接口就顯得捉襟見(jiàn)肘了。這也是SAN (storage-area network，存儲區域網(wǎng))時(shí)代即將來(lái)臨的原因。
SAN是一種通過(guò)光纖通道(FC)的千兆位傳輸網(wǎng)絡(luò )，可在服務(wù)器和存儲設備間提供更高的、更遠的傳輸距離及更多的連接選擇。其網(wǎng)絡(luò )傳輸方式可用交換式(switched-access)或共享式(shared-access)來(lái)建立，這二種方式都能提供比現在更好的擴充性、容錯復原及偵測資訊等。同時(shí)，SAN的基礎架構還能隨著(zhù)使用的時(shí)間增長(cháng)而降低管理成本。
由此我們考慮以光纖通道為基礎來(lái)實(shí)現圖像存儲。光纖通道保證了實(shí)時(shí)性的良好實(shí)現，也為將來(lái)設備功能的擴展提供了條件。

光纖通道標準概述
光纖通道標準是由T11標準委員會(huì )(美國國家信息技術(shù)標準化委員會(huì )下屬的技術(shù)委員會(huì ))制定的。

圖1 光纖通道標準

定義
光纖通道是一種在計算機和海量存儲器上廣泛應用的高速串行接口。與SCSI接口相比，光纖通道兼有I/O通道和局域網(wǎng)的特性，光纖通道可以作為I/O通道和局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)。但是光纖通道并沒(méi)有包含一個(gè)更高的傳輸協(xié)議，只是通常的SCSI-3標準，通過(guò)光纖通道建立的IPI和IP都是在SCSI-3基礎上建立起來(lái)的。光纖通道協(xié)議族如圖1所示。
光纖通道協(xié)議層次
FC由一組分層功能所構成，如圖2所示。FC-FS由相關(guān)功能FC-2和FC-4組成。FC-FS并不限制層間特殊接口的工作。在光纖通道標準中包括了 5個(gè)功能層： FC-0到 FC-4。
FC-0定義了接口和介質(zhì)的物理特性。為了獲得最大程度的靈活性、使用現有的電纜和不同的技術(shù)、并符合多種不同的系統要求，該標準包括了許多變體。例如：它包括銅線(xiàn)和光纖介質(zhì)，速度是12.5MB/s，這一速度正在不斷地翻番，達到 106.25 MB/s，或甚至達到1.0625GB/s，這通常被稱(chēng)為全速。負責光纖通道的標準工作小組也考慮了 2 GB/s和 4 GB/s的速度。
FC-1定義了編碼/解碼和傳輸協(xié)議。直流平衡 8B/10B碼具有卓越的傳輸特性，并能采用低成本部件設計、時(shí)鐘恢復和錯誤檢測。8位字節編碼為 10位進(jìn)行傳輸，然后在接收端再進(jìn)行解碼。一部分具有特殊特性的沒(méi)有使用的編碼點(diǎn)被用來(lái)組成特殊字符。這些字符用來(lái)形成信令和幀描繪的有序集。
FC-2是編幀和信令協(xié)議層。它定義數據是如何從一個(gè)端口傳輸到下一個(gè)端口的。
FC-3提供公共服務(wù)，如數據分離和多點(diǎn)通播操作。在目前的實(shí)現方案中沒(méi)有使用該層。
FC-4規定了高層協(xié)議到光纖通道低層協(xié)議的映射。當前映射的例子包括以下這些協(xié)議：小型計算機系統接口(SCSI)；智能外設接口 3(IPI-3)；高性能并行接口(HIPPI)；Internet協(xié)議(IP)；IEEE 802.2；單字節命令碼集映射(SBCCS)。
光纖通道拓撲結構
FC邏輯上是雙向、點(diǎn)對點(diǎn)、串行數據通道，具有大容量的性能，FC可由下列三種拓撲網(wǎng)的任意合并構成：
·兩個(gè)節點(diǎn)間的一條點(diǎn)對點(diǎn)鏈路；
·一組由交換網(wǎng)(即Fabric)互連而成的N-Ports；
·一組由環(huán)拓撲網(wǎng)互連而成的L-Ports(Arbitrated Loop)。
光纖通道的幀

圖2 光纖通道結構

圖3 光纖通道拓撲結構圖

圖4 光纖通道的幀結構

其幀結構如圖4所示。光纖通道可以允許12.5~100MB/s的數據傳輸速率；而且正在向著(zhù)400MB/s的高傳輸速率努力。實(shí)際上，光纖通道除了光纖外還可以雙絞線(xiàn)、同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，而在使用光纖時(shí)，在最長(cháng)總線(xiàn)的情況下可達到100MB/s的傳輸速率。

圖像存儲介質(zhì)的選擇
數字圖像存儲的介質(zhì)可以有多種選擇，如存儲陣列(RAID)、硬盤(pán)等。RAID已經(jīng)是一項非常成熟的技術(shù)，但由于其價(jià)格比較昂貴，配置也不方便，其應用并不十分普及。因此，選用大容量的硬盤(pán)來(lái)存儲數字圖像。
用硬盤(pán)存儲數字圖像在實(shí)際應用中并不少見(jiàn)，近年來(lái)悄然興起的硬盤(pán)錄像機就是利用硬盤(pán)作為存儲介質(zhì)。最近日本各AV生產(chǎn)商紛紛推出HDD錄像機，以取代現有的VHS錄像機，而JVC更推出全球首部?jì)戎肏DD功能的電視機。原因之一是硬盤(pán)的價(jià)格顯著(zhù)下跌，消費者也能承受內存足夠大的硬盤(pán)的價(jià)格。其優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量高，免維護，無(wú)需磁帶和存貯帶的空間。具備遠程觀(guān)看實(shí)時(shí)或記錄影像的功能。數字錄像機的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能以更高的分辨率記錄圖像，只要壓縮比不太大，DVR的像素率符合CCTV的安全標準，就可擁有更好的圖像質(zhì)量。
更為重要的是，數字錄像機的圖像質(zhì)量不受時(shí)間的影響，而錄像帶存儲的信息隨時(shí)間逐漸模糊。在調查幾個(gè)月前發(fā)生的事件并需回放事發(fā)錄像時(shí)，這點(diǎn)就顯得尤為重要。
硬盤(pán)按接口電路可分為IDE、SCSI和FC三類(lèi)，而目前的主流硬盤(pán)是前兩種。FC接口硬盤(pán)是剛剛興起的，它具有很高的通信帶寬和很強的拓展性，這些都是IDE和SCSI硬盤(pán)所不能比擬的。隨著(zhù)光纖通信的快速發(fā)展，寬帶網(wǎng) 的迅速普及，FC接口硬盤(pán)的應用前景是非常樂(lè )觀(guān)的。知名的硬盤(pán)廠(chǎng)商如Seagate、IBM、Hitach等都推出了FC接口的硬盤(pán)。其數據傳輸速度為200MB/s，容量從9.1GB到36.7GB不等。
硬盤(pán)按存儲物理介質(zhì)可分為普通硬盤(pán)和電子硬盤(pán)。電子硬盤(pán)的存儲物理介質(zhì)用固態(tài)電子存儲芯片陣列制成，抗震性能好，適用性強。
在本設計中采用具有FC接口的電子硬盤(pán)。電子硬盤(pán)除物理介質(zhì)不同于普通硬盤(pán)外，其電氣特性、引腳排列均可參考同樣接口的普通硬盤(pán)。以希捷公司的產(chǎn)品為例，其FC接口和SCSI接口硬盤(pán)的主要技術(shù)參數如表1和表2所示。

電子硬盤(pán)的主要生產(chǎn)廠(chǎng)商BITMICRO的產(chǎn)品其數據傳輸率為400MB/sec。
由以上對比可看出，FC接口的性能要優(yōu)于SCSI接口，而電子硬盤(pán)的性能要優(yōu)于普通硬盤(pán)。

結語(yǔ)
隨著(zhù)Internet的迅速發(fā)展和寬帶網(wǎng)的普及，光纖通道成為存儲區域網(wǎng)(SAN)的核心技術(shù)，光纖到戶(hù)是最終的目的，因而直接接入網(wǎng)絡(luò )的FC接口設備必將得到更多的應用。具有FC接口的電子硬盤(pán)的應用，既滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)圖像處理的要求，又為將來(lái)直接面向光纖網(wǎng)絡(luò )做了準備。

參考文獻
1 SAN存儲區域網(wǎng)絡(luò ). [美]Marc Fareley.機械工業(yè)出版社.2001
2 SCSI總線(xiàn)和IDE接口：協(xié)議、應用和編程.[德]Friedhelm Schmidt.中國電力出版社.2001.3
3 Fibre Channel product manual.L. Newman/J. Coomes and W. Whittington.Seagate.1997.3.21
4 Fibre Channel framing and signaling rev 1.50.ANSI.2001