基于光纖通道的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像存儲(chǔ)

關(guān)鍵詞： 圖像存儲(chǔ)；光纖通道；電子硬盤

引言
實(shí)時(shí)圖像存儲(chǔ)在許多學(xué)科領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用，如導(dǎo)彈跟蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)控等。在這些場合中，圖像數(shù)據(jù)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(xiàn)在常用的圖像存儲(chǔ)技術(shù)主要是SCSI接口。SCSI是一種點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，在擴(kuò)充性上并不很好。雖然它在八十年代滿足了當(dāng)時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備的需求，但目前，處理速度和存儲(chǔ)需求以倍數(shù)增長，SCSI接口就顯得捉襟見肘了。這也是SAN (storage-area network，存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng))時(shí)代即將來臨的原因。
SAN是一種通過光纖通道(FC)的千兆位傳輸網(wǎng)絡(luò)，可在服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備間提供更高的、更遠(yuǎn)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)來建立，這二種方式都能提供比現(xiàn)在更好的擴(kuò)充性、容錯(cuò)復(fù)原及偵測資訊等。同時(shí)，SAN的基礎(chǔ)架構(gòu)還能隨著使用的時(shí)間增長而降低管理成本。
由此我們考慮以光纖通道為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)。光纖通道保證了實(shí)時(shí)性的良好實(shí)現(xiàn)，也為將來設(shè)備功能的擴(kuò)展提供了條件。

光纖通道標(biāo)準(zhǔn)概述
光纖通道標(biāo)準(zhǔn)是由T11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(美國國家信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)

定義
光纖通道是一種在計(jì)算機(jī)和海量存儲(chǔ)器上廣泛應(yīng)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)。但是光纖通道并沒有包含一個(gè)更高的傳輸協(xié)議，只是通常的SCSI-3標(biāo)準(zhǔn)，通過光纖通道建立的IPI和IP都是在SCSI-3基礎(chǔ)上建立起來的。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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)有的電纜和不同的技術(shù)、并符合多種不同的系統(tǒng)要求，該標(biāo)準(zhǔn)包括了許多變體。例如：它包括銅線和光纖介質(zhì)，速度是12.5MB/s，這一速度正在不斷地翻番，達(dá)到 106.25 MB/s，或甚至達(dá)到1.0625GB/s，這通常被稱為全速。負(fù)責(zé)光纖通道的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)、時(shí)鐘恢復(fù)和錯(cuò)誤檢測。8位字節(jié)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有使用的編碼點(diǎn)被用來組成特殊字符。這些字符用來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(shù)據(jù)是如何從一個(gè)端口傳輸?shù)较乱粋€(gè)端口的。
FC-3提供公共服務(wù)，如數(shù)據(jù)分離和多點(diǎn)通播操作。在目前的實(shí)現(xiàn)方案中沒有使用該層。
FC-4規(guī)定了高層協(xié)議到光纖通道低層協(xié)議的映射。當(dāng)前映射的例子包括以下這些協(xié)議：小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)；智能外設(shè)接口 3(IPI-3)；高性能并行接口(HIPPI)；Internet協(xié)議(IP)；IEEE 802.2；單字節(jié)命令碼集映射(SBCCS)。
光纖通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
FC邏輯上是雙向、點(diǎn)對點(diǎn)、串行數(shù)據(jù)通道，具有大容量的性能，F(xiàn)C可由下列三種拓?fù)渚W(wǎng)的任意合并構(gòu)成：
·兩個(gè)節(jié)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?fù)渚W(wǎng)互連而成的L-Ports(Arbitrated Loop)。
光纖通道的幀

圖2 光纖通道結(jié)構(gòu)

圖3 光纖通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖4 光纖通道的幀結(jié)構(gòu)

其幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。光纖通道可以允許12.5~100MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；而且正在向著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、同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，而在使用光纖時(shí)，在最長總線的情況下可達(dá)到100MB/s的傳輸速率。

圖像存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇
數(shù)字圖像存儲(chǔ)的介質(zhì)可以有多種選擇，如存儲(chǔ)陣列(RAID)、硬盤等。RAID已經(jīng)是一項(xiàng)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(yīng)用并不十分普及。因此，選用大容量的硬盤來存儲(chǔ)數(shù)字圖像。
用硬盤存儲(chǔ)數(shù)字圖像在實(shí)際應(yīng)用中并不少見，近年來悄然興起的硬盤錄像機(jī)就是利用硬盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)。最近日本各AV生產(chǎn)商紛紛推出HDD錄像機(jī)，以取代現(xiàn)有的VHS錄像機(jī)，而JVC更推出全球首部內(nèi)置HDD功能的電視機(jī)。原因之一是硬盤的價(jià)格顯著下跌，消費(fèi)者也能承受內(nèi)存足夠大的硬盤的價(jià)格。其優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量高，免維護(hù)，無需磁帶和存貯帶的空間。具備遠(yuǎn)程觀看實(shí)時(shí)或記錄影像的功能。數(shù)字錄像機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，就可擁有更好的圖像質(zhì)量。
更為重要的是，數(shù)字錄像機(jī)的圖像質(zhì)量不受時(shí)間的影響，而錄像帶存儲(chǔ)的信息隨時(shí)間逐漸模糊。在調(diào)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。
硬盤按接口電路可分為IDE、SCSI和FC三類，而目前的主流硬盤是前兩種。FC接口硬盤是剛剛興起的，它具有很高的通信帶寬和很強(qiáng)的拓展性，這些都是IDE和SCSI硬盤所不能比擬的。隨著光纖通信的快速發(fā)展，寬帶網(wǎng) 的迅速普及，F(xiàn)C接口硬盤的應(yīng)用前景是非常樂觀的。知名的硬盤廠商如Seagate、IBM、Hitach等都推出了FC接口的硬盤。其數(shù)據(jù)傳輸速度為200MB/s，容量從9.1GB到36.7GB不等。
硬盤按存儲(chǔ)物理介質(zhì)可分為普通硬盤和電子硬盤。電子硬盤的存儲(chǔ)物理介質(zhì)用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成，抗震性能好，適用性強(qiáng)。
在本設(shè)計(jì)中采用具有FC接口的電子硬盤。電子硬盤除物理介質(zhì)不同于普通硬盤外，其電氣特性、引腳排列均可參考同樣接口的普通硬盤。以希捷公司的產(chǎn)品為例，其FC接口和SCSI接口硬盤的主要技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。

電子硬盤的主要生產(chǎn)廠商BITMICRO的產(chǎn)品其數(shù)據(jù)傳輸率為400MB/sec。
由以上對比可看出，F(xiàn)C接口的性能要優(yōu)于SCSI接口，而電子硬盤的性能要優(yōu)于普通硬盤。

結(jié)語
隨著Internet的迅速發(fā)展和寬帶網(wǎng)的普及，光纖通道成為存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)(SAN)的核心技術(shù)，光纖到戶是最終的目的，因而直接接入網(wǎng)絡(luò)的FC接口設(shè)備必將得到更多的應(yīng)用。具有FC接口的電子硬盤的應(yīng)用，既滿足了實(shí)時(shí)圖像處理的要求，又為將來直接面向光纖網(wǎng)絡(luò)做了準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)
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2 SCSI總線和IDE接口：協(xié)議、應(yīng)用和編程.[德]Friedhelm Schmidt.中國電力出版社.2001.3
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4 Fibre Channel framing and signaling rev 1.50.ANSI.2001