Nghiên cứu xây dựng hệ thống máy chủ AUDIO VIDEO cho hậu kỳ sản xuất phim truyền hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

BÙI NGỌC LONG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY CHỦ AUDIO/VIDEO
CHO HẬU KỲ SẢN XUẤT PHIM TRUYỀN HÌNH

CHUYÊN NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60.48.15

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TSKH. HOÀNG ĐĂNG HẢI

HÀ NỘI – 2010


1
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Kỹ thuật số ứng dụng trong truyền hình đã làm thay đổi hồn tồn
quy trình cơng nghệ kỹ thuật truyền hình từ nhận dữ liệu cho tới xử
lý, lưu trữ, phát sóng…
Ngày nay, nhu cầu kết nối các thiết bị số với nhau và với các máy
chủ Audio/Video ở các trung tâm phát thanh truyền hình thành một

mạng đang trở thành một yêu cầu cấp bách đối với các Đài truyền
hình lớn. Việc nghiên cứu xây dựng một hệ thống máy chủ
Audio/Video và kết nối các thiết bị số thành mạng đang là một nhu
cầu thực tế, mang lại những lợi ích thiết thực cho các Đài truyền
hình.
Qua khảo sát các cơng trình nghiên cứu tới nay cho thấy, các Đài
truyền hình lớn của nước ngồi đều đã ứng dụng hệ thống máy chủ
Audio/Video, có kết nối các hệ thống thành mạng với việc ứng dụng
các công nghệ tiên tiến như Fibre Channel, SAN, RAID… Các Đài
truyền hình trong nước mới bắt đầu áp dụng các cơng nghệ mới và
hình thành mạng thiết bị. Tuy nhiên, vẫn chưa có cơng trình nghiên
cứu nào đề cập đến vấn đề xây dựng hệ thống máy chủ Audio/Video
phục vụ cho sản xuất phim truyền hình.
Để thực hiện điều đó địi hỏi cần có các nghiên cứu lý thuyết về
kiến trúc hệ thống, thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống với các yêu
cầu về các thiết bị, xử lý các luồng dữ liệu máy chủ, các chuẩn định
dạng số, lưu trữ dữ liệu. Ngoài ra, việc áp dụng hệ thống máy chủ
Audio/Video vào sản xuất hậu kỳ đòi hỏi phải xây dựng tồn bộ quy
trình hoạt động (workflow) của hệ thống. Đó chính là vấn đề nghiên
cứu đặt ra trong luận văn.


2
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu trong bài luận văn là nghiên cứu xây dựng
một hệ thống máy chủ Audio/Video (Audio/Video Server System)
cho hậu kỳ sản xuất phim truyền hình.
Các vấn đề nghiên cứu được đặt ra đối với việc xây dựng hệ
thống máy chủ Audio/Video gồm có:
 Nghiên cứu các yêu cầu chung đối với kiến trúc hệ thống máy

chủ.
 Nghiên cứu các vấn đề về nhập dữ liệu vào hệ thống máy chủ.
 Xây dựng hệ thống trên cơ sở mơ hình hàng đợi nhiều server,
cơng nghệ mạng lưu trữ SAN, kỹ thuật phân cụm (Clustering).
 Áp dụng mơ hình cụm server và công nghệ mạng SAN cho
xây dựng một hệ thống máy chủ Audio/Video cho hậu kỳ sản
xuất phim truyền hình.
1.3. Các kết quả nghiên cứu đạt được của luận văn
 Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật trong xây dựng hệ thống máy
chủ Audio/Video cho hậu kỳ sản xuất phim truyền hình. Tổng
hợp được các quy trình hoạt động cần thiết của hệ thống.
 Nghiên cứu kiến trúc các máy chủ, công nghệ server, các vấn
đề về nhập dữ liệu vào hệ thống máy chủ, mã hóa tín hiệu, lưu
trữ dữ liệu vào hệ thống, vấn đề chất lượng dịch vụ và quản lý
băng thơng, kiểm sốt lỗi hệ thống.
 Trình bày các chuẩn dữ liệu cần thiết trong quy trình hoạt
động của hệ thống; phân tích, đánh giá được các phương án
lưu trữ, tùy chọn RAID, lựa chọn chuẩn, phân cụm server.
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống, đề xuất áp dụng mơ hình
hàng đợi nhiều server, công nghệ mạng lưu trữ SAN, kỹ thuật
phân cụm (Clustering) vào xây dựng hệ thống máy chủ


3
Audio/Video.
 Xây dựng được một hệ thống máy chủ Audio/Video cho hậu
kỳ sản xuất phim truyền hình trên cơ sở áp dụng mơ hình phân
cụm server và cơng nghệ mạng SAN; đề xuất lựa chọn server
đảm bảo độ tin cậy và quy trình cơng tác của hệ thống; tính
tốn dung lượng lưu trữ.

1.4. Bố cục của luận văn
Bài luận văn được bố cục thành 4 chương như sau:
 Chương I: Trình bày vấn đề cần nghiên cứu, một số khái niệm
và thuật ngữ chuyên ngành; trình bày mục tiêu và tóm tắt các
nội dung nghiên cứu chính của luận văn.
 Chương II: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống máy chủ
Audio/Video; các yêu cầu chung đối với hệ thống.
 Chương III: Đề xuất áp dụng mơ hình hàng đợi và công nghệ
SAN cho hệ thống máy chủ Audio / Video.
 Chương IV: Đề xuất một hệ thống máy chủ Audio/Video cho
hậu kỳ sản xuất phim truyền hình.
 Kết luận và hướng phát triển tiếp.
Chương 2
CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG
AUDIO/VIDEO SERVER
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống Audio/Video Server
Một hệ thống Audio/Video Server thường bao gồm các thành
phần chính như sau:
Nhận tin (Ingets) - xem xét dữ liệu nào sẽ được thu nhận vào
hệ thống và các chuẩn định dạng tín hiệu Video số.


4
Mã hoá (Encoding) - định dạng nén nào được sử dụng,
DVCPRO, MPEG, DV…
Các hình thức lưu trữ (Storage Options) – lưu trữ phân bố
hay tập trung, hoặc cả hai, dạng RAID nào cần sử dụng.
Vấn đề về băng thông, đường truyền, chia tải giảm tắc nghẽn
(Load Sharing).
Chiến lược kiểm soát hệ thống. Các hệ thống số địi hỏi phải

có chiến lược kiểm soát khác nhau. Khuyến nghị sử dụng các
tiêu chuẩn cơng nghiệp để kiểm sốt tính ổn định của thiết bị
trong hệ thống.
2.2. Nhận dữ liệu vào hệ thống máy chủ Audio/Video Server
Hiện nay người sử dụng có ít nhất 3 lựa chọn (option) để nạp dữ
liệu cho server là: a) Nhận dòng dữ liệu; b) Truyền tệp; c) Nhận tín
hiệu Audio/Video.
2.2.1. Nhận dịng dữ liệu (Streaming)
Nhận streaming là kỹ thuật có nhiều ưu điểm so với phương pháp
nhận theo từng tệp. Có hai loại chính: Streaming lưu trữ và streaming
trực tiếp.
Các tùy chọn dữ liệu có nén bao gồm: SDTI cho DV, SDTI-CP
cho MPEG hoặc dòng truyền MPEG (MTS). Với dữ liệu nén SDTI
và MTS, chất lượng dữ liệu được quyết định bởi người gửi (sender).
Dữ liệu được nạp trực tiếp vào đĩa server bỏ qua các bộ mã hoá.
2.2.2. Truyền File
Truyền file là dịch chuyển các nội dung file trong các mode đẩy
“push” và kéo “pull” qua topo điểm-điểm hoặc điểm-nhiều điểm.
Phương thức này có vai trị ngày càng tăng trong các kết nối server
trong tương lai.
2.2.3. Nhận tín hiệu Audio/Video


5
Các tuỳ chọn video bao gồm video tương tự hoặc video số nối
tiếp (SDI), ở đây ta chỉ xét định dạng tín hiệu Audio/Video số. Đó là
kỹ thuật đã q thân quen và là thông dụng cho các VTR và tất cả
các dạng Server hiện nay.
2.3. Mã hố tín hiệu
Khi video được mã hố, người sử dụng có thể chọn dạng nén và

chất lượng nén. Các tuỳ chọn thông dụng nhất hiện nay là MPEG-2,
và MPEG-IMX, DV, DVCPRO. Các tuỳ chọn khác là H.264,
MPEG4…hiện nay cũng đang được quan tâm nhiều.
2.3.1. Nhu cầu nén tín hiệu
Video số chỉ có thể được sử dụng rộng rãi khi nó u cầu khơng
lớn về bộ nhớ cũng như dung lượng đường truyền; Đây chính là
nguyên nhân và mục đích của nén tín hiệu.
2.3.2. Nén khơng tổn hao
Nén khơng tổn hao là q trình chỉ loại bỏ bớt phần dữ liệu dư
thừa. Với phương pháp này khi giải nén, tín hiệu được khơi phục lại
ngun vẹn như thơng tin ban đầu, chính xác đến từng bit.
2.3.3. Nén có tổn hao
Nén có tổn hao khơng chỉ loại bỏ đi các thông tin dư thừa, các
thông tin không phù hợp với khả năng cảm nhận của mắt người, mà
cịn loại bỏ cả một phần thơng tin ít quan trọng và chỉ tái tạo lại ảnh
gần đúng với ảnh gốc.
2.3.4. Chuẩn nén MPEG-2
Nén hiệu quả cho phép chất lượng cao ở tốc độ bit thấp. MPEG-2
là chuẩn nén được tiêu chuẩn hóa, cho phép các hệ thống MPEG
khác nhau dùng cùng các file dữ liệu (bất kể dữ liệu được lưu trong
file có thể cần phải được biến đổi như thế nào).
2.3.5. Nén DV và DVCPRO


6
Các hãng SONY và PANASONIC đã đưa ra các hệ thống DVCPro, DV và DVCAM [ ]. Các hệ thống này khép kín từ khâu Camera,
VTR đến các bộ dựng NLE. Điểm chung của các hệ thống này là
phương pháp nén DV 4:1:1 với tốc độ truyền 25 Mbits/sec hay
3,6MB/sec (do đó được gọi là DV-25) và cùng sử dụng giao diện DV
(hay IEEE 1394, hay I-Link).

2.3.6. MPEG IMX (MPEG-50)
Đây là một hệ thống khép kín của SONY bao gồm cả Camera,
VTR và NLE để có thể xử lý thơ từ A đến Z. Với tốc độ truyền
7MB/sec, gấp đôi MPEG-2, nhưng chỉ bằng 1/3 Digital-Betacam
(20MB/sec), IMX sẽ thay thế DigiBeta để tạo ra sự đột phá trong kỹ
thuật hậu kỳ phi tuyến.
2.3.7. Nén MPEG- 4
MPEG 4 phân tách từng thành phần trong luồng dữ liệu số. Việc
mã hoá của MPEG 4 được thực hiện trên cơ sở các cảnh âm thanh
hình ảnh (audiovisual scenes) được kết hợp từ các đối tượng nghe
nhìn (media objects hay audiovisual object - AVO). MPEG 4 cho
phép mỗi loại đối tượng này được mã hoá theo cách riêng để tối ưu
hoá đặc điểm tự nhiên của chúng, và cho phép chúng được truyền đi
đến người dùng như các dòng căn bản.
2.4. Vấn đề lưu trữ trên hệ thống
Thường sau khi dữ liệu được nén, nó được lưu trên đĩa. Sự tiến bộ
của cơng nghệ đĩa đã làm giảm giá thành lưu trữ rất nhiều kể từ khi
các server đầu tiên được đưa ra thị trường. Các drive đĩa đầu tiên là
các drive SCSI 2 – 4 GB. Bây giờ các drive chuẩn là 36 GB và 72
GB, và cao hơn. Các drive dựa trên Fibre Channel hiện có giá cạnh
tranh với giá của các drive SCSI nhưng cho chỉ tiêu kỹ thuật tốt hơn.
2.4.1. Một số lưu ý khi xem xét vấn đề lưu trữ video


7
Lưu trữ video cần xem xét các thông số liên quan: tốc độ dữ liệu
(data rate), giá thành lưu trữ, tốc độ truyền (transfer rate) và dung
lượng lưu trữ cực đại. Các môi trường truyền thông (media) khác
nhau sẽ cho các giải pháp khác nhau cho vấn đề lưu trữ.
2.4.2. Lưu trữ tập trung hay lưu trữ phân bố

Một vấn đề quan trọng khác cần quan tâm là cấu trúc hệ thống với
nhiều server như thế nào? Có một số tùy chọn: lưu trữ tập trung, lưu
trữ phân bố hoặc cả hai. Giải pháp tốt nhất phụ thuộc vào ứng dụng.
2.4.3. Các tuỳ chọn RAID
Có hai giải pháp RAID: RAID được trợ giúp bởi phần cứng và
RAID chỉ dựa trên phần mềm. RAID dựa phần cứng có phần cứng
riêng để tạo dữ liệu kiểm soát (parity data), và điều khiển tất cả các
chức năng của RAID. RAID chỉ dựa trên phần mềm thực hiện tất cả
các chức năng RAID bằng phần mềm, nhìn chung dùng bộ xử lý hệ
thống chính. Có 3 dạng RAID thơng dụng: RAID 1, 3 và 5.
2.5. Vấn đề về chất lượng dịch vụ và băng thông của hệ thống
2.5.1. Chất lượng của hệ thống trong thời gian thực
Đối với hệ thống Audio/Video Server dùng cho sản xuất hậu kỳ,
hai thông số thường được quan tâm là dung lượng của bộ lưu trữ và
số lượng workstation có thể truy cập đến dữ liệu. Tuy nhiên, nếu hệ
thống dùng cho các ứng dụng video và phim số trong thời gian thực
thì cần phải chú ý đến yếu tố khác đó là chất lượng dịch vụ
audio/video.
2.5.2. Các yêu cầu băng thơng vào ra của hệ thống Audio/Video
Server
Có nhiều yếu tố cần xem xét khi thiết kế mạng server. Mỗi server
sẽ có các thơng số hoạt động như tốc độ bit cho mỗi kênh I/O…
2.6. Kiểm soát lỗi hệ thống


8
Nhu cầu kiểm soát lỗi và trạng thái của hệ thống thay đổi. Trước
đây, các thiết bị kiểm soát thường là các monitor dạng sóng song
việc hiển thị tín hiệu là hạn chế. Việc theo dõi thiết bị có nhiệm vụ
lưu trữ và dịch chuyển tín hiệu là điều quan trọng. Trong các phương

thức theo dõi thì SNMP là một sơ đồ được sử dụng rộng rãi. Đó là
một chuẩn công nghiệp được thiết lập tốt cho việc theo dõi tình trạng
của các máy tính và thiết bị liên quan với nó.
2.7. Kết luận
Chương 2 đã đề cập đến các vấn đề chung của một hệ thống
Audio/Video Server dùng cho sản xuất phim truyền hình sẽ bao gồm
những thành phần gì? và hoạt động như thế nào? Những vấn đề cụ
thể đã trình bày trong chương 2 gồm có các nguồn dữ liệu thu nhận
vào hệ thống, các định dạng nén/mã hố tín hiệu, phương thức lưu
trữ và kiểm sốt lỗi của hệ thống.
Chương 3
ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG MƠ HÌNH HÀNG ĐỢI VÀ CÔNG NGHỆ
SAN CHO XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY CHỦ
AUDIO/VIDEO
3.1. Mở đầu
Đối với một hệ thống máy chủ, thường có 4 vấn đề đặt ra trong
thiết kế là:
Quản lý các luồng dữ liệu / yêu cầu đến như thế nào?
Quản lý, xử lý các tác vụ như thế nào tại các máy chủ đầu cuối?
Quản lý dung lượng xử lý các máy chủ đầu cuối?
Cấu hình các máy chủ đầu cuối.
Phần 3.2 của bài đề xuất một mô hình hàng đợi áp dụng vào xây
dựng kiến trúc hệ thống máy chủ Audio/Video. Phần 3.3 và 3.4 đề
xuất ứng dụng công nghệ SAN và kỹ thuật phân cụm. Phần 3.5 trình


9
bày các u cầu của mơ hình Audio/Video Server và phần 3.6 đề
xuất topology SAN dùng cho hệ thống máy chủ Audio/Video.
3.2. Mơ hình hệ thống máy chủ theo lý thuyết hàng đợi

3.2.1. Một số khái niệm trong lý thuyết hàng đợi
Nếu gọi A là khoảng thời gian giữa các dữ liệu đến,  là tốc độ
trung bình của dữ liệu đến, ta có thể có giá trị kỳ vọng (hay giá trị
trung bình) của A là E[A] là: E[A] = 1/ .
S là phân bố thời gian phục vụ, ta có thể có giá trị trung bình của
S là E[S]. Theo lý thuyết hàng đợi, ta có thể viết được hệ số bình
phương của phương sai (Squared Coefficient of Variation (SCV) cho
các phân bố thời gian đến và phân bố thời gian phục vụ như sau:
2
CA 

var( A)
var(S )
2
và CS 
2
E[A]
E[S ]2

(1)

Trong đó var(X) thể hiện phương sai của biến ngẫu nhiên X. Để
đơn giản hóa các tính tốn, khơng mất đi tính tổng qt, ta giả thiết
các tiến trình đến là phân bố Poisson. Như vậy, T sẽ tuân theo phân
bố mũ với giá trị trung bình là 1/ , có thể viết tắt là T ~ Exp().
Gọi  là tải (load) hay tổng số tác vụ cần xử lý trong hệ thống, 
là tốc độ phục vụ của hệ thống (dung lượng của mỗi máy chủ), ta có
thể viết:



 E[S ]


(2)

3.2.2. Tính tốn thời gian trễ trong mơ hình đa máy chủ
Trong phần sau đây, luận văn trình bày một mơ hình đa máy chủ
đơn giản với chính sách lập lịch FCFS. Hệ thống máy chủ được giả
thiết gồm K máy chủ, các tiến trình đến theo phân bố Poisson, các
tiến trình phục vụ theo phân bố tổng quát G.


10
Mơ hình M/G/K/FCFS là mơ hình tương đối phổ biến cho hệ
thống các máy chủ hiện nay . Giả thiết có K máy chủ tương tự nhau
với dung lượng mỗi máy chủ là  và một bộ đệm FCFS.
Các yêu cầu đến (dữ liệu đến) được đưa vào bộ đệm FCFS. Một
máy chủ sẽ nhận tác vụ yêu cầu từ ô đầu hàng của bộ đệm. Các yêu
cầu đến được xử lý tuần tự theo thứ tự đến của chúng. Đây cũng là
phương thức xử lý phù hợp cho các tín hiệu Audio / Video đến, vì
những ứng dụng này yêu cầu chặt chẽ về thứ tự các khung dữ liệu.
Tính tổng qt của mơ hình M/G/K/FCFS cho phép ta phân tích hệ
thống và các vấn đề về hiệu năng của hệ thống. Trễ xử lý trong hệ
thống máy chủ được tính theo cơng thức:
E [D M / M / K / FC FS ] 

J
K  (1   ) 2

(9)

1

J 

(8)

K2

1 / (1   )    Ri
i

Ri  

i  K 1

(10)

3.3. Ứng dụng công nghệ SAN trong xây dựng hệ thống máy chủ
Audio/Video
3.3.1. Giới thiệu cơng nghệ SAN
SAN (Storage Aera Networking) cịn gọi là mạng lưu trữ là một
mạng chuyên dụng, hoàn toàn tách biệt với các mạng LAN và WAN.
SAN cho phép các server dữ liệu dùng được các ưu điểm của
công nghệ I/O đĩa tốc độ cao mới như Ultra SCCI và Fibre Channel.
3.3.2. Các thiết bị I/O và điều khiển trong Server SAN
Khi các yêu cầu I/O tăng thì mạng điều khiển cũng tăng. Đối với
mỗi kênh audio/video thì phải có một cổng điều khiển cho trình ứng
dụng điều khiển.

3.4. Hệ thống máy chủ Audio/Video với mạng SAN kênh quang


11
3.4.1. Kiến trúc kênh quang
a. Lớp vật lý (Physical Layer)
Kiến trúc Fibre Channel gồm các lớp độc lập như các giao thức
mạng khác, và được chia thành 5 lớp đánh số từ 0 đến 4 (lớp 0 là lớp
thấp nhất). Lớp vật lý là lớp 0 đến lớp 2
b. Các lớp trên (Upper Layers)

• FC-3: định nghĩa các dịch vụ chung cho các node. Một dịch vụ
đã được định nghĩa là multicast, một nơi phát đến nhiều nơi.
• FC-4: định nghĩa sự ánh xạ giao thức lớp trên cùng. Các giao
thức như: FCP (SCSI), FICON và IP có thể được ánh xạ đến dịch vụ
truyền tải Fibre Channel.
c. Cấu trúc liên kết (Topology)
Fibre Channel kết nối các nodes với nhau thông qua 3 kiểu kết
nối: Point-to-point, Loop, Switched.
d. Các lớp dịch vụ
FC cung cấp một hệ thống kết nối logic gọi là các lớp dịch vụ.
Mỗi lớp dịch vụ được phân biệt bởi các giao thức Login khác nhau.
Có 5 lớp dịch vụ bao gồm từ lớp 1 đến lớp 5.
3.4.2. Các thành phần chính trong cấu hình Video Server SAN
SAN được tạo thành từ những thành phần phần cứng độc lập.
Những thành phần này được kết nối với nhau hình thành nên mạng
SAN và thường gồm những loại thiết bị như: hệ thống lưu trữ RAID,
hub, switch, bridge, server, thiết bị dự phòng (backup device), card
giao diện và cabling. Chúng được kết nối với nhau hình thành một hệ
thống audio/video Server.

3.5. Các u cầu đối với mơ hình Audio/Video Server SAN
3.5.1. Tính tương thích và các tiêu chuẩn mạng SAN


12
Thiết bị được sử dụng có rất ít sự tương thích, ví dụ các chuyển mạch
Sự tương thích của các thiết bị Fibre Channel đã được cải thiện, mặc
dù vậy đây vẫn là một thử thách lớn nhất khi thực hiện mạng SAN.
3.5.2. Kỹ thuật phân cụm cho lưu trữ trong máy chủ
Clustering là một công nghệ máy chủ với khả năng chịu lỗi cao
cung cấp tính sẵn sàng và khả năng mở rộng. Cơng nghệ này nhóm
các server và tài nguyên chung thành một hệ thống đơn có khả năng
miễn dịch lỗi và tăng hiệu năng hoạt động. Các máy trạm tương tác
với nhóm các server như thể nhóm các server này là một hệ thống
đơn.
3.5.3. Mạng SAN đồng nhất
Mạng SAN đơn giản nhất là mạng SAN đồng nhất
(Homogeneous SAN). Mạng SAN đồng nhất bao gồm chỉ các thiết
bị của cùng một nhà sản xuất hoặc đối tác của nhà sản xuất đó. Các
thiết bị của mạng hoạt động theo một hệ điều hành duy nhất.
3.5.4. Mạng SAN không đồng nhất
Giải pháp phổ biến nhất nhưng cũng phức tạp nhất là thực hiện
mạng SAN không đồng nhất (Heterogeneous SAN) với các thiết bị
từ nhiều nhà sản xuất khác nhau.
3.6. Topology mạng SAN
Tuỳ thuộc vào đặc điểm của các ứng dụng mà có nhiều topology
(hoặc kiến trúc) khác nhau có thể được sử dụng cho mạng SAN.
3.6.1. Topology điểm-điểm
Topology điểm-điểm là cấu hình đơn giản nhất có thể có cho
mạng SAN. Cấu hình chung bao gồm một server được nối với một

thiết bị lưu trữ đứng một mình.
3.6.2. Topology kiểu mạch vòng tuỳ biến


13
Một giải pháp đạt hiệu quả về giá thành cho mạng SAN gồm
nhiều thiết bị khi lưu lượng dữ liệu tương đối nhỏ là xây dựng một
mạng quanh một hub đơn lẻ, có các thiết bị hoạt động trong topology
mạch vòng tùy biến (arbitrated loop).
3.6.3. Topology mạng chuyển mạch SAN
Tất cả các mạng SAN quy mô lớn được dựa trên một chuyển
mạch đường trục kết hợp với một số hub để tạo thành các public loop
bên trong mạng chuyển mạch (fabric). Sử dụng các chuyển mạch cho
hiệu quả rất cao vì khơng có tắc nghẽn bên trong chuyển mạch.
3.6.4. Topology dự phịng
Dự phịng trong mạng Server lưu trữ có thể được thực hiện bằng
một số phương pháp khác nhau và được thực hiện ở hai mức cơ bản,
hoặc ở mức thiết bị hoặc ở mức mạng.
3.7. Kết luận
Chương 3 trình bày về các đề xuất thiết kế hệ thống máy chủ
Audio/Video với việc áp dụng mơ hình hệ thống hàng đợi với K máy
chủ; kiến trúc SAN, kỹ thuật phân cụm cho máy chủ. Những đề xuất
trên được áp dụng để xây dựng một hệ thống máy chủ Audio/Video
cho hậu kỳ sản xuất phim truyền hình ở chương tiếp theo.
Chương 4.
ĐỀ XUẤT MỘT HỆ THỐNG MÁY CHỦ AUDIO/VIDEO CHO
HẬU KỲ SẢN XUẤT PHIM TRUYỀN HÌNH
4.1. Mở đầu
Có thể hiểu một máy chủ (server) là một máy tính có bộ nhớ lớn,
tốc độ cao, hoạt động như bộ lưu trữ dữ liệu và các chương trình ứng

dụng trong mạng. Máy chủ cho Audio hoặc Video cũng là một máy
tính như vậy.


14
Nội dung chương này sẽ phân tích, lựa chọn các cấu trúc máy
chủ; phân tích các vấn đề về khả năng mở rộng và độ tin cậy trong hệ
thống máy chủ để; trên cơ sở đó đề xuất phương án lựa chọn các máy
chủ, xây dựng một hệ thống máy chủ Audio /Video phục vụ cho sản
xuất hậu kỳ phim truyền hình.
4.2. Phân tích, lựa chọn các cấu trúc Audio/Video Server
4.2.1. Cấu trúc Server loại I
Hình 4.1 mơ tả loại Server cơ bản nhất có thể lựa chọn vào xây
dựng hệ thống. Thực chất, loại server này hoạt động giống một máy
tính nhưng với các yêu cầu vào/ra (I/O), đáp ứng thời gian và lưu trữ
chuyên dụng. Bus kết nối tập trung và công suất CPU làm giới hạn
chỉ tiêu kỹ thuật của kết nối loại này. Nhìn chung, các server loại này
thường hỗ trợ ít hơn 15 kênh video băng thơng cao (20 Mb/s).
4.2.2. Cấu trúc Server loại II
Hình 4.2 mơ tả cấu trúc server loại 2. Đó là cụm (cluster) các
server loại 1. Thông thường cụm được tạo thành khi dùng vòng kênh
sợi quang (Fibre Channel) hoặc mạng chuyển mạch (switch fabric).
4.2.3. Cấu trúc Server loại III
Hình 4.3 mô tả cấu trúc server loại 3. Đây là cấu trúc kiểu lưu trữ
chuyển mạch, còn được gọi là mạng lưu trữ (Storage Area Network
– SAN). Một biến thể khác của lưu trữ chuyển mạch là lưu trữ gắn
với mạng (Network Attached Storage – NAS). Với NAS, các tiểu hệ
thống lưu trữ (Storage Subsystem) được thay bằng file server với tiểu
hệ thống lưu trữ riêng của nó.
Trong server loại 3, mỗi node I/O nối đến một lưu trữ chung khi

dùng mạng chuyển mạch.
4.2.4. Cấu trúc Server loại IV


15
Hình 4.4 mơ tả cấu trúc server loại 4, thường được ứng dụng
trong streaming video qua mạng Internet.
4.3. Phân tích khả năng mở rộng và các vấn đề về độ tin cậy đối
với Audio/Video Server
4.3.1. Khả năng mở rộng
Tính mở rộng (scalability) chỉ khả năng mở rộng thông số của
server khi cần thiết. Ví dụ lúc ban đầu chỉ cần trang bị server có 2
đầu vào, 4 đầu ra, gọi là 2 x 4. Tuy nhiên sau đó, do nhu cầu sử
dụng, các câu hỏi đặt ra có thể là: liệu có thể nâng cấp nó thành 2 x8
hay khơng? Yếu tố nào ảnh hưởng đến tính mở rộng? Server loại nào
có tính mở rộng tốt nhất?
4.3.2. Các vấn đề về độ tin cậy của hệ thống Server
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống server,
trong đó các khía cạnh sau là chính: Độ mạnh (robustness) của server
và phần mềm tự động hóa; tính phức tạp và sự chặt chẽ (maturity)
của phần mềm; chiến lược bảo vệ lưu trữ; các thành phần dự phòng
(quạt, nguồn cung cấp, các codec…); các nút dự phòng, tất cả các
loại có thể dùng nút dự phịng, cấu hình N + N hoặc N+1.
4.4. Xây dựng hệ thống Audio/Video Server cho hậu kỳ sản xuất
phim truyền hình
4.4.1. Nhu cầu và định hướng chu trình cơng tác
Bước đầu tiên trong lựa chọn server là xác định miền ứng dụng
của nó, trả lời cho câu hỏi server cần cho mục đích gì? Ví dụ, Server
dùng cho phát sóng (playback on-air server) là hoàn toàn khác với
server cho sản xuất và server cho phát lại clip (playback clip server),

cả trong các tiêu chí về dung lượng / chỉ tiêu kỹ thuật và giá thành.
Bước thứ hai cần xem xét là giải pháp do nhà cung cấp sản phẩm đưa
ra ứng với các chu trình cơng tác (work flow).


16
4.4.2. Các yêu cầu chung đối với hệ thống máy chủ
a. hệ điều hành: MS-WINDOWS là hệ điều hành khá phổ biến nhất
hiện nay và có sẵn bản Microsoft SQL Server tích hợp.
b. Hệ thống phần cứng: Thiết bị phần cứng cho hệ thống máy chủ
Audio/Video thường được chọn theo hướng sử dụng phần cứng của
các hãng sản xuất thiết bị truyền hình chuyên dụng. Tuy nhiên, việc
lựa chọn cấu hình phần cứng phải đáp ứng về khả năng mở rộng, khả
năng thay thế và giá thành hợp lý.
c. Hệ thống quản lý dữ liệu: Đối với hệ thống làm việc trên file,
người ta quan tâm đến: định dạng file (file format), định dạng nén
(codec), định dạng vật chứa (HDD, tape), dung lượng lưu trữ, các
thông tin mô tả (metadata), mạng máy tính kết nối với hệ thống
v.v…
4.4.3. Các yêu cầu kỹ thuật cụ thể đối với hệ thống Audio/Video
cho sản xuất hậu kỳ
Các yêu cầu chính gồm: 1. Dung lượng bộ lưu trữ, 2. Độ tin cậy
3. Số lượng client kết nối tới hệ thống và số lượng các client được
truy cập theo thời gian thực; 4. Tốc độ dữ liệu trên SAN; 5. Phân
mảnh dữ liệu, 6. Xử lý thời gian thực; 7. Lưu trữ near-line
4.4.4. Một số yêu cầu khác
Một số yêu cầu khác gồm: Yêu cầu về định dạng dữ liệu Audio /
Video; Yêu cầu mã hố/nén tín hiệu;u cầu về chất lượng dịch vụ
4.5. Tính toán hiệu năng cho hệ thống máy chủ
Nội dung phần này trình bày một số tính tốn hiệu năng cơ bản

nhất cho hệ thống máy chủ và cho từng máy chủ riêng lẻ trên cơ sở
lý thuyết hàng đợi.


17
Gọi các yêu cầu đến với tốc độ đến trung bình là  (đây là kỳ
vọng của số các yêu cầu đến theo thời gian). Tốc độ phục vụ trung
bình các tác vụ u cầu là .
Tính tốn hiệu năng cho một máy chủ:
Số tác vụ (hay số khung dữ liệu) chờ trong bộ đệm máy chủ sẽ là [3]:




N  (k 1). pk  (1 )(k 1). k Hay N 
k 1

k 1

2
(1   )

Thời gian chờ của các tác vụ trong hệ thống sẽ là:

Tw 

N 1 2

 .


  (1   )  (   )

Từ các cơng thức trên, có thể tính được dung lượng bộ đệm cần
thiết trong mỗi máy chủ N để tránh tràn bộ đệm, thời gian trễ của các
khung dữ liệu khi được máy chủ xử lý Tw.
Tính tốn hiệu năng cho hệ thống với k máy chủ:
Tải  của hệ thống là:  




K .
K .

Hàm Eclang F được tính theo cơng thức [2, 3]: F 

1 P
1 P

Trong đó, P là hàm xác suất Poisson (0< P<1) và P được tính
K  1
( K . ) i

i!
theo: P  i  0
K
( K . ) i
0
i!
i 

Số tác vụ (hay số khung dữ liệu) chờ trong hệ thống máy chủ sẽ
là: N  F .


(1   )

Thời gian chờ của các tác vụ trong hệ thống sẽ là :

Tw 

F TS
.
K (1   )


18
Từ các cơng thức trên, ta có thể tính được tổng dung lượng bộ
đệm cần thiết trong hệ thống máy chủ tối thiểu và thời gian trễ trung
bình của các khung dữ liệu khi được hệ thống máy chủ xử lý.
4.6. Mẫu hệ thống Audio/Video Server cho hậu kỳ sản xuất phim
truyền hình
Hình 4.8 biểu diễn một server sản xuất trong hệ thống Audio /
Video server dùng cho sản xuất mẫu hậu kỳ phim truyền hình. Trong
hệ thống Audio/Video server này, nhiều định dạng có thể được
nhận(ingest), lưu trữ và chia xẻ giữa các ứng dụng định hướng server
khác nhau.

Hình 4.8 Audio/Video Server cho sản xuất phim truyền hình

4.7. Đặc tính kỹ thuật và một số ví dụ minh hoạ hệ thống thực

Hệ thống lưu trữ dùng chung thiết kế chuyên dụng cho môi trường
sản xuất hậu kỳ chia sẻ.
* Đặc tính kỹ thuật chính của hệ thống:
- Số client real-time: lên tới 46.
- Hỗ trợ các độ phân giải từ DV đến HD. Lên tới 2 single-stream
client ở 1:1 10 bit HD. Lên tới 2 dual-stream client ở 1:1 8-bit HD.
Lên tới 14 dual-stream client ở DNxHD 220 or 1:1 10-bit SD. Lên
tới 18 dual-stream client at 1:1 8-bit SD. Lên tới 19 dual-stream


19
client ở độ phân giải DNxHD 145. Lên tới 46 client single stream ở
độ phân giải DV25.
- Cấu hình hệ thống hỗ trợ kết nối cáp quang (4 Gb), Gigabit
Ethernet cấu hình linh hoạt.
- Khả năng mở rộng lưu trữ lên tới 128 TB (64 TB mirrored).
Mở rộng thêm tới 8 MEDIArray XT loại 16TB cho tổng dung lượng
128 TB.
- Cộng tác thời gian thực: Tăng khả năng sản xuất, kế hoạch linh
hoạt.
- Quản lý lưu trữ FlexDrive: Tăng hoặc giảm lưu trữ bởi người
sử dụng ở bất cứ thời gian nào, khơng ngắt qng quy trình làm việc.
- Chia sẻ MultiWrite: Cho phép nhiều người ghi đồng thời vào
cùng volume ở cấp độ từng Frame.
- UnityRaid: Phần mềm bảo vệ tư liệu: khả năng bảo vệ file sau
khi đã ghi tư liệu
- Khả năng AutoRecover cho phép tự động khơi phục tư liệu
chạy trên nền.
-Tính năng FlexDrive: Sửa chữa ổ đĩa Online và tự động sửa
chữa cho ổ đĩa bị lỗi: Hệ thống được cấu hình với một hot spare, ổ

đĩa được sửa chữa ngay cả khi hệ thống đang làm việc.
- Khả năng quản lý ổ đĩa thông minh, chi phí hiệu quả. Băng
thơng tăng với tỉ lệ lưu trữ, tăng hiệu suất của mạng lưu trữ và tăng
số máy trạm kết nối.
* Cấu hình máy tính quản lý FileManager đi kèm:
- Cấu hình máy chủ: Intel Pentium D915 2.8 GHz Dual Core
Processor and 2 GB SDRAM, Windows 2003 OS, dual 80 GB
System HDD, 16 Port PCIe RAID Controller, Internal 8x DVD, 24x
CD-ROM Drive.


20
- Avid UnityRAID: Bảo vệ tư liệu an toàn vượt trội so với tiêu
chuẩn RAID thông thường, cho phép bảo vệ tư liệu ở mức các vùng
lưu trữ Workspace hay các ổ cứng và tăng cương khả năng hoạt động
của hệ thống.
- Phần mềm quản lý FileManager: Unity MediaNetwork.
- 02 chassis nhớ đi kèm 8.0 TB (16 x 500 GB drives) cho dung
lượng của toàn bộ hệ thống lưu trữ là 16TB.
- Switch quang đồng bộ loại 4GB , 10 cổng loại Qlogic SB1404
kết nối Media Engine và các máy trạm dựng quang, máy chủ quản lý
tư liệu.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP
Cơng nghệ truyền hình qua những năm phát triển nhanh chóng đã
ngày càng trở nên liên quan mật thiết và chặt chẽ với công nghệ
thông tin. Nhờ ứng dụng những tiến bộ của công nghệ thông tin đã
giúp cho cơng nghệ truyền hình trở nên sinh động, đáp ứng nhu cầu
cập nhật thơng tin và giải trí nhanh chóng, kịp thời và đầy đủ.
Để hiện thực hóa những phương hướng phát triển nói trên, cần

sớm xây dựng và triển khai hệ thống Audio/Video Server với việc áp
dụng các công nghệ mới. Luận văn đề xuất một phương án trong
nhiều phương án sử dụng mạng SAN vào công tác lưu trữ, sản xuất
hậu kỳ phim truyền hình. Cùng với công nghệ SAN, luận văn cũng
đã đề xuất áp dụng mơ hình hàng đợi vào xây dựng và tính toán hiệu
năng cho hệ thống Audio/Video Server.
Việc nghiên cứu cho hồn thiện, và tối ưu hố hệ thống
Audio/Video Server cho sán xuất hậu kỳ các chương trình truyền
hình sao cho đáp ứng kịp với nhu cầu phát triển của các công nghệ
mới, là một trong những hướng phát triển khả thi tiếp theo.


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

BÙI NGỌC LONG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY CHỦ AUDIO/VIDEO
CHO HẬU KỲ SẢN XUẤT PHIM TRUYỀN HÌNH

CHUYÊN NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60.48.15

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TSKH. HOÀNG ĐĂNG HẢI

HÀ NỘI – 2010


1
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Kỹ thuật số ứng dụng trong truyền hình đã làm thay đổi hồn tồn
quy trình cơng nghệ kỹ thuật truyền hình từ nhận dữ liệu cho tới xử
lý, lưu trữ, phát sóng…
Ngày nay, nhu cầu kết nối các thiết bị số với nhau và với các máy
chủ Audio/Video ở các trung tâm phát thanh truyền hình thành một
mạng đang trở thành một yêu cầu cấp bách đối với các Đài truyền
hình lớn. Việc nghiên cứu xây dựng một hệ thống máy chủ
Audio/Video và kết nối các thiết bị số thành mạng đang là một nhu
cầu thực tế, mang lại những lợi ích thiết thực cho các Đài truyền
hình.
Qua khảo sát các cơng trình nghiên cứu tới nay cho thấy, các Đài
truyền hình lớn của nước ngồi đều đã ứng dụng hệ thống máy chủ
Audio/Video, có kết nối các hệ thống thành mạng với việc ứng dụng
các công nghệ tiên tiến như Fibre Channel, SAN, RAID… Các Đài
truyền hình trong nước mới bắt đầu áp dụng các cơng nghệ mới và
hình thành mạng thiết bị. Tuy nhiên, vẫn chưa có cơng trình nghiên
cứu nào đề cập đến vấn đề xây dựng hệ thống máy chủ Audio/Video
phục vụ cho sản xuất phim truyền hình.
Để thực hiện điều đó địi hỏi cần có các nghiên cứu lý thuyết về
kiến trúc hệ thống, thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống với các yêu
cầu về các thiết bị, xử lý các luồng dữ liệu máy chủ, các chuẩn định
dạng số, lưu trữ dữ liệu. Ngoài ra, việc áp dụng hệ thống máy chủ

Audio/Video vào sản xuất hậu kỳ đòi hỏi phải xây dựng tồn bộ quy
trình hoạt động (workflow) của hệ thống. Đó chính là vấn đề nghiên
cứu đặt ra trong luận văn.


2
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu trong bài luận văn là nghiên cứu xây dựng
một hệ thống máy chủ Audio/Video (Audio/Video Server System)
cho hậu kỳ sản xuất phim truyền hình.
Các vấn đề nghiên cứu được đặt ra đối với việc xây dựng hệ
thống máy chủ Audio/Video gồm có:
 Nghiên cứu các yêu cầu chung đối với kiến trúc hệ thống máy
chủ.
 Nghiên cứu các vấn đề về nhập dữ liệu vào hệ thống máy chủ.
 Xây dựng hệ thống trên cơ sở mơ hình hàng đợi nhiều server,
cơng nghệ mạng lưu trữ SAN, kỹ thuật phân cụm (Clustering).
 Áp dụng mơ hình cụm server và công nghệ mạng SAN cho
xây dựng một hệ thống máy chủ Audio/Video cho hậu kỳ sản
xuất phim truyền hình.
1.3. Các kết quả nghiên cứu đạt được của luận văn
 Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật trong xây dựng hệ thống máy
chủ Audio/Video cho hậu kỳ sản xuất phim truyền hình. Tổng
hợp được các quy trình hoạt động cần thiết của hệ thống.
 Nghiên cứu kiến trúc các máy chủ, công nghệ server, các vấn
đề về nhập dữ liệu vào hệ thống máy chủ, mã hóa tín hiệu, lưu
trữ dữ liệu vào hệ thống, vấn đề chất lượng dịch vụ và quản lý
băng thơng, kiểm sốt lỗi hệ thống.
 Trình bày các chuẩn dữ liệu cần thiết trong quy trình hoạt
động của hệ thống; phân tích, đánh giá được các phương án

lưu trữ, tùy chọn RAID, lựa chọn chuẩn, phân cụm server.
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống, đề xuất áp dụng mơ hình
hàng đợi nhiều server, công nghệ mạng lưu trữ SAN, kỹ thuật
phân cụm (Clustering) vào xây dựng hệ thống máy chủ


3
Audio/Video.
 Xây dựng được một hệ thống máy chủ Audio/Video cho hậu
kỳ sản xuất phim truyền hình trên cơ sở áp dụng mơ hình phân
cụm server và cơng nghệ mạng SAN; đề xuất lựa chọn server
đảm bảo độ tin cậy và quy trình cơng tác của hệ thống; tính
tốn dung lượng lưu trữ.
1.4. Bố cục của luận văn
Bài luận văn được bố cục thành 4 chương như sau:
 Chương I: Trình bày vấn đề cần nghiên cứu, một số khái niệm
và thuật ngữ chuyên ngành; trình bày mục tiêu và tóm tắt các
nội dung nghiên cứu chính của luận văn.
 Chương II: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống máy chủ
Audio/Video; các yêu cầu chung đối với hệ thống.
 Chương III: Đề xuất áp dụng mơ hình hàng đợi và công nghệ
SAN cho hệ thống máy chủ Audio / Video.
 Chương IV: Đề xuất một hệ thống máy chủ Audio/Video cho
hậu kỳ sản xuất phim truyền hình.
 Kết luận và hướng phát triển tiếp.
Chương 2
CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG
AUDIO/VIDEO SERVER
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống Audio/Video Server
Một hệ thống Audio/Video Server thường bao gồm các thành

phần chính như sau:
Nhận tin (Ingets) - xem xét dữ liệu nào sẽ được thu nhận vào
hệ thống và các chuẩn định dạng tín hiệu Video số.