利用IEEE1394技术组建视频局域网

　　关键词：IEEE1394，视频局域网。
　　IEEE1394原为Apple公司开发的计算机接口技术，被称为Fire Wire(火线)。1995年，IEEE制定并颁布了IEEE1394－1995标准。IEEE1394作为一种串行接口，其目的在于取代并行接口SCSI(Small Computer System Interface，小型计算机系统接口)来实现外围设备与计算机的连接。作为一种数据传输的开放式技术标准，IEEE1394技术广泛应用于视、音频领域，支持的产品包括数码相机、数字摄像机及数字录像机等。同时在计算机硬盘和网络互连等方面。
　　目前，随着网络技术发展越来越成熟，最常见的是100Mbps以太网，对外部数据传输要求而言，这个速度已经足够。因为目前最高速的宽带网络服务只能达到几Mbps的数据流量，即使是10Mbps的以太网也足以应付。但是，对于经常传送大量视音频资料的电视台而言，100Mbps的速度就显得不太够用。而IEEE1394能够以100Mbps、200Mbps和400Mbps的高速率进行声音·图像信息的实时传送，还可以传送数字数据以及设备控制指令，因此，我们可以利用通过IEEE 1394创建高速的视频局域网络，来传送视音频资料。
一、IEEE1394技术概述
1.IEEE1394的主控制器接口
　　IEEE1394开放式主控制器接口（OHCI）是向所有准备支持IEEE1394技术的厂商提供的开放式标准。OHCI由物理层、链路层、事务层和串行总线管理四个部分组成。具体如下：
（1）物理层
　　物理层主要提供设备和线缆之间的电气和机械连接，处理数据传输和接收，确保所有设备可以访问总线。
（2）链路层
　　链路层提供同步和异步模式下的数据包确认、定址、数据校验及数据分帧等。
（3）事务层
　　事务层只处理异步数据包，提供Read、Wire 和Lock 命令。Read命令向发出方传回数据；Wire命令向接收方发送数据；Lock 命令通过生成往返通路实现Read和Wire功能。
（4）串行总线管理
　　串行总线管理提供全部总线的控制功能，包括确保向所有总线 连接设备的电力供应，优化定时机制，分配同步通到ID，处理基本错误提示等。
　　在实际操作过程中，如果进行异步传输，数据发送方和接收方互换地址，然后进行数据传输。当接收方收到数据包时，会向发送方传回确认信息。接收方没有收到数据包，则启动错误修复机制。如果进行同步传输，发送方首先要获得一个特定带宽的数据通道。然后将通道ID附加在所要传输的数据中一起发送。接收方对数据流进行检测，只有当发现具有特定ID信号的数据时才进行接收。同步数据传输模式在优先级上高于异步传输模式。
　　在OHCI规范中没有任何对数据调制或解调的规定。这是因为IEEE1394是一种全数字协议，在数字传输过程中不需要进行任何的数模转换，从而大大节省了系统的开销。
2．IEEE1394的性能特点
IEEE1394的主要特点如下：
（1）占用空间小
　　IEEE1394串行总线共有六条铜质导线，其中两条用于设备供电，四条用于数据信号传输。相对于并行总线，串行总线更节省空间。
（2）廉价
　　IEEE1394串行总线的控制软件和连接导线的实现成本都比并行总线要低，而且不需要解决信号干扰问题，因此成本更加低廉。
（3）速度快并具有可扩展的数据传输速率
　　数据传送速度高 能够以100Mbps、200Mbps和400Mbps的速率来传送动画、视频、音频信息等大容量数据，并且同一网络中的数据可以用不同的速度进行传输。IEEE1394.b的传输速率可以提升到800Mbps，1.6Gbps甚至3.2Gbps。
（4）同时支持同步和异步两种数据传输模式
　　在同步数据传输的同时可进行异步数据传输，可进行等时传送，在一定的时间内能够进行数据的顺序传送，从而将数字声音·图像信息实时准确地传送至接收设备。
（5）支持点对点传输
　　不需要个人电脑(PC)等核心设备，用电缆把想使用的设备连接起来即可进行数据的交换。
（6）拓扑结构灵活多样并且具有可扩展性
　　在同一个网络中可同时进行菊链式和树状连接。并可以将新的串行设备连接入串行总线节点所提供的端口，从而扩展串行总线，可将拥有两个或更多的端口的节点以菊花状连接入总线。
　　另外IEEE1394还支持即插即用，支持热插拔，支持公平仲裁，具有设备供电方式灵活，标准开放等特点。
3.IEEE1394技术在视、音频设备中的应用
　　在计算机界进行IEEE1394标准化工作的同时，家电界正在从事数字录像机的开发和商品化。一些厂商(如日本索尼公司)意识到：一旦数字录像机面市，则数字录像机与数字录像机的连接、数字录像机与PC的连接将势在必行，这些连接理所当然是数字式的，为此该公司非常重视数字接口的研究开发工作。以往在模拟录像机之间进行双向数据交换时，共需要7根电缆(图像用2根、立体声伴音用4根和控制用1根)，数字录像机由于进行的是数字信号处理，所以无需为了设备的连接而特意变成模拟信号，这样就不会产生画质劣化，数字录像机的连接也只需要1根电缆即可。索尼公司决定采用IEEE1394作为数字录像机的数字接口，这一做法经HD数字VCR协会讨论后得到了其他公司的赞成，日本的VTR厂家均开始研究基于IEEE1394的数字录像机用标准接口。
　　作为数字录像机设备连接的数字接口，要求具备以下条件：（1）以数字信号的形式进行连接。（2）只需一根电缆即可完成连接。（3）无需考虑“哪根电缆应与哪个端子相连”这样的问题。（4）能够进行电缆的热插拔。（5）根据动画的压缩传送可以预料：将来若要传送HDTV这样的高画质动画，传送速率应在40Mbps以上，可能的话应达到100Mbps。
　　IEEE1394具有100Mbps－400Mbps的传送速率，采用的是等时传送方式，能够进行声音·图像数据的实时传送。但要想应用于AV设备仍需做些改进：（1）把用于动画传送的等时传送规格中的“包括PC”改为“不包括PC”。（2）使得能够利用IEEE1394来传送AV设备的控制指令。（3）把6针连接器／6芯电缆改为4针连接器／4芯电缆以便应用于小型设备。计算机界推出的数字接口由于有AV设备厂商参与策划其标准化，从而大大增强了与AV设备的亲和性。IEEE1394因此逐步发展成为AV设备、多媒体设备及系统的最适用接口。其具体应用如下：
(1)动画信息的传送
　　能够实时传送SD－VCR、HD－VCR、SDL－DVCR和MPEG－2的动画信息以及音频·音乐信息。一个周期为125μs，留有对信息进行多重处理的余地，比如：使用多台数字VTR就可以一边再生某一录像节目，一边记录其他节目
(2)设备间的连接
　　最多可连接63台设备，最多可进行16次转接，设备间(节点间)的电缆长度最多为4.5m，相距最远的节点之间的距离为72m(4.5m×16次转接).
(3)图像·声音·数据·指令的同时传送
　　AV设备需要实时、不间断地传送图像信号和声音信号，在传送这些信号的过程中还需同时传送设备的控制指令以及节目相关信息。以往的模拟连接需要7根电缆，而IEEE1394接口只需一根电缆就能够完成设备的相互连接，而且作为整个系统来讲，设备的操作也得以简化。该接口对“简易连接(easy connection)”和“简易操作(easy operation)”技术的实现很有益处。
(4)连接器和电缆
　　AV 设备的外形、大小和重量因用途的不同而千差万别，既有台式的，也有便携式的。特别是便携式设备，鉴于其轻、小、薄的特点，需要采用小型连接器，IEEE1394的通用连接器为6脚连接器，定义了三种类型，即数据信号用、选通信号用和电源线用。考虑到AV设备用户的实际使用情况，采用了带有纤细电缆的小型连接器，只定义了一种类型，即信号用4脚连接器。
　　目前，安装符合IEEE1394标准的数字AV接口的产品有数字摄像机、数字录像机、静画俘获板、打印机和PC等。AV设备的数字化、音频·音乐领域的数字化以及广播系统的数字化使得每个相关的设备都需要进行数字信号的输入和输出。此外，Windows 98规格中也定义了IEEE1394，从而完备了计算机与AV设备的简易连接环境。
4.利用IEEE1394组建高速视频局域网
　　目前，随着网络技术发展越来越成熟，最常见的是100Mbps以太网，对外部数据传输要求而言，这个速度已经足够。因为目前最高速的宽带网络服务只能达到几Mbps的数据流量，即使是10Mbps的以太网也足以应付。但是，对于经常传送大量视音频资料的电视台而言，100Mbps的速度就显得不太够用。而IEEE1394能够以100Mbps、200Mbps和400Mbps的高速率进行声音·图像信息的实时传送，还可以传送数字数据以及设备控制指令，因此，我们可以利用通过IEEE 1394创建高速的视频局域网络，来传送视音频资料。
　　一些需要高流量传送资料的电脑产品，如外置式硬盘、扫描仪、数码摄像机等，都极其需要IEEE 1394这种高速接口，因为它的最高速度可达400Mbps。事实上，IEEE 1394传输技术正在走向普及，并逐渐成为电脑产品的标准传输接口。象近期推出的个人电脑，有的就已经内置IEEE 1394适配卡，因此，可以利用通过IEEE 1394创建高速的视频局域网络。
　　IEEE 1394网络的安装流程为：安装IEEE 1394适配卡→安装IEEE 1394网络软件→设置网络→插上IEEE 1394接线连接电脑。和以太网相比，IEEE 1394网络花较少的步骤就可以设定好，既节省时间，又节省开支。
　　IEEE 1394网络的结构：在同一个IEEE1394网络中可同时进行菊链式和树状连接，以树状连接为例，IEEE 1394网络只需在其中一部电脑上安装IEEE 1394适配卡。由于一块IEEE 1394适配卡通常提供三个或更多的IEEE 1394接口（假设为N个），故可将N台电脑接到该电脑的IEEE 1394适配卡，并将余下的电脑分别连接这N台电脑的IEEE 1394接口。由此，整个网络便形成了一个树状结构。用户只要不关闭第一台电脑的IEEE 1394总线，整个网络都会以最理想的400Mbps速度运行。加上IEEE 1394网络不使用路由器或集线器，使整个网络的成本降低。
IEEE1394网络的主要特点和局限性如下：
（1）节点之间的最大距离不能超过4.5m。不过可以使用IEEE1394中继放大器可以将节点之间的距离延长4.5m。因为IEEE1394最多只能支持16层树形网段，所以两个端点之间的最大距离为724m（16×4.5m）。由于节点之间的最大距离不能超过4.5m，因此，IEEE1394不适应在广域网中使用。
（2）每个网段最多可以连接63台设备，IEEE1394可以实现各种复杂的网络结构。
（3）因为IEEE1394设备支持热插拔，所以可以在任何时候向IEEE1394网络加入或移除设备，既不用担心影响数据的传输，也不需要进行重新配置，系统可以根据变化的环境进行自动调整。
（4）IEEE1394网络使用的是对等结构，不需要设置专门的服务器。不过，对于那些集中进行管理或数据存储系统来说，IEEE1394 不是理想的选择。
（5）同一网络中的数据可以以不同的速度进行传输，目前可以实现的速度为100Mbps、200Mbps和400Mbps。这一点决定了在设计网络时一定要考虑到不同设备的传输性能。
二、视频局域网的组成
　　视频局域网(Video Area Network, VAN)的组成部分包括数据存储设备、存储与数据流管理设备、输入/输出装置及接通其它VAN或内容服务器的链路等。
1.存储部分
　　不管采用哪一种内容管理系统，数据的存储都是非常重要的。每个存储单元都是一种简单的阵列，在同一底板的1～2个光纤通道环路上最多可以有18路光纤通道连接到磁盘驱动器。所有驱动器都可以热插拔，存储单元中的热备份也可以在驱动器出现故障时即时对数据进行重建。进行重建的智能以及数据的剥离都由数据管理单元或主管单元控制。为提高易用性，风扇和电源模块都设计为冗余和热插拔形式的。此外，风扇转速和内部温度等操作参数都有反馈，并可以通过系统网络进行远程监测。存储单元采用光纤通道进行数据传输，好处是扩容方便，并可为主管单元或数据控制单元提供高带宽通道。还有，采用光纤通道的磁盘可以免费获得，并为以后这些设备的升级留有余地。
2.数据管理部分
　　在VAN中，数据管理单元或主管单元是整个系统的核心。VAN至少有一个主管单元，因为光纤通道磁盘与IEEE1394器件及与以太网器件的连接都要靠它。每个主管单元最多可以支持16个IEEE1394输入/输出器件，还可以管理4个独立的400Mb/s IEEE1394总线。从视频角度看，这意味着每个主管单元可以支持4路非压缩标清视频的输入/输出，或16路25Mb/s的DV或MPEG输入/输出，或者这些配置的混用。为提高灵活性，可以将3个主管单元交叉接入一个共用数据存储区，以提高视频产出能力。
　　主管单元本身是一台小而强的实时计算机，运行视频服务器、文件系统管理、RAID控制器及1394总线管理软件。为实时地运行这些功能，我们需要若干个强劲的RISC处理器和专用的用户控制器芯片。这正是本系统与基于标准计算机的系统的主要差别。
3.媒体输入/输出部分
　　主管单元将媒体数据通过IEEE1394总线送到相应的设备进行转译。有些计算机、摄像机和录像机芯可以直接与IEEE1394相连。但对视频基础设施其余部分的接口，有很多情况要求是可输送基带视频和AES音频的传统BNC端子。现已有一些符合IEEE1394标准的媒体转换器或媒体接线器来实现这个功能。
(1)非压缩的SDI和SDTI输入/输出。媒体接线器可处理10b非压缩SDI视频：同时还有处理SDTI的能力，后者可以在一条缆线上传输压缩的HD-CAM或者多个DVCPRO信号流。以4对AES的方式，最多可以支持8路24b数字音频，而且这些音频信号可以分别使用，或者嵌入视频信号中使用。该媒体接线器可以通过RS422或者IEEE1394接口应用AV/C协议传输。
(2)DV和MPEG视频输入/输出。媒体接线器配有SDI输入和输出端子，可在内部以25/50Mb/s的速率对DV25、DV50、MPEG-2 I-帧媒体数据，或以2～15Mb/s的速率对MPEG-2长GOP媒体数据进行编码与解码。以4对AES的方式，最多可以支持8路24b数字音频。或者，以DV视频流容纳一对16b的AES。该媒体接线器可以通过RS422或者IEEE1394接口应用AV/C协议传输。
(3)现在市场上已经有许多第三方提供的，尤其是用于DV输入/输出的设施。总体上讲，这些设施还没有一种具备上述所有功能，但可以针对不同的应用有较好的表现；特别是在需要大量的视频输入/输出等情况下，大都有显著的节约成本特性。媒体接线器还在不断改进。
4.网络管理
　　为对VAN实施管理，需要配备专用的Manager计算机。这台计算机采用标准的Windows 2000操作系统，一般都与整个VAN系统的硬件安装在同一个机柜中。该计算机通过以太网与主管单元连接，可提供这些服务：(1)对系统配置进行管理，包括对设备命名，通过定义存储配置、视频路径、视频标准来设置系统拓扑机构，以及参考性准则等；(2)事关网络资源使用权限和许可的安全性管理；(3)事关网络运行参数检测和校正的故障处理；(4)性能管理，跟踪网络设备运行情况，并记录通信量和故障率等统计项目；(5)一台HTML服务器，实现远程诊断。
5.基础设施与接入性
　　标准的IEEE1394a铜芯电缆在不用转发器的情况下多规定用于5m左右的距离，速率可达到400Mb/s，这对同一机架内的布线已经足够。这种电缆大多用于连接同一地点的主管单元和媒体接线器。而市售高质量多芯电缆的传输距离已可达到50m，灵活性也大大提高。如果系统内的传输距离要求达到500m，就要根据IEEE1394把电缆换成光缆，同时还要配置电/光转换器，或接上一个“工作组交换机”)。该工作组交换机可以对多条IEEE1394a总线的码率进行转换，速率为400Mb/s；也可以对多条IEEE1394光缆总线进行转换，速率为800Mb/s。该交换机还有一个强有力的功能，就是可对通道进行变更。IEEE1394总线上的每个设备都分配有一个通道代码，所以只要这些代码不重复，这些设备就可以共用这条总线。问题是，许多商用的IEEE1394设备都使用同一个通道，所以它们要使用不同的总线。因为一个主管单元只有4条总线，其限制是显而易见的。工作组交换机可以用变更通道的办法解决这个问题，就是说，主管单元可以配合不同代码的设备，并为某条总线分配多个设备。
三、视频局域网的特点
　　与存储区域网(SAN)或局域网(LAN)之类存储网络相比，VAN的主要优势之一是可以预知网络的流量，这是因为它采用了IEEE1394标准，而不是其它常见的以太网或光纤通道。处理同步传输的能力和保证高比例的最大接入带宽，是设计高效率视频与媒体传送系统时应重点考虑的地方。IEEE1394设备在市场上并不短缺，它可以在单条线缆上承载400～800Mb/s。IEEE1394所能容纳的设备数量还在不断增长，为VAN新的应用奠定了基础。
　　VAN的另一个特点是，它允许对控制方式、媒体类型、媒体接口、总带宽和系统存储等进行灵活的选择。
(1)系统多由一个外部的管理系统控制，而且可以选择多种接口。其媒体接线器既可以通过RS422运行Louth VDCP或Sony协议分别控制，也可以通过IEEE1394运行AV/C协议；或者通过主管单元上的以太网接口，调用来自一个API的程序，从而实现对整个系统的控制。
(2)将不同格式的媒体以QuickTime影片的格式存储。这些媒体可以是非压缩的数字视频、MPEG、DV或者HD-CAM。
(3)媒体的输入和输出都有多种选择，比如SDV或SDI、SDTI、IEEE1394、采用标准QuickTime文件的以太网、AES/EBU和AC3数字音频。还有，在一个系统内也可以同时使用这些接口。
(4)每个主管单元都可以支持多达16个视频流(在4条IEEE1394总线上，速率为25Mb/s)。系统中的带宽可以扩展，方法是增加主管单元的数量，或者使用带有高速链路的系统。连接不同主管单元的单条IEEE1394链路可以进行多个双向实时复制；它也是连接多个系统的强效手段。
(5)应用光纤通道磁盘和附件的存储，这种方法有相当高的灵活性。通过增加存储单元，可以对系统的存储能力进行扩展；而每个存储单元大约可以容纳40h的25Mb/s的媒体；每个光纤通道环路都可以接入多个存储单元。
　　由于这种结构的灵活性和可预知性，系统的设计比较简单。
四、视频局域网的应用
1.作为代替磁带库的服务器
　　媒体服务器最常见的用途，可能就是配备有多路视频输入和输出的多路输出内容服务器。基于RS422串行链路的控制部分与各个输入/输出通道都有关联。这类应用大多是基于磁带库进行的。
2.多格式复制
　　在压缩技术和输入/输出格式方面，数据存储的灵活性使VAN成为多格式复制机构的一个理想基础。在英国安装的第一个VAN系统就是用于复制的，它采用非压缩视频进行音乐节目的复制，以用于替代数字磁带库。
3.用于联合编辑的服务器
　　编辑系统，通过IEEE1394接口与VAN直接相连；每个接口都可以在一条线缆上输入或输出数字视频、数字音频及控制信号；还可以选用以太网连接，元数据的传输只需用到昂贵的基础设施的很小部分。传统上，这种系统为与储存局域网(SAN)连接，必须选用造价高且线缆量很大的数字视频及音频接口，或者光纤通道结构。
4.用于网络媒体再利用的服务器
　　由于越来越多的媒体是通过宽带网或因特网获得的，通过这些基础设施进行媒体传输的需求也越来越强烈。有一种可选方案是从头创作适合因特网的媒体内容，但这样显然会对现有的媒体资源造成浪费。较明智的办法是将广播用的内容数据转换成网上传输的数据，并形成常规性工作。
　　该应用已在若干个业内展会上通过VAN展示过，而且正在一家大型广播机构进行试用。主管单元有一个内置的以太网接口，所以允许任何装有Quick-Time软件的PC机或苹果机通过网络使用那些广播级素材。通过配置适当的媒体转换服务器，可以把媒体在以太网上拉动，并转换成需要的因特网格式；再将其装入另一个服务器中，供分配用。由于VAN和转换引擎都可以在网络上接受控制，并已发布了API，因此该系统可以自动化运作。不必牺牲系统的实时性能就可以直接获得广播级媒体，这对工作流很有好处，而且减少了大量不必要的文件移动。
5.在资产管理方面的应用
　　从本质上，自动控制系统也可以看作是媒体资产管理系统。纯粹的媒体资产管理系统大都采用一种文件系统模型，以对媒体内容进行分层管理。这里所说的系统可以很容易地集成到这样的一个解决方案中。由于采用了可运行于网络的QuickTime，操作内容都可供利用，其集成和管理也很简单。
五、视频局域网故障的预防与处理
　　系统中的存储部分设有冗余风扇和电源模块，所有磁盘都设置了RAID保护。还可以为每个RAID增添一个热备份。其中的交换机和主管单元也都有冗余的电源模块。如果一个媒体接口出问题，将通过一个基于因特网的管理工具装入一个新的配置，使其功能由一个备用单元顶替。此外，IEEE 1394的结构是很灵活的，不管在总线上添加或减少哪个组件，这种架构都可以自动识别并将其纳入配置中。
　　尽管备有这些内置的保护机制，一些用户坚持要有一个全镜像系统。尽管这样做很直截了当，却会牵涉到管理问题。在这类情况下，主管单元之间的传送采用单条IEEE 1394链路的效果会非常好，它能同时实现多个媒体内容的拷贝，并为控制系统提供快速而可预知的复制路径；而无需依赖不必要的接口硬件。
六、技术展望
　　目前，IEEE1394标准的扩展工作正在进行。扩展工作的第一阶段是高速化和长途化，第二阶段则是对应无线方式。事实上，IEEE1394扩展的第一阶段工作已经完成。名称为“IEEE1394.b”。 IEEE1394.b的传输速率可以提升到800Mbps，1.6Gbps甚至3.2Gbps。传输电缆线使用STP（屏蔽双绞线）电缆或光缆。使用1.6Gbps时的传输距离与过去相同，仍为4.5m，但如果降低传输速率就可以相应延长传输距离。使用UTP（非屏蔽双绞线）电缆传输100Mbps时，可传输100 m，使用光缆以200Mbps 传输时还可以延长50m，。无线传输方面，使用的无线频率为5GHz和60GHz。现在，无线IEEE1394方式已越来越接近于使用。
　　IEEE1394现在正处于发展阶段，一方面在普及，另一方面在进行技术上的研究开发。随着备有该接口的设备的不断增多，有望建立易于使用的系统环境，由此可开发出新的应用项目，IEEE1394也将会成为新的总线标准。

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