第6讲

1. 3.2.1 多媒体架构
2. 3.2.2 多媒体数据管理
3. 3.2.3 多媒体数据库系统

应用层（Applications Domain）：内容为多媒体的各种应用，主要为多媒体文档、多媒体用户界面和多媒体工具。

系统层（Systems Domain）：基于电脑技术的数据库系统、操作系统和通信系统。

媒体层（Media Domain）：暂时媒体和永久性媒体的压缩。

多媒体数据管理包括多媒体数据库和数据存储。

• 多媒体数据库与文本数据库的比较.
  1. 暂时数据：要求针对暂时的建模方式.
  2. 大量数据;需要压缩数据.
  3. 数据包含信息不明显 .
  4. 有效地存储数据要求很多的预处理，如特征提取.
  5. 要求新颖的查询机制 .
  6. 超媒体：交互式地播放数据的能力 .
• 从文本数据库系统类推出多媒体数据库系统.

• 考虑的因素
  • 实时条件的约束：多媒体数据的同步呈现可能引发性能问题.
  • 数据分享：传统的数据复制技术无法满足海量的多媒体数据处理,因此数据分享技术是很有必要的
  • 多用户/多服务器架构
    • 很多的多媒体应用是处理存放在远端的数据，这使得用户/服务器架构成为必要。
    • 一个用户端包括三层：
      • 用户交互–关注多媒体数据的输入和输出。
      • 服务器权限–允许用户端的搜索
      • 操作系统–不是多媒体数据库系统的实体部分
    • 一个服务器端包括四层：
      • 数据库管理系统
      • 检索进程
      • 文件管理
      • 操作系统

• 多媒体数据库参考架构的简图

• 多媒体数据库参考架构的详图

• 多媒体数据库发展过程中的主要步骤.
  1. 媒体收集：收集各类媒体数据，包括www,cd,tv等等.
  2. 媒体进程：用媒体特征来代表一个多媒体，包括噪声等.
  3. 媒体存储：在应用基础上存储数据和它们的特征.
  4. 媒体组织：组织媒体特征以便于检索，从而使得特征拥有一个有效的结构.
  5. 媒体查询：用简单的函数来实现有效的查询算法.

QoS（Quality of Service）服务质量，是网络的一种安全机制, 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。 在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如Web应用，或E-mail设置等。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。

* 通常QoS提供以下三种服务模型.

1. l Best-Effort service（尽力而为服务模型）.
2. l Integrated service（综合服务模型，简称Int-Serv）.
3. l Differentiated service（区分服务模型，简称Diff-Serv）.

1. 3.3.1 什么是媒体服务/服务器(Media Service/Server)
2. 3.3.2 服务模式(Service Models)
3. 媒体服务器小知识

1、可伸缩的存储管理器

 在磁盘资源上最佳地分配多媒体数据,从磁盘上有效地提取资源
 实行记忆和以磁盘为基础的I/O最优化

2、支持

相应:适时响应和不适时相应
对连续媒体的呈现
调度(混合工作量):对不同数据的处理及数据块的恢复

3、监控管理:用户管理权限等

1、随机访问和存取

使同一时间的用户访问量在相应的最小反应时间下达到最大化
缩小等待时间

2、EPPV: Enhanced Pay-per-view

在保证反应时间在某个限制和当前可用的磁盘和宽度频带的限制下,增加那些能同时访问的客户数量

例子: 随机访问模型: 50部电影,100分钟/部 需求率:1部电影/分钟 最大容量:20部电影的流量 情况1:20部电影后,没有任何多余的存储空间,第21部电影需等待80分钟,第22部等待81分钟 情况2 :20部电影后,更多的可以分配给第21部电影的存储空间需要等待直到前20部电影播放完一轮 EPPV模型: 当20部电影在放映时,电影被初始化没5分钟 在20分钟里流量被平等地分配

媒体服务器是下一代网络的重要设备。该设备在控制设备（软交换设备、应用服务器）的控制下，提供在IP网络上实现各种业务所需的媒体资源功能，包括业务音提供、会议、交互式应答（IVR）、通知、统一消息、高级语音业务等。媒体服务器具有很好的可裁剪性，可灵活实现一种或多种功能 　　主要功能： 　　·DTMF信号的采集与解码：按照控制设备发来的相关操作参数的规定，从DTMF话机上接收DTMF信号，封装在信令中传给控制设备； 　　·录音通知的发送：按照控制设备的要求，用规定的语音向用户播放规定的录音通知； 　　·会议：支持多个RTP流的音频混合功能，支持不同编码格式的混音； 　　·不同编解码算法间的转换：支持G.711、G.723、G.729等多种语音编解码算法，并可实现编解码算法之间的转换； 　　·自动语音合成：将若干个语音元素或字段级连起来构成一条完整的语音提示通知（固定的或可变的）； 　　·动态语音播放/录制：如音乐保持，Follow-me语音服务等； 　　·音信号的产生与发送：可以提供拨号音、忙音、回铃音、等待音和空号音等基本信号音； 　　·资源的维护与管理：以本地、远程两种方式，提供对媒体资源以及设备本身的维护、管理，如数据配置、故障管理。 　　系统特性： 　　先进性：采用ITU-T的H.248和SIP标准协议； 　　兼容性：能方便的在不同厂家的软交换系统完成互通； 　　高可靠性：网关提供双电源，支持热插拔。定位于电信级设备，设备端口密度达到 Oc-3。系统拥塞保护。系统采用冗余设计，可用性达到99.999%，全年系统中断时间小于3分钟； 　　易维护性：支持与SNMP网管进行通信，能在线维护系统，管理资源，事后分析等； 　　高扩展性和易升级性：独立的应用层可以为用户定制各种增值服务，并能对系统进行在线更新，最大限度的满足用户的需要； 　　灵活性：灵活的组网方式和强大的综合接入能力，可以为用户提供多种解决方案。

1. 3.4.1 存储要求
2. 3.4.2 RAID（廉价磁盘冗余阵列）技术
3. 3.4.3 光学存储技术

（1）存储和带宽要求

• 存储以字节或兆为单位
• 带宽以比特/秒或兆比特/秒为单位

例如：

    一幅图像大小为 480 x 600 (每个像素24比特),
   864k 字节 (无压缩).
   两秒内传送 => 3.456Mb/s.

    1GB 硬磁盘
    1.5小时of CD音频 或者
    36秒电视播放质量的视频
    需要800秒传送时间 (网络10Mbits/s).

下图明确表示了存储和带宽的要求：

（2）延时和延时抖动要求

• 数字音频和视频是连续的依赖于时间的媒体
• 动态媒体不仅仅是得到一个对音频和视频合理的质量回放，它的媒体样本还必须定期接收和回放

例如：一个音频回放，必须每秒得到8K个样本

• 端对端延时是一个多媒体系统、磁盘访问、ADC、编码、主机处理、网络接入和传输、缓冲、解码、DAC等所有组成部分的所有延时的总和

在大多数会话类型的应用中，端对端延时应尽量低于300毫秒

• 延时变化通常叫做延时抖动。它必须足够小，使得连续媒体数据的回放能够流畅

例如:电话中的声音和电视质量的视频，延时抖动必须低于10毫秒；高品质音频中的立体声效果，它的延时抖动必须低于1毫秒

（3）其他要求

• ①语义结构的探索
  • 对字母数字信息来说，计算机可以从数据库和文件集合中搜索和检索字母数字项
  • 把数字音频、图片、视频当做语义结构那样，从采样值系列中自动检索并显示出来，是很困难的。

• ②相关媒体的时空联系
  • 多媒体数据的检索和传输，必须协调和显示。所以，他们特定的时空联系必须以显示来得到
  • 因此，一个同步方案定义用来实现所要求的同步程度
  • 两个应用领域：面向用户和面向系统的同步

• ③错误和损失公差
  • 不像字母数字信息，我们可以允许一些多媒体信息的错误和损失
  • 像声音，我们可以允许百分之一的误码率
  • 像图像和视频，我们允许1/10000~1/1000000的误码率
  • 其他参数：数据包损失率，是一个更为严格的要求

（4）服务质量（Qos）

• 为提供一个统一框架去保证这些不同的要求，服务质量（Qos）这个概念被引入
• Qos是一些要求的集合，但它没有得到一致的公认
• Qos是多媒体应用和多媒体系统（即服务提供者）之间达成一致的“合同”
• 对Qos的要求通常以两个级别来判定：可取的服务质量和可接受的服务质量
• Qos保证可以有以下三种形式：硬性或确定性（完全符合）、软性或数据统计的（保证一定的概率）、尽力的（没有任何保证）
• 很多研究课题研究Qos，但这始终在艰难地前进

（5）文件系统

• 文件系统是操作系统中最明显的部分，文件系统的组织是操作系统的可用性和便利性的重要考虑因素。文件存储在二级存储设备，这样他们

就可以被不同的应用使用。在传统的文件系统中，存储在文件中的信息类型有数据来源、对象、图书馆和程序的可执行文件等。在多媒 体系统中，存储的信息还包括数字视频和音频及与之相关的实时“读”和“写”的要求，因而在系统的设计和执行中就会有附加的要求。

（6）传统的文件系统它可以通过为每个数据流提供足够的缓冲区和运用磁盘调度算法来实现，特别是数据的实时存储和检索的优化

• 传统的文件系统的主要目标是：
  • 为用户提供一个友好舒适的文件访问界面
  • 更有效地利用存储介质
  • 允许任意对文件的删除和扩展

（7）多媒体文件系统

• 主要目标是提供一个稳定的和及时的数据检索
• 它可以通过为每个数据流提供足够的缓冲区和运用磁盘调度算法来实现，特别是数据的实时存储和检索的优化
• 连续媒体文件越来越大的规模和他们通常会按顺序被检索是磁盘的布局优化的原因
• 连续流媒体主要属于一次写入多次读取的类型，媒体流很有可能在被记录的同时又被回放
• 因此，将连续的媒体数据以大数据块的形式连续地存储在磁盘上是合理的
• 那些有可能被同时检索到的文件就在磁盘上被分在一起
• 有了这样一个磁盘的布局，对缓冲区的要求和寻道次数就降低了
• 这种连续存储方法的缺点就是是外部碎片和在插入和删除过程中的复制开销

（8）数据管理和磁盘延伸(Data Management & Disk Spanning)

• ①数据管理
  • 命令队列：在系统CPU的干预下允许执行多个顺序命令。它有助于减少磁头转换和磁盘旋转等待时间。
  • 分散-收集：分散是一个将数据最佳地内存或磁盘可用块的过程。收集是将数据重新组合到磁盘或内存中连续的数据块上去。
• ②磁盘延伸(Disk Spanning,硬盘数据跨盘)
  • 附加多个设备到一台主机适配器
  • 通过添加驱动器增加存储容量

 RAID, 全称Redundant Array of Independent Disks，廉价磁盘冗余阵列

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1. （1）RAID的三个特性：

• ①一组磁盘驱动器被组织成为一个或多个逻辑驱动器；
• ②数据以一定方式被组织分配在这组磁盘上；
• ③使用冗余空间来构建数据重建功能，使磁盘受损时得意恢复数据。

1. （2）不同的RAID等级：

• RAID 0

将多个磁盘合并成一个大的磁盘，不具有冗余，采用并行I/O，速度最快。RAID 0也被称为带区集。数据在存放时被切成数据段，交叉存放在大小为1~64kb的块上，存取都是同时进行，所以，在所有的级别中，RAID 0的速度是最快的。但是RAID 0没有数据冗余，一旦一个磁盘损坏，所有的数据都会丢失。

  {{:coursenote:RAID_0.jpg}}

• RAID 1

使用两组磁盘相互作为镜像，另外写入速度有微小的降低。只要有一组还正常工作就可以恢复受损的数据，可靠性最高。RAID 1的原理为在主硬盘上存放数据的同时也做一份拷贝，在镜像上存放相同的数据。当任意硬盘损坏时，镜像硬盘可以代替工作。因为有镜像硬盘做数据备份，所以RAID 1的数据安全性在所有的RAID级别上来说是最好的。但是两个以上的硬盘只利用了其中之一的空间，是所有RAID上磁盘利用率最低的。

• RAID 2

RAID 2是带海明校验的交叉存取技术。RAID 2以海明码（Hamming Code）的方式将数据进行编码后分割为独立的单元，并将数据分别写入硬盘中。数据传输速度较慢。拥有高数据可靠性。主要用于在超级计算机等数据体积大，I/O需求较小的设备。

• RAID 3

RAID 3是使用了奇偶校验的并行传送技术。RAID 3以并行方式存放数据，校验码在写入数据时产生并保存在另一个磁盘上。需要实现时用户必须要有三个以上的驱动器，读写速率很高，因为校验位比较少，因此计算时间相对比较少。只提供查错而没有纠错功能。适合需要大量IO的设备。

• RAID 4

RAID 4是带奇偶校验码的独立磁盘结构。RAID 4有与RAID3类似之处，不同之处在于它对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。而RAID 3则是一次一个区块。它的特点和RAID 3类似。数据恢复比RAID 3困难。适合应用于高IO需求，不适合高数据传输率需求的设备。

• RAID 5

RAID 5是采用分布式奇偶校验的独立磁盘结构。RAID 5与RAID 4的组织方式相似，但是避免了RAID 4中的瓶颈。RAID 5的奇偶校验码存在于所有磁盘上，读出效率很高，写入效率一般，块式的集体访问效率较高。因为奇偶校验码在不同的磁盘上，所以提高了可靠性，允许单个磁盘出错。适合应用于具有大量随机的IO访问，而较少有大块数据的设备。

   
* RAID 6

RAID 6是采用两种存储的奇偶校验码的磁盘结构。在纠错能力上对RAID 5进行的改进，数据更可靠。

• RAID 7

RAID 7是优化的高速数据传送磁盘结构。RAID7所有的I/O传送均是同步进行的，可以分别控制，这样提高了系统的并行性，，每个磁盘都带有高速缓冲存储器，实时操作系统可以使用任何实时操作芯片，达到不同实时系统的需要。具有很高的数据访问效率。

1. 光学存储技术

• 指在光可读戒指上存储数据；
• 光学存储原理，在介质（如光盘）表面刻上凹坑，光照射时得以产生不同的反射变化，以此存储数据；
• 光碟拥有比磁碟更大的存储空间，可以存储高质量音频和图像；
• 数据存放密度有限。