基于光纤通道的实时数字图像存储
引言
实时图像存储在许多学科领域都有着十分重要的应用，如导弹跟踪、实时监控等。在这些场合中，图像数据量大，要求传输速率保持在一定值以上，而且要求误差较小，这就对硬件提出了较高的要求，而实时性尤为重要。
现在常用的图像存储技术主要是SCSI接口。SCSI是一种点对点技术，在扩充性上并不很好。虽然它在八十年代满足了当时存储设备的需求，但目前，处理速度和存储需求以倍数增长，SCSI接口就显得捉襟见肘了。这也是SAN (storage-area network，存储区域网)时代即将来临的原因。
SAN是一种通过光纤通道(FC)的千兆位传输网络，可在服务器和存储设备间提供更高的、更远的传输距离及更多的连接选择。其网络传输方式可用交换式(switched-access)或共享式(shared-access)来建立，这二种方式都能提供比现在更好的扩充性、容错复原及侦测资讯等。同时，SAN的基础架构还能随着使用的时间增长而降低管理成本。
由此我们考虑以光纤通道为基础来实现图像存储。光纤通道保证了实时性的良好实现，也为将来设备功能的扩展提供了条件。
光纤通道标准概述
光纤通道标准是由T11标准委员会(美国国家信息技术标准化委员会下属的技术委员会)制定的。
图1 光纤通道标准
定义
光纤通道是一种在计算机和海量存储器上广泛应用的高速串行接口。与SCSI接口相比，光纤通道兼有I/O通道和局域网的特性，光纤通道可以作为I/O通道和局域网的传输介质。但是光纤通道并没有包含一个更高的传输协议，只是通常的SCSI-3标准，通过光纤通道建立的IPI和IP都是在SCSI-3基础上建立起来的。光纤通道协议族如图1所示。
光纤通道协议层次
FC由一组分层功能所构成，如图2所示。FC-FS由相关功能FC-2和FC-4组成。FC-FS并不限制层间特殊接口的工作。在光纤通道标准中包括了 5个功能层： FC-0到 FC-4。
FC-0定义了接口和介质的物理特性。为了获得最大程度的灵活性、使用现有的电缆和不同的技术、并符合多种不同的系统要求，该标准包括了许多变体。例如：它包括铜线和光纤介质，速度是12.5MB/s，这一速度正在不断地翻番，达到 106.25 MB/s，或甚至达到1.0625GB/s，这通常被称为全速。负责光纤通道的标准工作小组也考虑了 2 GB/s和 4 GB/s的速度。
FC-1定义了编码/解码和传输协议。直流平衡 8B/10B码具有卓越的传输特性，并能采用低成本部件设计、时钟恢复和错误检测。8位字节编码为 10位进行传输，然后在接收端再进行解码。一部分具有特殊特性的没有使用的编码点被用来组成特殊字符。这些字符用来形成信令和帧描绘的有序集。
FC-2是编帧和信令协议层。它定义数据是如何从一个端口传输到下一个端口的。
FC-3提供公共服务，如数据分离和多点通播操作。在目前的实现方案中没有使用该层。
FC-4规定了高层协议到光纤通道低层协议的映射。当前映射的例子包括以下这些协议：小型计算机系统接口(SCSI)；智能外设接口 3(IPI-3)；高性能并行接口(HIPPI)；Internet协议(IP)；IEEE 802.2；单字节命令码集映射(SBCCS)。
光纤通道拓扑结构
FC逻辑上是双向、点对点、串行数据通道，具有大容量的性能，FC可由下列三种拓扑网的任意合并构成：
·两个节点间的一条点对点链路；
·一组由交换网(即Fabric)互连而成的N-Ports；
·一组由环拓扑网互连而成的L-Ports(Arbitrated Loop)。
光纤通道的帧
图2 光纤通道结构
图3 光纤通道拓扑结构图
图4 光纤通道的帧结构
其帧结构如图4所示。光纤通道可以允许12.5~100MB/s的数据传输速率；而且正在向着400MB/s的高传输速率努力。实际上，光纤通道除了光纤外还可以双绞线、同轴电缆作为传输介质，而在使用光纤时，在最长总线的情况下可达到100MB/s的传输速率。
图像存储介质的选择
数字图像存储的介质可以有多种选择，如存储阵列(RAID)、硬盘等。RAID已经是一项非常成熟的技术，但由于其价格比较昂贵，配置也不方便，其应用并不十分普及。因此，选用大容量的硬盘来存储数字图像。
用硬盘存储数字图像在实际应用中并不少见，近年来悄然兴起的硬盘录像机就是利用硬盘作为存储介质。最近日本各AV生产商纷纷推出HDD录像机，以取代现有的VHS录像机，而JVC更推出全球首部内置HDD功能的电视机。原因之一是硬盘的价格显著下跌，消费者也能承受内存足够大的硬盘的价格。其优点是图像质量高，免维护，无需磁带和存贮带的空间。具备远程观看实时或记录影像的功能。数字录像机的另一个优点是能以更高的分辨率记录图像，只要压缩比不太大，DVR的像素率符合CCTV的安全标准，就可拥有更好的图像质量。
更为重要的是，数字录像机的图像质量不受时间的影响，而录像带存储的信息随时间逐渐模糊。在调查几个月前发生的事件并需回放事发录像时，这点就显得尤为重要。
硬盘按接口电路可分为IDE、SCSI和FC三类，而目前的主流硬盘是前两种。FC接口硬盘是刚刚兴起的，它具有很高的通信带宽和很强的拓展性，这些都是IDE和SCSI硬盘所不能比拟的。随着光纤通信的快速发展，宽带网 的迅速普及，FC接口硬盘的应用前景是非常乐观的。知名的硬盘厂商如Seagate、IBM、Hitach等都推出了FC接口的硬盘。其数据传输速度为200MB/s，容量从9.1GB到36.7GB不等。
硬盘按存储物理介质可分为普通硬盘和电子硬盘。电子硬盘的存储物理介质用固态电子存储芯片阵列制成，抗震性能好，适用性强。
在本设计中采用具有FC接口的电子硬盘。电子硬盘除物理介质不同于普通硬盘外，其电气特性、引脚排列均可参考同样接口的普通硬盘。以希捷公司的产品为例，其FC接口和SCSI接口硬盘的主要技术参数如表1和表2所示。
电子硬盘的主要生产厂商BITMICRO的产品其数据传输率为400MB/sec。
由以上对比可看出，FC接口的性能要优于SCSI接口，而电子硬盘的性能要优于普通硬盘。
结语
随着Internet的迅速发展和宽带网的普及，光纤通道成为存储区域网(SAN)的核心技术，光纤到户是最终的目的，因而直接接入网络的FC接口设备必将得到更多的应用。具有FC接口的电子硬盘的应用，既满足了实时图像处理的要求，又为将来直接面向光纤网络做了准备。
参考文献
1 SAN存储区域网络. [美]Marc Fareley.机械工业出版社.2001
2 SCSI总线和IDE接口：协议、应用和编程.[德]Friedhelm Schmidt.中国电力出版社.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
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