并行数据库系统与多媒体对象服务器：技术剖析与挑战应对

### 并行数据库系统与多媒体对象服务器：技术剖析与挑战应对 #### 1. 多媒体应用特性与存储系统设计挑战 多媒体应用具有独特的特性，这些特性给存储系统设计带来了诸多挑战。多媒体应用对带宽和存储的需求极大，且常伴有实时性约束。不同类型的媒体，如文本、图像、视频和音频，在存储、性能和可靠性方面的要求差异显著。 - **文本**：存储和带宽需求较小（约每页12KB），对延迟不敏感，但对数据完整性要求极高。 - **图像**：存储和带宽需求较大（从约400KB每位图页面到约125MB每张放射图像不等），通常对延迟不敏感，不过在某些应用中，如医学成像，对可靠性要求严格，压缩技术需无损或至少保留图像关键部分的完整性。 - **视频和音频**：属于连续媒体，对数据传输延迟（或抖动）极为敏感。视频的存储和带宽需求极大（如彩色、全屏、全动态视频每秒约需30MB），而音频的存储和带宽消耗相对较少（如数字化语音数据每秒约需8KB）。与数值数据相比，视频和音频对可靠性的敏感度较低，因为这些媒体类型本身存在一定的冗余性。 设计多媒体存储系统面临着多重挑战： - **实时传输要求**：要满足多媒体对象（如视频）以特定带宽连续传输的实时要求。例如，播放电影时，一旦开始，必须在整个播放过程中以指定带宽持续显示。 - **按需服务提供**：需同时为多个客户端提供按需（或接近按需）服务，实现规模经济。用户期望在请求后能在短且“合理”的延迟内访问对象，而延迟可能源于存储层次结构中任何级别的资源不足，如磁盘带宽、缓冲区空间等。 - **系统扩展性难题**：适用于“小型”多媒体应用的存储系统设计往往难以扩展到“大型”应用。以两个视频点播（VOD）系统为例，一个只提供热门电影（如本周前10名电影），另一个提供所有可能的电影、电视节目、纪录片等。为前者设计的存储架构（如合理规模的RAID系统）无法简单扩展以支持后者，这是由于两个应用在用户访问模式、存储和检索成本上存在差异。 为了实现从“小型”应用到“大型”应用的经济过渡，需要全新的存储架构。例如，采用多级存储层次结构，并合理规划数据在层次结构中的迁移，将访问频率较低的对象存储在较低层次，并制定合适的方案，确保它们能及时迁移到较高层次，以满足媒体的实时或其他约束条件。 #### 2. 多媒体存储系统新应用带来的挑战 随着无线和移动通信的成熟，有效移动访问多媒体信息的机制变得愈发重要。新的应用场景带来了新的挑战： - **低带宽和小内存设备的数据传输**：需要将包括视频等连续媒体在内的多媒体数据通过相对低带宽的通道传输到内存相对较小的设备上。 - **3D显示和虚拟现实/增强现实应用的数据交付**：随着图形和图像处理技术的进步，将多媒体数据实时交付到3D显示或虚拟现实/增强现实应用中成为新的挑战。这些应用与VOD服务器有相似的实时要求，但交互性更强，如建筑漫游、科学可视化问题、分布式多媒体战争模拟、医学成像应用等。目前大多数先进系统只能处理能放入主内存的3D或虚拟世界，而当前需求要求处理的世界甚至无法存储在基于磁盘的系统中。 新应用导致的挑战主要涉及交互式、移动和无线环境： - **交互性挑战**：需要应对不可预测的工作负载变化。 - **移动性挑战**：结合磁盘和通信链路故障等传统组件故障问题，需要处理存储和通信系统“不稳定”且不断变化的拓扑结构。 - **资源限制挑战**：无线通信与多媒体数据的大带宽和存储需求相结合，意味着在无线/移动环境中，必须使用相对较少的资源（如无线传输的小“管道”、移动设备的少量内存）来交付信息。 #### 3. 多媒体应用的资源与性能指标 在多媒体应用中，主要考虑的资源包括： - **I/O带宽**：涵盖磁盘和三级设备的带宽。 - **存储空间**：包括缓冲区空间、磁盘空间和三级存储空间。 在交付多媒体数据时，管理这些资源会出现以下问题： - **数据布局**：将对象（或对象的部分）放置在二级或三级存储上。 - **调度**：为对象的读写请求分配（磁盘或三级存储）带宽和缓冲区空间。 - **访问