Dante技术要点及其应用

浅析Dante技术要点及其应用1 引言Dante数字网络音频技术是基于千兆以太网网络传输的无压缩、专业级的数字音频传输技术（AoIP）。经过了十年的发展，Dante技术已被广泛应用在全球专业音频产品之中。Dante技术在音频系统中的运用满足了系统大规模、远距离的传输需求，支持数字音频信号网络传输的设备甚至可达数十台甚至上百台，实现设备之间的数字信号互联互通，并具有稳定可靠的信号同步等功能，网络操作部分的复杂性、自适应性、易用性不断优化。伴随各种网络技术的加入，对音频系统工程师的要求就不仅仅局限于掌握音频设备的合理选用、系统的联通调试、声音的调整，还要具备相应的网络基础知识和调试技术，才能为网络数字音频信号的稳定传输提供完善安全的保障。在网络的应用设定方面，简单的网络不再能满足大容量的系统需求。笔者综合以往在大型Dante网络应用的实践经验，结合相关的文献资料，分析并总结了Dante数字网络音频技术及其在应用中的设置方法。2 Dante网络音频技术2.1Dante网络音频信号的传输及其时钟同步传统的数字音频信号基本是以TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）方式实现传输，如ADTA、MADI、AES/EBU3等。TDM传输的局限在于信号为点对点传输（即单播），一般用串联链路或环网实现系统同步。Dante技术是基于以太网物理链接架构的音频系统，星型拓扑结构十分常用，使用TDM方式较难实现整体同步，因此，Dante系统采用PTP（Precision Time Protocol，精密时间协议）。PTP协议使用了IEEE1588（网络测量和控制系统的精密时钟同步标准）作为时钟同步，其精度可达微秒级，常用在对时间控制需求极为精准的系统内。2.1.1 主、从时钟（Master/Slave）数字电路的启动运行，需要具备三个条件：供电、时钟、复位。数字电路的所有运算都是按着一定的频率运行的，时钟是量化频率的工具。如果时钟失效，数字电路将无法正常工作。数字电路中同步时钟源有且只有一个，称为主时钟源，其余设备的时钟都是跟随、服从主时钟源的信号进行同步工作。在整个Dante网络系统中，分配主、从时钟设备，基于以下顺序决定（见图1）：PreferredMasterDante设备是否允许做主时钟；Enable Sync To ExternalDante设备是否强制外同步；Dante设备有更高的时钟优先级设置；Dante设备有更小的MAC地址。当系统内有多于一台设备具有相同的时钟选型设定，系统将按上述的顺序逐级遴选出一个主时钟设备。例如各设备、项的设定都一致，系统会对比两台设备MAC地址大小，用更小MAC地址的设备做主时钟。系统内一旦选定主时钟设备后，主时钟设备会用组播的方式将时钟信息传递到其余设备实现从时钟锁定。由于网络传输具有一定的延时，从时钟设备接收到主时钟信号会有一定的偏差值，所以从时钟设备会发出一个延时信息给主时钟设备，主时钟设备确认延时数据是合理准确后，会将延时量加嵌入时钟信息中，使所有从时钟设备都能获得稳定的同步。Dante系统每秒都会进行若干次延时校正。如主时钟设备丢失（设备失电或线路中断），系统会在从时钟设备中自动快速地按优先级重新确定新的主时钟源设备，此时系统所有的时钟关系将会重新建立。这种时钟源的切换和接管动作，仅是时钟关系的转变，转变过程中不会引起声音中断或同步时钟出错的现象。2.1.2 Dante设备与外部时钟主时钟频率可以从Dante设备自身产生，也可以强制跟随外部时钟源，见图2。强制跟随外部时钟源时，Dante设备自身时钟与外部时钟源存在约0.1s的锁定时间差。如果外部时钟源存在严重的漂移或不稳定，如48 kHz频率呈现1 kHz抖动，Dante设备自身将会重新矫正时钟频率，并再次生成给整个系统从时钟设备的延时量信息，这个矫正时间需要数秒钟。所以在这种情况下，Dante系统将会出现声音中断现象。按照Dante协议标准，同步时钟偏差应小于1s。但在实际的应用中，如果具备良好网络设备及其合适的设定，时钟的抖动一般小于0.2s。按照48 kHz采样频率一个周期的时间是20.8s，因此，只要1/100周期的时间就可以实现Dante设备与外部设备间的时钟精确锁定同步。2.2延时（Latency）Dante协议是基于以太网网络（以交换机为主）进行数据的传输，相比较于点对点的传输方式，必然会存在更长的数据传递延时。每台交换机内部会对数据包进行一系列的处理，包括而不仅限于错误校验、MAC地址学习、存储转发、碎片隔离过滤、消除回路、广播控制、子网划分等。如果在一个传输链路上存在多台交换机的级联，则延时时间将会更大。Dante接口的音频设备一般会有以下两种接口方式。唯一接口:这种设备接口具有固定的延时值，理解为一个网络终端设备。两个或以上接口（并非指Main/Redundancy主备网络接口）:这种设备内部集成了交换机模块，容许用户在不使用外部交换机设备情况下，实现“菊花串链”的网络拓扑结构。通常情况下，每台交换机的延时量可以采用100s估算。从音频用户角度来说，传输延时量越小越好，甚至“零延时”的理想状态。但这个延时是无法避免的，所以用户只能根据实际系统的拓扑结构，选择最合理的延时值。Dante Controller管理软件内有对设备延时量选择设定的选项。在设备延时设定选项中（见图3），是根据音频系统中交换机数量而选择一个延时值。这个交换机并非单指网络交换机，还包括音频设备终端的网络模块。如图4所示，音频系统中有三个网络交换节点，因此可以选择0.25 ms（或更大）的延时设定。如图5所示，音频系统中有四个网络交换节点，因此可以选择0.5 ms（或更大）的延时设定。在大型扩声系统中，返送系统一般都力求最小的延时量，最小的延时量可以使演员有更佳的听音感觉。对于图5中的系统，可以单独设定不同设备的延时量：无线传声器、交换机A、返送调音台通过了三个网络交换节点，可以选择0.25 ms的延时设定；交换机B、扩声调音台可以选择0.5 ms的延时设定。在同一个系统中，不同设备可以拥有不同的延时量。如果音频发送端和音频接收端的延时设定不一致，系统会自动选择较高延时值进行传输。在设定项里面，1 ms是默认值，可以满足数据安全通过十个网络交换节点，系统内部也预留了足够的冗余纠错时间；5 ms的设定值一般只在故障分析等特殊状态下使用，一般不会采用。虽然在网络系统基础极佳的测试系统中，0.25 ms延时值设定也可以通过十个网络交换节点，但在一般的网络情况下，如果设定了过低的延时值，音频数据包可能会丢失，造成音频信号中断的现象。如果音频数据发送采用了Multicast（组播）的传输方式，交换机需要时间分析并控制Multicast数据包的路由方向，在这种情况下，音频传输会产生出由交换机引起的1 ms延时。这个1 ms的延时量，并不在延时设定控制范围内。但用户可以通过对交换机进行合适的QoS（Quality of Service，服务质量）和IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，互联网组管理协议窥探）设定来降低该延时值（下文介绍）。2.3采样频率（SampleRate）同一个网络的音频系统内，不同采样频率的Dante设备可以共存，但设备并不具备采样率转换能力，因此不同采样频率的设备之间不能相互传输音频数据，如图6所示。在Dante Conrtoller上能显示网络上所有不同采样率的Dante设备，但不能进行相互间的路由配置。2.4量化深度（Bit Depth）在同一音频系统内，不同的Dante设备容许以不同的量化深度工作，如图7所示，在采样率相同的前提下可以相互传输音频数据包。当一个Dante设备发送24 bit量化深度的音频数据，被一个设定为32 bit的Dante设备接收，接收端自动补偿8 bit的“0”数据补偿；一个Dante设备发送32 bit量化深度的音频数据，被一个设定为24 bit的Dante设备接收，接收端自动舍弃最后8 bit的数据。2.5数据流/数据包（Flows）如果在网络系统中，每个独立的音频通道都使用各自的收发地址的包头信息，那么对于具有相同路由及设备信息的数据流，无形中产生了一定数据的冗余，增加了网络的压力。Dante协议会将若干音频通道的Flows（数据流）封装为一组，共用包头信息，提高网络的利用效率。Dante协议设定，如果具有多个相同的发送和接收端的音频通道，系统自动将以每4个音频通道封装成一个Flows进行传输，因此如果两设备之间需要单向传输32通道音频信号，则需要8个Flows。由于每个Dante设备只有有限的网络带宽，以Brooklyn II模块为例，在Transmit信息里面可以清楚看到设备正在使用的Flows数量（见图8），并且在网络状态内能看到实时的数据发送量以及是否出现传输错误信息。Brooklyn II模块容许最大传输32个Flows，因此可以实现的传输可能：发送传输4通道音频到32个不同的接收设备；发送传输8通道音频到16个不同的接收设备；发送传输16通道音频到8个不同的接收设备；发送传输32通道音频到4个不同的接收设备。所以，具有Brooklyn II模块的Dante设备，可以做到324的音频分配功能。例如可以将多轨播放机信号分配给扩声、返送、播出、录制四个系统，见图9。3 Dante网络的应用设定3.1单播（Unicast）/组播（Multicast）在默认情况下，Dante的Flows都是以单播的方式传输数据，所以能够有效地控制网络带宽资源。如果将装有Brooklyn II模块的Dante设备64路音频通道分配给超过2台的接收设备，则需要选用组播的方式进行数据传输。组播的传输方式是通过交换机硬件复制及转发，将数据以广播方式发送到网络内所有Dante接收设备。通过组播的方式，可以实现的传输可能：2路音频通道分配给40台功放设备；32路音频通道分配给6台的接收设备。Dante Virtual Soundcard 仅有16个Flows（16Flows4通道=64通道），如果需要将64通道分别传输给两个调音台（共128通道），则只能使用组播方式进行。Dante设备采用组播方式传输的设置方式如图10，Device View-Transmit tab，点选创建新组播按钮，勾选所需要进行组播的通道。在组播的Flows里面，最多可以有8路音频通道进行一组封装。在Events页面，能看到目前网络系统内组播占用的带宽。在非必要情况下，尽量避免采用组播方式传输，组播会增加交换机及网络的带宽压力，在通常情况下，组播会将数据发送到网络内所有Dante接收设备。如果选用具备IGMPSnooping或Multicast过滤管理能力的交换机，就可以有效地控制数据转发到指定的接收设备。3.2QoSQoS是网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，所有的数据流都有可能被丢弃。QoS能根据用户的要求分配和调度资源，确保重要数据不受延迟或丢弃，对不同的级别数据流提供不同的服务质量：对实时性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至丢弃。Dante协议采用的是DiffServ（Differentiated Service，区分服务）、DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点），是基于分类的QoS技术，不需要信令支持。在网络入口处，网络设备检查数据包内容，并为数据包进行分类和标记，所有后续的QoS策略都依据数据包中的标记做出。DSCP在网络中部署了64种不同的数据优先级，Dante协议应用了其中4种数据（见表1）并需要进行优先级设定。图11是思科交换机SG-300/500的DSCP设定界面。QoS仅在以下网络传输较拥挤或繁忙的情况下使用：系统有大量的Multicast应用；与其他网络设备共用交换机系统，如互联网、安防监控、设备监控等；使用百兆网络硬件；在超小型Dante网络系统（仅有若干台Dante设备及32通道以下的音频传输通道），可以不使用QoS功能。为了避免日后可能增加Dante网络设备、增加其他设备的控制协议等造成音频传输丢包的可能，应考虑选用具备QoS管理功能的交换机。3.3IGMP SnoopingIGMP Snooping是运行在二层设备上的，约束、管理和控制组播数据的协议。当Dante系统内使用了较多的组播传输，或网络内包含其他种类的组播数据，就应该启用IGMP Snooping管理。IGMP Snooping的运作方式可以大致描述如下：每组MulticastFlow在交换机内都会被分配一个IP地址；交换机自动侦测所有组播数据的IP地址；如果Dante接收设备需要接收MulticastFlow，设备会自动向交换机提出请求；交换机接到请求后，将组播数据包转发到该Dante接收设备，不会进行大面积广播。因此在一个网络系统内，通过IGMP Snooping管理，可以有效地节省组播所占用的带宽。图12是Dante Virtual Soundcard的应用实例，通过组播的方式传输音频数据到FOH和Monitor两张调音台。如果在不具备IGMP Snooping管理的情况下，音频数据同时也会广播到前级无线传声器、多轨播放机端，占用更多的带宽。当开启了IGMP Snooping管理功能后，交换机可以自动识别组播数据，并判断Dante设备自身的接收请求信息（请求以路由连通为信标，自动产生），只把数据包发送到两张调音台。通过网络信息页面可以看到，在交换机不启用IGMP Snooping管理时，ShureULXD4Q接收端有85 Mb/s的带宽占用；IGMP Snooping管理启用后，ShureULXD4Q接收端带宽为24 Kb/s，交换机将不需要的数据包隔离。以下几个情况务必使用IGMP Snooping管理：在百兆网络（交换机）架构情况下，使用组播功能会很快占用所有网络带宽；同一网络内，使用组播传输的同时有其他控制设备协议运行，控制协议多数采用组播方式传输；在Dante网络内接有Wi-Fi路由器，必须启用IGMP Snooping，否则Dante组播数据会泛洪到Wi-Fi路由器，路由器会承受不住大量的数据传输而宕机。以思科SG-300交换机为例，对启用IGMP Snooping（见图13）功能进行配置IGMPSnooping（见图14）：Multicast menu菜单启用Multicast Filtering选择IP Group Address。另外，还要为每个VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）选定状态（见图15）开启Snooping Status及Querier StatusQuery Interval填入30IGMP版本选择IGMPV3。不是所有具备IGMP Snooping功能的交换机都具备“Query”功能。思科SG-300涵盖了所有的网络管理功能，能实时查询到组播的状态。极少部分安装了Dante Virtual Soundcard的计算机，在连接到启动了IGMP Snooping功能的交换机时，可能出现音频信号中断或哑音现象。此时需要将连接计算机的交换机端口状态改为“Forward All”发送全部。Forward All设定只需在出现音频信号不能正常传输时使用，此时该端口所有的组播数据将不受IGMPSnooping管理，以默认方式泛洪到该端口。如图16所示，将端口7、8改为“Forward All”。3.4VLAN在计算机网络中，一个二层网络可以被划分为多个不同的广播域，一个广播域对应了一个特定的用户组，默认情况下这些广播域是相互隔离的。不同的广播域之间要通信，需要通过一个或多个路由器。这样的一个广播域就称为VLAN。在演艺领域应用中，可以把一台交换机划分为：音频、灯光、控制、视频等相互独立的广播域，如图17所示。3.5LAGs链路聚合链路聚合是将两个或更多数据信道结合成一个单个的信道（见图18），该信道以更高带宽的逻辑链路出现。链路聚合一般用来连接一个或多个带宽需求大的设备，例如连接骨干网络。在增加带宽同时，也起到线路备份的作用：当某一线路中断时，交换机会将所有数据传输转移到完好的线路上，倒换过程会使Dante系统产生约0.5 s的静音。链路聚合是相对廉价的物理线路备份方案。3.6STP（Spanning Tree Protocol，生成树）生成树协议拓扑结构的原理是：不论交换机（网桥）之间采用怎样物理联接，交换机能够自动发现一个没有环路的拓扑结构的网路进行数据交换。如图19的网络中，A点到C点，有两条路可以走，当ABC的路径不通时，可以走ADC；C点到A点也是，路径CDA不通时可以走CBA。如网络在某一时刻生成树协议形成，自动阻塞了B到C的端口，那么网络拓扑就会变成图19。如果有广播包，一定会终结于B点或C点，不会循环转发。如果某个线路中断（如AB之间线路），交换机需要时间转换成ADCB方向顺序地生成树拓扑结构，转成时间会引起Dante系统产生约2 s的声音中断。但如果把AB之间线路重新恢复，交换机需要时间重新计算生成树拓扑结构，包括AB点之间的线路以及ABCD点的循环，Dante系统可能会产生超过10 s的声音中断。STP与Dante两者相互兼容，但是STP恢复速度远比Dante自身的Primary/Secondary（主、备）双网络（见图20）切换慢。所以在架构Dante网络系统时，实现主备交换机网络即可，STP只是在兼顾其他数据传输且十分必要情况下才使用。4 网络设备4.1网线Dante是基于1Gb（ 千兆）以太网络的协议，而其他绝大多数网络音频协议都是基于100Mb（百兆）进行传输，如CobraNet、EtherSound等。常用的网线一般分为四类：五类、超五类、六类、七类，主要的特点性能以及在Dante网络系统中选择的方式如表2所示。在声、光、电、焰火等大型复杂的演出中，整个系统环境空间可能有非常复杂的电磁干扰，如大量对讲机、设备机械的开关、电机运动等，所以选择具有屏蔽层的网线能有效保护的信号传输，但具备屏蔽层的网线在敷设和终端接口的制作上需要更高的施工工艺要求。铜芯网线一般使用长度不能超过100 m。网线内部的结构变化对数据传输产生的影响较为严重（阻抗改变等），因此对于经常进行收放的流动网线控制在60 m内使用较为安全。目前检测网线基本都是使用通断测量器，通过检查8芯通断状况，判断网线质量，但经常遇到线路通、数据不能传输的情况。原因是网线的品质不仅限于通断，国际和国家标准对网线有严格的电气性能测试指标和测试方法。主要指标包括：频率（MHz）、回波损耗（ReturnLoss）、衰减（Attn）、近端串音（Next）、近端串音功率和（PSNEXT）、等效远端串音功率和（PSELFEXT）、衰减串音比（ACR）、衰减串音功率和比（PSACR）、延时偏差（DelaySkew）、传输延时（PropDelay）等十多项。专业领域测量网线电气性能采用FLUKE（福禄克）测量仪器，测量结果被专业机构认可，但价格高昂，据了解在中国仅一家专业音频公司拥有其成套网络测量机型。4.2光纤当网络传输距离超过100 m时应采用光纤进行网络传输。常用光纤主要有两类。多模光纤：50/125m（欧洲标准），62.5/125m（美国标准），传输距离500 m，损耗较大，光转换节点有限。单模光纤：8/125m，9/125m，10/125m，传输距离10 km，损耗较少，容许有多个光纤耦合器和跳线架连接的节点。网线与光纤之间的信号传输需要通过转换器进行转换：一种是使用安装在交换机内的光纤模块，这种方式系统相对稳定，排查故障比较方便；另一种是外置一个转换器，转换器需要单独加电、固定、线路连接，增加了故障节点。4.3交换机在网络设备选购上，交换机的分类和细节功能非常繁多。对于Dante网络而言，交换机选型有以下侧重点：每个接口最高速率为1 Gb/s（或者更高）；交换机容量（背板带宽）不少于两倍的接口速率（如12个1 Gb/s接口的交换机，背板带宽应该不少于24 Gb/s），保证端口转发数据的准确性；对于EEE（Energy Efficient Ethernet）绿色电源管理，非管理交换机不能有EEE功能；具有管理功能的交换机必须具有禁用EEE功能的选项。对于更优的交换机选择，可以从以下方面考虑：具备完善的网络管理功能（上文提及的网络需求）；网页管理和代码管理方式共存；具备DHCP三层功能；内置电源模块；静音散热或静音风扇散热；可安装光纤模块；机架安装配件；错误报告和故障分析软件。5 结论通过对Dante数字网络音频技术协议要求的分析和总结，可以为专业音频工程师在Dante网络系统架构的搭建和调试时提供一定的入门指引。随着科技的进步与发展，网络化的应用将更多地渗透到各行各业中，因此综合的学科运用亦是音频工作者不断追求的目标。