Dante技术要点及其应用

1、浅析Dante技术要点及其应用i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 o经过了十年的开展,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,网络操作局部的 复杂性、自适应性、易用性不断优化.伴随各种网络技术的参加,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根底知识和 调试技术,才能为

2、网络数字音频信号的稳定传输提供完善平安的保证.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.IDante网络音频信号的传输及其时钟同步传统的数字音频信号根本是以 TDM Time Division Multiplexing,时分复用方式 实现传输,如ADTA MADI、AES/EBU/.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

3、拓扑结构十分常用,使用 TDM方式较难实现整体同步,因止匕,Dante系统采用PTP Precision Time Protocol, 精密时间协议.PTP协议使用了 IEEE1588蚪络测量和限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,常用在对时间限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

4、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:Tt Ex u.Senile 3>nnX品叮 Ggiz Vwkw M«lptu直IM llETF3 ?t IK ZHi 2d 二 iJdrtii Jd LAO K kti 他1.1 14 ISt Iftsfi 0 fti 噫ilL.KtL«i i L i*n enm Q口 口封口口口曰口口口m d e f g 二 T#/卜 3 he _ISBUBdfTiifr-rsiSi*iV*JJ.Ui'-ld .,SJtY*JL加寸51WHS.5lat«»urt*ViX

5、COtMhu*>tnr#SlavefTTWi Sttfia tTlME1M»<l»feSavre：*Ft vbu 7 3UtuE1 D;m馆设管时钟设定前面PreferredMaster-Dante设备是否允许做主时钟Enable Sync To ExternDante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,系统会比照两 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

6、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系统每秒都会进行假设干次延时校正.如主时钟设备丧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

7、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 0.1仙的锁定 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.R 6nte设备与外部时钟设备图3设建时设定选项九海根据Dante协议标准,同步时钟偏差应小于 ±1"但在实际的应用中,如果具备 良好网络

8、设备及其适宜的设定,时钟的抖动一般小于± 0.2怏根据48 kHz采样频 率一个周期的时间是20.8小手因此,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LatencyDante协议是基于以太网网络以交换机为主进行数据的传输,相比拟于点对 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、播送限制、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,那么延时时间将会更大.Dante接口的音频设备一般会有以下两种接口方

9、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 菊花用链的网络 拓扑结构.通常情况下,每台交换机的延时量可以采用100N?古算.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.但这个延时是无法防止的,所以 用户只能根据实际系统的拓扑结构, 选择最合理白延时值.Dante Controller治理 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

10、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域更大的延时设 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00 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

11、致,系统会自动选择较高延时值进行传输.图4三个网络交换节点图6不同桌样率D3n馆设备的信号传输图5四上网络交费节点在设定项里面,1 ms是默认值,可以满足数据平安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.虽然在网络系统根底极佳的测试系统中,00 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,音频数据包可能会丧失,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限制 Multicast 数据包的路由方向,在这

12、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,并不在延时设定限制范围内.但用户可以通过对交换机进行 适宜的 QoS Quality of Service,效劳质量和 IGMP Snooping Internet Group Management Protocol Snooping,互联网组治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水平,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

13、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“激据补偿；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

14、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协议会将假设干音频通道的Flows 数据流封装为一组, 共用包头信息提升网络的利用效率.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,那么需要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Brooklyn II模块容许最内能看到实时的数据发送量

15、以及是否出现传输错误信息. 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32X4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.指出扩声返送录制图9音领信号分配及单/组摘和及愉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

16、地限制 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,那么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,将数据以播送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 16Flows x 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,那么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,

17、 Device View>Transmit tab,点选创立新组播按钮,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,尽量防止采用组播方式传输,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过滤治理水平的交换机,就可以有效地限制数 据转发到指定的接收设备.3.2 QoSQoS是网络的一种平安机制,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

18、据流都有可能被丢弃.QoS能根据用户的要求分配和 调度资源保证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效劳质 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,区分效劳、 DSCPDifferentiated Services Code Point差分效劳代码点,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.DSCF&

19、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DSC法定界 面.QoS仅在以下网络传输较拥挤或繁忙的情况下使用：质1 Dante协议中果用的4种数据的优先级编号 DSC麻签#56 CS7优先缴最高优先级功能精确时间同步协议传逋PTP决定系统时钟的稔定性#46EF音频数据传输高优先级#8 1CS1一般数据；限制.监控等信息中优先级其他单号其他其他敢指&哦拚EMirlllta“II1f NETus_ P e口 <_?u 三q片面 1 ffld>> ".X心«&

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22、AnH i0. 4,£ ,r ,“ IWL aMirU I ； 峙 m« 修猛 b! ii .J ；l国11思科交换机SGT0U/50.的DSC啜定页面演之科残传谩系统有大量的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网络系统仅有假设干台Dante设备及32通道以下的音频传输通 道,可以不使用QoS功能.为了防止日后可能增加Dante网络设备、增加其他设备的限制协议等造成音频传输丢包的可能,应考虑选用具备 QoS治理功能的交换机.3.3IGMP SnoopingIGMP Snooping是运行在

23、二层设备上的,约束、治理和限制组播数据的协议.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治理.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治理,可以有效地节省组播所占用的 带宽.图12是Dante

24、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治理的情况下,音 频数据同时也会播送到前级无线传声器、多轨播放机端,占用更多的带宽.当开启了 IGMP Snooping治理功能后,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,ShureULXD4或收端有85 Mb/s的带宽占用；IGMP Snooping治理启用后, ShureULXD4

25、m收端带宽为24 Kb/s,交换机将不需要的数据包隔离.“m fi*ri ,iwmTf 1? uiran 11,18 2W 9 皿“几3 M » dT MTs Vli U mbw 9 Er ru t ) Kr IMi Lt tafi.w IB m" rrnri I交换机启用图12 IGMP Sn口口ping应用实例演豆制茂片建-1一以下几个情况务必使用IGMP Snooping治理：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限制设备协议运行,限制协议多数采用 组播方式传输；在Dante网络内接有 Wi-Fi路由器,必

26、须启用IGMP Snooping否那么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.图 13 启用 IGMP Snooping:在群E同3国14启用Mui应的过情另外,还要为每个VLANVirtual Local Area Network虚拟局域网选定状态见图 15-开启 Snooping Status及 Querier

27、 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"?能.思科SG-300涵盖了所有的网络治理功能,能实时查询到组播的状态.图15为每个VLAN诜定状态Fortvard Alyum 力中mr f11 工 no UMbai iwn tqimtia PotiJ |m|f.ttnee =-cfi 营5FrT.irtivi C O i') O Q NCfW堂 O 6 1' 勤P«>1GE25 SEa iE27 二staleOO1JOrwDidoenO&

28、#39;OO1OM M咫踵.i*串曲E16 IGMP SnoopingFswtirdALLtii" T ",极少局部安装了 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 Al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治理,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"3.4VLA

29、N在计算机网络中,一个二层网络可以被划分为多个不同的播送域,一个播送域对 应了一个特定的用户组,默认情况下这些播送域是相互隔离的. 不同的播送域之 间要通信,需要通过一个或多个路由器.这样的一个播送域就称为VLANo 在演艺领域应用中,可以把一台交换机划分为：音频、灯光、限制、视频等相互 独立的播送域,如图17所示.野剧 I1UK：图17 VLANJM分后各专业独立使用播送城图18 LAG.链路聚合系统连接田方13.5LAGS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

30、增加带宽同时,也起到线路备份的作用：当某一线路中断时,交换时机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00 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：不管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点至ij C点,有两条路可以走,当ABC的路径不通时,可以走 ADC;C点至IJA 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

31、19.如果有播送包,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

32、况下 才使用.320 Primary/Secondaryit 备网络 物短用理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.表2四类不同网戊的特性特点适用网络Dame:可否使用CAT5较早的网络标准10Mb或100Mb网络不能使用CATie基于CATS的提升适应100Mb至iGb网络 单股硬练 具备醉蔽更佳CAT6四对双跤线中间参加十字架固定龙骨专门为IGh网络设计单股硬线,具备屏蔽更佳固定CAT7每对双蛟线都有独立的屏蔽屋,减少专为10G6网络设计标准偏燧美晟席本胆帮戊间串扰将乙比匕林在声、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