О протоколах без протокола

Теперь, товарищ старшина,
дозвольте пару слов без протокола…
Владимир Высоцкий

Давно известно, что технари предпочитают общаться на каком-то своём, «птичьем» языке, который окружающим непонятен и вызывает раздражение.

В этой статье мы поговорим о протоколах передачи звука по сетям Ethernet, но постараемся разобраться в этом непростом вопросе без зубодробительной технической терминологии.

ЧТО ТАКОЕ СЕТЬ ETHERNET?

Ethernet – это технология передачи данных между компьютерами, объединёнными в локальную вычислительную сеть (ЛВС). Оная была разработана почти 40 лет назад, но распространение получила в 90-х годах прошлого века, когда, опередив другие решения, стала самой распространённой. В Ethernet соединение между компьютерами осуществляется с помощью кабеля витой пары. Взгляните на торец своего ноутбука. Если вы увидите серый провод, прикрытый пластиковым колпачком, это он и есть.

ЧТО ТАКОЕ ПРОТОКОЛ И ЗАЧЕМ ОН НУЖЕН?

Протокол – это просто-напросто набор правил для решения определённой задачи, которых придерживаются все производители. Чтобы передать информацию, один и тот же протокол должен действовать и в передатчике, и в приёмнике. Причём этот протокол должно понимать как «железо», так и программное обеспечение, под управлением которого это «железо» работает. Бывает оборудование, которое «понимает» многие протоколы, а бывает, наоборот, работающее только с каким-то одним протоколом. Преимуществом первого варианта является универсальность, а преимуществом второго – наиболее полное использование возможностей избранного протокола.

А ПОЧЕМУ НЕЛЬЗЯ ПЕРЕДАВАТЬ ЗВУК ПО СЕТЕВЫМ ПРОТОКОЛАМ? РАЗВЕ ИМ НЕ ВСЕ РАВНО, ЧТО ПЕРЕДАВАТЬ?

Безусловно, всё равно. Файл – он файл и есть, а что в нём – документ Word, картинка, видео или звук – безразлично. Но проблема в том, что нужно передавать не просто звук, а т.н. «потоковое мультимедиа», когда звук непрерывно поступает с передатчика и воспроизводится приёмником в масштабе реального времени, скажем, при воспроизведении музыки онлайн. Кроме того, в рамках старых протоколов Ethernet невозможно или очень неудобно организовать, например, аудиоконференцию.

С другой стороны, за десятилетия использования сетей Ethernet во всём мире были проложены, наверное, десятки тысяч километров кабелей витой пары. Вот инженеры и решили использовать старые сети для решения новых задач. Такое уже не раз бывало в технике. Например, на ранних этапах развития Интернет для коннекта использовались телефонные линии, которые изначально для этого не предназначались, но которыми была буквально опутана вся планета. Люди постарше, наверное, помнят хрипящие и булькающие модемы…

Принцип передачи цифрового звука по сети Ethernet

ЧТО ТАКОЕ «ПРОЗРАЧНЫЙ ПРОТОКОЛ?»

Протоколов в современном хайтеке существует великое множество. К счастью, большинство из них являются «прозрачными» для пользователя, это означает, что они работают автоматически и не нуждаются в управлении. Мы с вами об их существовании можем и не догадываться. Они как суслик, которого никто не видит, а он есть! Решений для передачи звука, основанных на инфраструктуре Ethernet-сети, существует много. Самые распространённые из них – это CobraNet, EtherSound, Dante и AVB.

Общими требованиями к этим протоколам являются передача сигнала без искажений качества с задержкой не более 10 мс, возможность многоканальной передачи данных с минимальным взаимным влиянием и гибкая маршрутизация. Затраты на инсталляцию должны быть меньше, чем для обычных систем.

Если для передачи звука используют один передатчик и один приёмник, соединённые кабелем, то такой метод называют методом «точка-точка». Его главный недостаток – необходимость прокладки специальных аудио кабелей, что усложняет инсталляцию и повышает стоимость оборудования. Использование Ethernet эту проблему снимает, поскольку позволяет объединять передатчики и приёмники в сложные, разветвлённые сети.

Протокол CobraNet^® был разработан в 90-х годах прошлого века компанией Peak Audio и стал первой коммерчески успешной технологией передачи звука по кабелю витой пары. В наши дни оборудование с использованием CobraNet^® выпускается многими компаниями и, в основном, используется в средних и крупных инсталляциях (конгресс-центры, стадионы, концертные залы и т.д.). В 2001 году технологию CobraNet® купила известная компания Cirrus Logic и стала выпускать на её основе сравнительно недорогие устройства. Недостатком протокола является то, что он поддерживает только 100 Мбит Ethernet (например,100BaseT), однако отдельные сетевые сегменты могут включать линии и с более высокой скоростью передачи данных (до 1 гбит).

Протокол EtherSound^® – разработка французской компании Digigram, увидевшая свет в 2001 году. В 2003 году появились первые инсталляции с применением EtherSound®, а в 2006 году вышли улучшенные версии ES-100 и ES-Giga. К сожалению, эти протоколы не совместимы друг с другом.

EtherSound^® – это протокол, рассчитанный, прежде всего, на передачу «живого» звука с минимальными сетевыми задержками в гастрольных турах и других мобильных инсталляциях. Схема соединения устройств не сетевая, а последовательная или «кольцо».

Разработка протокола Dante^® начата австралийской компанией Audinate в 2006 году. Он поддерживает 100 Мбит или 1 гбит Ethernet.

Особенностью Dante^®, по сравнению с другими протоколами, является то, что он может быть интегрирован в сеть, состоящую из обычных маршрутизаторов. Это означает, что сеть может быть структурирована по студиям, этажам и т.п. Вообще, Dante^® не предъявляет специальных требований к сетевому оборудованию. Также Dante^® поддерживает технологию PLUG&PLAY и работу по оптическим кабелям.

Dante^® превосходит конкурентов в простоте использования, гибкости и возможностям расширения системы. Это комплексное решение для передачи несжатого аудио с низкой задержкой, прецизионной посэмпловой синхронизацией, автоматическим определением новых устройств, удобной маршрутизацией.

Модуль Dante подключается к любому микшерному рэку и консоли iLive и позволяет, кроме всего прочего, выполнить многоканальную запись звука с помощью программы Dante Virtual Soundcard. Израильская компания Kramer Electronics и Audinate обнародовали соглашение, в соответствии с которым Kramer стала 150-й компанией-производителем, лицензировавшей сетевую технологию Dante.

AVB (Audio Video Bridging) – сетевой стандарт, создаваемый при участии AVNU (альянс производителей профессионального оборудования). Этот протокол является единственной из рассматриваемых некоммерческой открытой технологией.

Потребителям бытового рынка сети AVB позволят объединять медиа данные между всеми устройствами в квартире или доме. В принципе, похожие системы уже известны, однако, использование транспортных протоколов AVB позволит расширить сферу применения и сделать их более доступными. Все устройства будут иметь один и тот же разъем RJ45.

Временные задержки при передаче цифрового звука

КАКОЙ ЖЕ ПРОТОКОЛ ВЫБРАТЬ?

В технике на подобные вопросы обычно не существует однозначного ответа. У каждого протокола есть свои достоинства и недостатки, поэтому выбирать нужно, исходя из поставленных задач, имеющегося оборудования и бюджета проекта.

Протоколы AVB и Cobranet позволяют использовать все топологии сетей, допустимые в Ethernet, в том числе, кольцевые. Это означает, что можно без переделки использовать существующие сети, однако нужно помнить, что AVB – единственный из рассматриваемых протоколов – требует использования специальных AVB-совместимых сетевых коммутаторов.

Протоколы Cobranet и EtherSound способны передавать данные с максимальной частотой дискретизации 96 кгц в реальном масштабе времени, а в AVB и Dante этот параметр может быть увеличен до 192 кгц. Но, вообще говоря, чем выше частота дискретизации, тем ниже максимальная пропускная способность сети.

Большое значение для аудиопротокола имеет поддерживаемое количество аудиоканалов, чтобы можно было без проблем передавать в любую точку сети необходимое количество аудиоданных. Cobranet, EtherSound и AVB способны передавать до 64 аудио каналов, а вот Dante обеспечивает передачу только 48 каналов в Ethernet 100BaseT. Однако Cobranet, EtherSound и AVB могут существовать только в рамках одной подсети, тогда как Dante может передавать аудио данные через маршрутизаторы за пределы подсети.

EtherSound требует последовательной, закольцованной, схемы соединения от первого до последнего устройства. Такая схема очень выгодна для мобильных инсталляций, поскольку достаточно проложить только один кабель от первого до последнего устройства в сети. В Cobranet, AVB и Dante используется обычная сетевая маршрутизация, которая позволяет создавать сложные древовидные структуры.

За счёт использования последовательного кольца, протокол EtherSound обеспечивает очень низкую задержку звука – всего 0,125 мс, тогда как минимальная задержка в сети Cobranet составляет 1,3 мс, у AVB 0,25 мс, а у Dante – 0,8 мс. Чем быстрее сеть, тем меньше задержка в ней.

В сетях Cobranet одно устройство (т.н. «диспетчер») передаёт бит-пакет 750 раз в секунду (каждые 1,3 мс). Все абоненты сети в течение бит-пакета должны подтвердить контрольную сумму для всех 64 каналов.

В сетях EtherSound синхронизации выполняется проще, потому что так называемые «Primary Master», стоящие во главе каждой цепочки, контролируют весь нисходящий трафик.

В AVB и Dante общая концепция синхронизации определяется во всей сети в соответствии с IEEE1588. Это означает, что синхронизация обеспечивается априори.

И в EtherSound, и в Cobranet, по сравнению с AVB и Dante, задержки являются потенциально очень серьёзной проблемой, которая может создать нежелательные звуковые эффекты.

Cobranet может передавать Ethernet данные совместно с пакетами аудио данных, однако возможно их паразитное влияние друг на друга.

Совместное использование сетевых данных, не относящихся к EtherSound, также потенциально опасно появлением аудио артефактов.

AVB требует использования AVB-совместимых коммутаторов (свитчей), поэтому данные, не относящиеся к AVB, не могут разрушить аудио трафик.

Таким образом, в области транспорта и взаимодействия трафиков данных управления и аудио данных протоколы AVB и Dante имеют преимущества по сравнению с Cobranet и EtherSound.

С другой стороны, все преимущества Dante, Cobranet и EtherSound может перевесить то, что протокол AVB – бесплатный и полностью открытый. Не секрет, что в мире хайтека не утихают «священные войны» на тему того, за кем будущее: за проприетарными, то есть платными протоколами или открытыми, общедоступными и бесплатными. Ближайшее будущее покажет, кто прав.

Посмотрим.