Cyfrowe sieci audio. Zacznijmy od podstaw – Ethernet

2010-08-30
Cyfrowe sieci audio. Zacznijmy od podstaw – Ethernet

Cyfrowy świat otacza nas coraz szczelniej. Niemal w każdej dziedzinie życia napotykamy na urządzenia, które rozmawiają ze sobą językiem zero-jedynkowym. Często nawet nie zdajemy sobie sprawy, że w danym urządzeniu tak naprawdę siedzi mikroprocesor (podobny to tego w zwykłym PC-cie lub DSP) lub inne układy cyfrowe: pralka, zmywarka czy kuchenka mikrofalowa, nie mówiąc już o telewizorach, odtwarzaczach DVD, a nawet ...zwykłych budzikach!

Rysunek 1. Warstwy modelu ISO/OSI i TCP/IP, opisujące zasadę działania sieci.

Kolejny krok, jaki czeka nas w dziedzinie systemów cyfrowych - który tak naprawdę już ma miejsce - to integracja tych systemów do pracy w sieci. Dzięki temu, istnieje możliwość zarządzania całym swoim inwentarzem z jednego miejsca, za pomocą jednego urządzenia sterującego (pilota). Zintegrowane systemy multimedialne to już żadna nowość, nie jest też już dla nas jakimś specjalnym zaskoczeniem coś takiego, jak Inteligentny Dom, będący jednym spójnym systemem, łączącym w sobie wszystkie funkcje zarządzania budynkiem: oświetlenie, ogrzewanie, klimatyzacja, audio-video, AGD, alarm, zarządzanie energią, bramy, a nawet ogród, basen itd.

Wszystko to jest możliwe dzięki dobrodziejstwom, jakie dają nam sieci cyfrowe. Również w dziedzinie audio wiele się zmieniło od czasu pojawienia się pierwszych systemów cyfrowych. W studiu, na staku czy w centrum sterowania hoteli, stadionów, hal sportowych, supermarketów i innych instalacji, na porządku dziennym są już nie tylko pojedyncze urządzenia pracujące w domenie cyfrowej, ale całe systemy zintegrowane w jedną sieć, co pozwala nie tylko zdalnie nimi zarządzać, ale również dostarczać do nich sygnały audio.

Jest wiele sieci audio - w zasadzie "co kraj, to obyczaj", czyli ilu producentów, tyle pomysłów na rozwiązania sieciowe. Oczywiście, nie każdego stać na to, aby zaprojektować, stworzyć, zaimplementować w urządzeniach i do tego jeszcze wypromować swoją sieć. Pomimo tego i tak obecnie na rynku istnieje spora ilość cyfrowych sieci audio. Cześć z nich jest zamkniętym formatem, implementowanym i rozwijanym przez konkretnego producenta (lub grupę) w swoich urządzeniach - do takich należą m.in. A-Net firmy Aviom, HiQnet używany przez sprzęt firm skupionych w ramach grupy Harman, NetCira Fostexa, NetMx/IRIS-Net Electro-Voice’a, Peavey-owski Media Matrix, QSControl.net firmy QSC, RHAON spotykany w wyrobach Renkus-Heinz, MADI czy U-Net EAW oraz mLAN Yamahy.

Część z tych sieci bazuje na innych, o których mowa będzie w tej serii artykułów (np. MediaMatrix czy RHAON, korzystające z CobraNetu albo mLAN, używający protokołu FireWire), stanowiących drugą grupę otwartych, bazujących na Ethernecie systemów sieciowych: EtherSound, CobraNet i najnowszy - Dante. Jest wreszcie coś takiego, jak AES50 oraz HyperMAC - systemy przesyłania cyfrowego audio rozwijane przez firmę Sony Pro-Audio Lab i standaryzowane przez Audio Engineering Society.

My jednak, jak już wspomniałem, przyjrzymy się bliżej trzem systemom bazującym na sieci Ethernet, z racji tego, że są one otwarte, nie związane (sprzętowo) z jakimś konkretnym producentem, co oznacza, że prędzej czy później będziemy mieli szansę na nie się natknąć (o ile już tego nie doświadczyliśmy). Żeby zrozumieć działanie sieci Ether- Sound, CobraNet czy Dante, musimy najpierw poznać lub przypomnieć sobie (w zależności od stopnia zaawansowania Szanownych Czytelników w tym temacie) to, z czego wywodzą się i na bazie czego pracują owe systemy. Chodzi o:


ETHERNET

Oczywiście, periodyk ten nie jest przeznaczony na wywody na temat sieci komputerowych, ani też na szczegółowe ich rozpatrywanie. Pewne jednak podstawowe informacje na temat Ethernetu będą nam niezbędne, abyśmy mogli przejść do "dania głównego", czyli naszych sieci audio, toteż w tym artykule skupimy się na tych podstawach. Początek Ethernetu datuje się na rok 1972, kiedy to Bob Metcalfe i jego zespół wdrożyli w firmie Xerox sieć komputerową o nazwie Alto Aloha Network, do przesyłania danych pomiędzy stacjami roboczymi a drukarkami.

W 1978 roku Xerox Corporation, Intel Corporation i Digital Equipment Corporation opracowały standard Ethernet. Został on opublikowany jako standard IEEE (Institute for Electrical and Electronic Engineers) o numerze 802.3. Jedną z najważniejszych zalet protokołu Ethernet, w porównaniu z sieciami innego typu, jest fakt, że on sam wyznacza standardy, a nie tylko bazuje na standardach. Korzysta on ze standardowego sprzętu, standardowych przełączników i standardowych narzędzi do zarządzania.

Rysunek 2. Wyróżnia się trzy najbardziej popularne topologie (czyli sposoby wzajemnego połączenia urządzeń): topologia pierścieniowa (a), topologia gwiazdy (b) i topologia drzewa (c).

Dzięki swej standardowej architekturze Ethernet ułatwia łączenie różnych systemów w jedną sieć: wszelkie wymogi można spełnić przy użyciu katalogowych komponentów, podczas gdy inne rozwiązania wymagają układów elektronicznych konstruowanych na zamówienie. Ta cecha jest też wielkim plusem w odniesieniu do systemów audio, co w dużej mierze zadecydowało o wyborze właśnie Ethernetu jako bazy dla systemów EtherSound, CobraNet i Dante.



SIEĆ

Wadą hubów jest to, że rozsyłają one przychodzące doń sygnały na wszystkie swoje porty (gniazda), co generuje sporo niepotrzebnego ruchu.

Zanim przejdziemy do opisu działania sieci Ethernet, warto dowiedzieć się co nieco o samych sieciach. Zasadę działanie sieci opisuje model ISO/ OSI "Open System Interconnection" (Model łączenia systemów otwartych). Został on stworzony w celu ustandaryzowania wszelkich procesów zachodzących w sieci. Opisuje on zarówno właściwości fizyczne elementów (napięcia, wielkości wtyczek) jak i sam sposób działania sieci (komunikację, kodowanie danych, protokoły transmisyjne, itd.).

Dzięki niemu możliwe jest współdziałanie wszystkich urządzeń sieciowych, wyprodukowanych przez różnych producentów i nie tylko. Model ISO/OSI dzieli proces działania sieci na 7 etapów (warstw, nazywanych także stosem), z których każdy obsługiwany jest przez pewien układ sprzętowy lub programowy.

Każda warstwa komunikuje się za pomocą jednego lub kilku protokołów z analogiczną warstwą w drugim komputerze. Kolejne warstwy porozumiewają się także ze sobą, dodając lub ujmując pewne dane. Działanie owego stosu najłatwiej przedstawić na uproszczonym cztero- warstwowym przykładzie internetowego protokołu TCP/IP (rysunek 1):

  • Warstwa aplikacji (dla uproszczenia schematu zawarto w niej warstwę prezentacji i sesji) - dzięki niej wszelkie programy komunikacyjne potrafią w łatwy sposób wysłać i odbierać dane przez sieć. Koduje znaki, liczby, kontroluje wymianę danych pomiędzy komputerami. Rozpoczyna i zrywa połączenia nawiązane przez aplikację. Mówiąc inaczej - modeluje i zapisuje dane tak, aby były zrozumiałe dla wszystkich urządzeń, programów sieciowych oraz kolejnych warstw.
  • Warstwa transportowa - odpowiada za dostarczenie danych do odpowiedniego portu, procesu oraz odpowiednie uporządkowanie danych. Jest swoistym łącznikiem pomiędzy warstwą aplikacji a warstwą sieciową (np. Internetu). Ponadto sprawdza, czy dane zostały dostarczone w odpowiednie miejsce oraz sumę kontrolną CRC.
  • Warstwa sieciowa - w niej system zapisuje informację, gdzie dane uporządkowane przez poprzednią warstwę mają dotrzeć.
  • Warstwa dostępu do sieci (w jej skład wchodzi warstwa fizyczna i łącza danych) - zapewnia zgrane współdziałanie wszelkich komponentów sieci. Opisuje topologię, karty sieciowe, kable, wtyczki, wszelkie fizyczne elementy przeznaczone do transportu danych w sieci. Jej działanie kontrolują między innymi sterowniki kart sieciowych, mostki, itp. Definiuje sposób sprzętowej kompresji danych oraz mechanizm sprawdzania błędów (Cyclic Redundancy Check). Warstwa łącza danych zapewnia niezawodną transmisję poprzez kanały transmisyjne, zaś fizyczna odpowiedzialna jest za przesyłanie bitów.

ETHERNETOWA ZASADA DZIAŁANIA

Ethernet jest siecią opartą na wymianie pakietów o ustalonym formacie. Pakiet przenoszony przez Ethernet nazywany jest ramką ethernetową. Jedną z podstawowych informacji przenoszonych przez ramkę jest adres sprzętowy odbiorcy, na podstawie którego odbierający ramkę rozpoznaje, że została ona skierowana właśnie do niego.

Aby więc przesłać przez sieć ethernetową dane, trzeba najpierw dokonać ich pakietowania. Pakietowanie danych, to procedura, która polega na dzieleniu większej całości danych na niewielkie części i zorganizowaniu ich w taki sposób, by mogły zostać przesłane poprzez sieć. Wszystkie pakiety mogą bezpiecznie współistnieć obok siebie, gdyż zaopatrzone są w:

  • adres nadawcy
  • adres odbiorcy
  • kolejny numer w sekwencji pakietów
  • sumę kontrolną

Każdy komputer, lub inne urządzenie podłączone do sieci, ma swój unikatowy adres (MAC adres, o nim za chwilę), więc transmisja danych w sieci to w istocie procedura polegająca na dostarczaniu przesyłek z jednego miejsca w inne. Nie działa to jednak tak, jak firma kurierska, gdzie - w dużym uproszczeniu - przesyłka dostarczana jest z punktu A do punktu B (i nikt inny, teoretycznie, nie ma prawa jej dostać).

Jednym z najbardziej oczywistych urządzeń, bez którego ani rusz w sieci, jest karta sieciowa.

W sieciach typu Ethernet stacje robocze wysyłają dane w trybie rozgłoszeniowym (broadcastowym) - gdy jeden użytkownik nadaje komunikat do innego użytkownika, jest on rozsyłany rozgłoszeniowo do wszystkich stacji. Każda stacja odbiera wszystkie przepływające przez medium transmisyjne ramki. W momencie transmisji poszczególne stacje znajdujące się w sieci muszą dokonać sprawdzenia, czy przepływające ramki nie są adresowane właśnie do nich, jako stacji odbiorczych.

Ethernet jest siecią typu rywalizującego, gdzie wszystkie węzły w danym segmencie rywalizują ze sobą o dostęp do sieci - w przypadku, gdy dwa komputery próbują komunikować się w tym samym czasie, następuje kolizja, komputery muszą się wycofać i zaprzestać transmisji. Sieć ta korzysta przy tym z protokołu CSMA/CD ( Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection). Występowanie zjawiska kolizji jest jednym z powodów, dla którego Ethernet w "czystej postaci" nie może być wykorzystywany do przesyłania dźwięku na żywo - wizja zatykania się łącza z powodu zatrzymania transmisji, choćby na krótką chwilę, jest nie do przyjęcia na koncertach czy podczas transmisji audio na stadionie, hali, dworcu czy w hotelu.

Drugi powód, dla którego nie możemy korzystać ze zwykłego Ethernetu, jeśli chcemy przesyłać dźwięk wielokanałowy, wynika ze wspomnianego wcześniej pakietowania danych. Pakiet składa się z preambuły (naprzemiennie następujące znaki 0 i 1, informujące o nadejściu ramki). Dalej umiejscowiona jest ramka zawierająca adres docelowy (może być skierowany do pojedynczego odbiorcy - unicast, określonej grupy - multicast lub do wszystkich, którzy tą wiadomość odbiorą - broadcast, czyli tak zwany adres rozgłoszeniowy) i wyjściowy (adres nadawcy), nr protokołu (pozwalającą określić który protokół używamy) dane oraz CRC (tabelka).


ADRESY I PROTOKOŁY

Aby urządzenia mogły się między sobą komunikować, muszą wiedzieć kto jest kto. Do tego służą adresy. Adresy ethernetowe są adresami sprzętowymi MAC (Media Access Control). Są to 12-cyfrowe (48-bitowe) adresy przypisane na stałe do interfejsów sieciowych. Adresy komunikujących się stacji składają się z dwóch części: pola opisującego producenta oraz numeru seryjnego (np. 00-01-02-DB-61-A9). Producenci interfejsów wykupują zakresy adresów ethernetowych od IEEE (instytucja zajmuje się m. in. zarządzaniem i przydzielaniem adresów ethernetowych) i przypisują je kolejnym egzemplarzom kart.

Tab. 1 Pakiet ethernetowy.

Dzięki temu żadne dwie karty sieciowe nie mają tego samego adresu ethernetowego. Ponadto do komunikacji urządzeń w sieci niezbędne jest również określenie zasad przebiegu komunikacji i przesyłania danych. Zbiór takich zasad nazywany jest protokołem komunikacyjnym. Protokół komunikacyjny, wspólny dla współdziałających rozmówców, musi być określony w sposób jednoznaczny, wykluczający możliwość jakichkolwiek niejasności i nieporozumień.

Takie określenie nazywamy specyfikacją protokołu i wymaga ono użycia bardziej precyzyjnych narzędzi niż język potoczny. Wśród ogromnej liczby protokołów, wykorzystywanych do komunikacji w sieciach, na szczególną uwagę zasługują protokoły z rodziny TCP/IP. Jest to rodzina protokołów, na których opiera się wiele sieci lokalnych oraz Internet. Podstawowym protokołem w rodzinie TCP/IP jest protokół IP. Definiuje on identyfikację komputerów niezależną od sprzętu oraz steruje przepływem pakietów przez sieć.

Podstawową informacją identyfikującą komputer na poziomie fizycznym jest adres sprzętowy - w przypadku TCP/IP jest to 32-bitowy adres IP. W odróżnieniu od adresu sprzętowego adres IP jest adresem niezależnym od sprzętu, nadawanym i przechowywanym przez oprogramowanie. Adresy IP zapisuje się w postaci czterech liczb dziesiętnych, oddzielonych kropkami. Każda z tych liczb odpowiada jednemu oktetowi adresu IP (np. 128.10.2.30). Jest to adresy IP protokołu w wersji czwartej, IPv4.

Zapotrzebowanie na adresy IPv4 stało się na tyle duże, że pula nieprzydzielonych adresów zaczyna się wyczerpywać (dostępnych jest 4.294.967.295 unikalnych adresów, dla mających problemy z policzeniem miejsc - ponad 4 miliardy), z tego powodu powstała nowa, szósta wersja protokołu - IPv6. W protokole IPv6 rozmiar przestrzeni adresowej został zwiększony do 128 bitów, co daje 2128 ≈ 3,4×1038 kombinacji (trzydzieści cztery z przodu i 37 zer!). Niestety protokół Ipv6 nie jest kompatybilny z Ipv4, dlatego też przejście na adresowanie w wersji szóstej na razie zostało odłożone.



PRZEPUSTOWOŚĆ I TOPOLOGIE

Switche (przełączniki) z wyglądu niczym nie różnią się od hubów, jednak w przeciwieństwie do nich poddają analizie otrzymane ramki, w celu kontroli ruchu sieciowego.

Obecnie możemy spotkać cztery typy Ethernetu, które odróżnia przepustowość:

  • Ethernet 10 Mb/s, IEEE 802.3 (Standard Ethernet) - bodajże najczęściej jeszcze spotykany typ Ethernetu, zwłaszcza w mniejszych sieciach, aczkolwiek coraz powszechniej wypierany jest przez
  • Ethernet 100 Mb/s (Fast Ethernet) - który jednak okazuje się nie być na tyle szybki, aby nie być powoli już wypieranym przez
  • Ethernet 1000 Mb/s (Gigabit Ethernet) - ta jeszcze niedawno"kosmiczna" przepustowość też nie jest już wystarczająca, toteż "zwykły" Ethernet Gigabitowy czuje już na plecach oddech swojego następcy, którym jest
  • Ethernet 10 Gb/s (10 Gigabit Ethernet)

W sieciach audio, o których będziemy mówić w kolejnym numerze, nie korzysta się z standardowego, 10-Megabitowego Ethernetu, gdyż jest on stanowczo za wolny, aby bezproblemowo przesyłać dźwięk wielokanałowy (choćby to miał być 8-kanałowy). 100 Mb/s to niezbędne minimum, a 10 Gb/s to już niedaleki śpiew przyszłości. Jeśli zaś chodzi o topologie sieciowe, to znów wyróżnia się cztery najbardziej popularne topologie (czyli sposoby wzajemnego połączenia urządzeń):

  • topologia szynowa (zwana magis tralową)
  • topologia pierścieniowa
  • topologia gwiazdy
  • topologia drzewa

Dla nas najbardziej interesujące, bo najczęściej spotykane, będą dwie środkowe, choć w większych systemach sieciowych możemy też mieć do czynienia z topologią drzewa. Pokrótce więc coś o nich (rysunek 2):
Topologia pierścieniowa to struktura, gdzie urządzenia sieciowe podłączone są do medium tworzącego pierścień. Informacje w takim układzie krążą wkoło, lecz tylko w jedną stronę, szukając adresu swego przeznaczenia.
W topologii gwiazdy kable sieciowe połączone są w jednym punkcie, gdzie znajduje się switch lub hub. Jej zaletę stanowi bezpieczeństwo oraz wydajność.
Topologia drzewiasta stanowi strukturę podobną do układu szynowego, lecz tutaj możliwe jest występowanie gałęzi mających wiele węzłów.


SPRZĘT

Routery służą do łączenia minimum dwóch logicznych segmentów sieci.

Na koniec, skoro padły takie słowa jak "hub" i "switch", słów kilka o urządzeniach wykorzystywanych w sieci Ethernet, gdyż w sieciach cyfrowych audio korzystamy z tych samych urządzeń. Oprócz tak oczywistego urządzenia, jak karta sieciowa, bez której ani rusz w sieci, wymienić trzeba: hub, most (bridge), switch, router i regenarator (retransmiter).

Hub - zwany również koncentratorem, to jedno z częściej stosowanych urządzeń w sieciach (obecnie zastępowane przez przełączniki, czyli switche). To właśnie do huba podłączone jest całe okablowanie sieciowe łączące komputery. Koncentratory działają jak urządzenia wzmacniające oraz rozsyłające sygnały pochodzące ze stacji sieciowych. Hub nie analizuje otrzymanej informacji, przekazując ją dalej. Sygnały wysłane przez komputery docierają do koncentratora, który następnie rozsyła je dalej poprzez wszystkie swoje porty (gniazda). Stanowi to pewną wadę, gdyż informacje wejściowe, by dotrzeć do miejsca przeznaczenia, zostają rozprowadzone po całej sieci, co generuje sporo niepotrzebnego ruchu.

Most - pozwala na filtrowanie ramek, dzięki czemu możliwe jest łączenie sieci LAN działających w oparciu o odmienne technologie.

Przełącznik (switch) - to urządzenie sieciowe odbierające przychodzące pakiety, przechowujące je tymczasowo oraz wysyłające do właściwego. Switche wyglądem przypominają koncentratory, jednak w przeciwieństwie do nich poddają analizie otrzymane ramki, w celu kontroli ruchu sieciowego. Przełączniki pamiętają, do którego portu podłączeni są określeni adresaci informacji, kierując wyłącznie do nich przesyłanie właściwych danych. Stosowanie przełączników w sieci znacznie ogranicza zbędny ruch, gdyż dane nie są rozsyłane do wszystkich portów.

Routery - są urządzeniami, których zadaniem jest przesyłanie informacji w oparciu o decyzję, gdzie przesłać daną ramkę, podejmowanej na podstawie analizy protokołu oraz adresu sieci. Dokładniej mówiąc, routery służą do łączenia minimum dwóch logicznych segmentów sieci. Inną zaletą routerów jest możliwość połączenia różnorodnych sieci działających w oparciu o pakiety.

Regenerator - służy do wzmacniania sygnałów, pozwalając na łączenie sieci typu LAN (mających takie samo medium transmisyjne). Urządzenia te używane są jedynie w sieciach LAN.

Na tym kończę ten nieco przydługawy (z konieczności, gdyż temat Ethernetu jest jak rozbudowana sieć w konfiguracji drzewa) wstęp do właściwego artykułu o cyfrowych sieciach audio, do którego powrócimy w kolejnym numerze.

Live Sound & Instalation Newsletter
Krótko i na temat, zawsze najświeższe informacje