基于以太网的音频传输技术比较及应用
杨伟斌
（国家新闻出版广电总局七二四台)
摘要 结合广播发射台站实际情况，为解决广播节目传输中的音频备份及调度问题，本文做了基于以太网音频传输技术的比较、方案调研等方面的内容。提出了CobraNet和EtherSound两种技术解决方案。这两种方案都能够满足台站音频备份传输需求。相对而言，Ethersound音频传输架构简单，要求链路环节少，比较适合台站链路备份、异地互传等应用；CobraNet音频传输架构采用固定安装的方式，具有强功能性和可扩展性，对于台站音频智能调度、节目监听有较好的支持，且同时异地监听等音频处理的相关问题，是台站智能调度系统升级换代的发展方向。关键词 QoS CobraNet EtherSound 以太网 音频传输1 引言广播发射台站节目传输采用传统的模拟线缆和配线架结构，必然会随着技术的变革逐步过渡到以太网传输音频的道路上来，至少作为应急备份手段，也需要把现有以太网传输音频技术加以分析与比较，并试图构建可行的解决方案。2 可行性分析广播发射台站实现基于以太网的传输音频具备以下比较有利的条件：1）广播发射台站已实现网络化，满足以太网标准要求，网络速度的提升，为多媒体与网络的结合提供了客观条件；2）克服传统音频传输的诸如不便于管理、布线复杂、难于实现自动切换、节目源识别等等的缺点，音频信号的网络化传输可以突破音频信号的地理限制，对音频信号进行系统化管理；3）广播发射台站节目传输系统已经具备了数字化特点，向网络化发展是必然趋势。4）技术有充分的保障，目前比较成熟的以太网音频传输技术主要是CobraNet和EtherSound技术。5）广播发射台站有音频备份传输，节目智能调度、监控监管的迫切需求。3 以太网传输音频优势与关键技术基于以太网的数字音频传输技术已是专业音频行业的一个技术焦点。因为其以不依赖于控制系统而独立存在的特性，既解决了多线路的布线困难问题，同时也解决了远距离传输、数据备份、自动冗余等在模拟传输时代无法面对的问题。目前比较成熟的以太网音频传输技术主要有CobraNet和EtherSound 技术，但这两种技术都各有千秋[1]。3.1 QoS是以太网音频传输的核心技术以太网传输音频的难点在于数据带宽要求大，实时性要求高，QoS则是以太网音频传输的核心技术。QoS对以太网音频传输如此重要的原因是：因为以太网音频传输对时延的要求相当苛刻，时延决定了网络音频的传输的关键因素[2]，对于高质量语音可接受的时延是300 ms。一般来说，如果时延在300～400 ms，通话的交互性比较差，但还可以接受。时延大于400 ms时，则交互通信非常困难[3]，所以如何确保音频实时传输是以太网音频传输技术中首要解决的问题之一。3.2 QoS技术QoS旨在针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量。如：1）可以限制骨干网上 FTP 使用的带宽，也可以给数据库访问以较高优先级。2）对于 ISP，其用户可能传送语音、视频或其他实时业务，QoS 使ISP 能区分这些不同的报文，并提供不同服务。3）可以为时间敏感的多媒体业务提供带宽和低时延保证，而其他业务在使用网络时，也不会影响这些时间敏感的业务。3.3 QoS服务模型通常QoS提供以下三种服务模型（服务模型，是指一组端到端的QoS功能）：1)Best-Effort service（尽力而为服务模型）2)Integrated service（综合服务模型，简称IntServ）3)Differentiated service（区分服务模型，简称DiffServ）以太网作为一种原理简单，便于实现同时又价格低廉的局域网技术已经成为业界的主流。同时更高性能的快速以太网和千兆以太网的出现更使其成为最有前途的网络技术。这些都为以太网音频传输提供了必要的技术保障。时分复用(TDM)方法经济实用，SONET时分复用强制配置固定数量的带宽，如果不使用这些带宽，就会造成带宽浪费。Extreme基于策略的QoS功能还有一个优点，即它允许分片为客户提供城域以太网带宽。非常重要的功能是能够根据预定的DiffServ代码点重新映射分组，这也称为“着色”。基本上，着色技术自动强制实施服务水平协议，从而防止客户超越优先权，滥用访问权限。这超出了实施端到端QoS的范畴。3.4 现实意义面对丰富的以太网音频传输技术，增进对OSI模型和以太网QoS服务质量帮助我们从繁杂中理出顺序，不止提供了对各种技术的理解，还为专业数据提供了交流的共同语言，使用OSI模型作为基础保持音频网络的简单化，把它分解为两个功能部分（控制和传输）[4]。QoS是我们对以太网传输数字音频的核心，只有满足需求的应用才是有意义的，通过对QoS技术的理解和分析，帮助我们在各自的应用中决定哪一种网络技术是最适合的。通过对QoS技术的服务进行分析，区分服务模型可以音频传输业务提供带宽和低时延保证，而其他业务在使用网络时，也不会影响这些时间敏感的业务[5]。IP QoS的拥塞管理及流量控制机制，能更好的提供音频传输的体验，而且国内大部分网络交换机都支持IP QoS技术，从建网成本和应用上给我们提供了比较宽松的网络设计条件。4 技术方案设计与测试比较目前典型的广播发射台站局域网工程是一个以老台区为基础，与新台区进行互联，并同时有数据、语音、图象融合的综合性网络工程。在新、老台区之间通过光纤相连，使得新台与老台之间进行数据交换。然后通过接入层100M接入到桌面。4.1 网络拓扑结构网络建设中采用目前广泛而又首选的星型拓扑结构，EtherSound与CobraNet技术均可在此结构上得到支持。星型拓扑结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。同时星型拓扑结构的网络延迟时间较小，传输误差较低。网络拓扑图如5.1所示。图5.1 台区网络拓扑图
4.2 台站网络建设技术指标1）以太网/快速以太网交换技术以太网交换技术能够在网络基础设施（如布线系统）和网络结构不做较大改动的前提下，有效提高网络的带宽。2）VLAN802.1Q VLAN是标准化的以太网VLAN技术。标记为802.1Q的同一条链路可以同时传输多个VLAN的信息，从而实现了在整个网络中统一的基于端口策略的VLAN划分。3）第三层交换有第三层转发能力的以太网交换机，为传统的网络向快速转发的无瓶颈网络过度提供了有效的手段。4）千兆以太网千兆以太网能够提供标准的802.1p优先级控制和流量控制，并且价格便宜，在网络络中得到广泛应用。4.3 台区音频传输概况与需求台站分为台区和新台区两个区，并且两个台区都有独立的几十套广播节目传输系统，台区节目传输系统供甲乙机房使用，新台区节目传输系统供丙丁机房使用；监控中心负责节目传输系统的接收与调度。通过基于以太网的音频传输系统这一项目，在避免传统音频传输系统的各种弊端外，旨在解决以下两个问题：1）实现几十套广播节目异地备份系统，提高节目源安全可靠性；2）实现监控中心对节目源监听监管，使工作人员实时掌握安全播出情况，加强应急响应措施。4.4 EtherSound音频传输技术方案设计EtherSound 设备系统可以采用菊花链结构或以太网星型结构或者这两种结构的混合形式[6]。为了满足台站对节目源需求，采取如图5.2所示的混合形式拓扑结构。由于ES设备音频数据包经过交换机设备只能以广播形式单向传输，为实现音频广播节目异地备份，划分交换机VLAN，实现网络广播的隔离，使在一个VLAN中的ES设备音频本地输入，异地输出。图5.2所示VLAN10就是从新区输入节目，本地采用ES菊花链结构传输到音频处理器或节目调度系统，作为主用信号源，台区则利用VLAN10单向输出到备用音频处理器或节目调度系统，作为备用信号源，反之亦然。监控中心利用两台ES设备单向接收新区VLAN10和台区VLAN20节目音频，输出至监听设备，即可实现两地节目源的监听。在混合模式的拓扑结构中，经过交换机传输音频信号虽然是单向的，但是控制信号却是双向传输的[7]，可以通过ES应用终端对所有的ES设备进行监管和调度，增加了节目源调度的灵活性和保证最大的冗余备份手段。图5.2 EtherSound音频传输技术拓扑图
4.5 CobraNet音频传输技术方案设计CobraNet 必须使用星型网络结构，所有的 CobraNet 设备都必须通过以太网交换机互相连接在一起。这样的结构台站以太网建设是一致的。CAS2000网络音频传输和交换矩阵采用了最新的CobraNet网络音频传输技术和高性能DSP音频处理技术，利用廉价普及的以太网传输多路高质量音频信号，组成先进的网络音频传输矩阵。在一个以太网中，可以容纳几百路音频信号的传输与交换，通过虚拟软调音台，对各路音频信号进行十几种音频处理，结合开放性控制接口，构建智能化的新一代音频系统[8]。各个单元通过以太网组成一个完整的的网络化音频传输和监控系统。如图5.3所示，该系统可根据台区对音频传输的需求，实现音频信号的网络传输、处理、交换以及监控。在CAS-2000网络音频矩阵系统中，音频信号（包括模拟信号、数字信号）均被转换成Cobranet数据包，通过网络传输。用一条普通五类线可以代替64条模拟音频线路。对传输距离大于100米的场合，可以用光纤代替。再也不需要昂贵的音频线缆，也省却了繁重的线缆敷设工作。图5.3 CobraNet以太网音频传输系统图
4.6 两种以太网音频传输方案与延时测试比较从以上技术方案可以看出，CobraNet 和Ethersound 音频网络协议在组网方式上没有存在过多的差异，同样都是基于以太网的传输协议，但相对Ethersound 在组网的过程方面比较快速(可以跳开交换机)，延时短，适合临时多变的应用场合；但智能化，扩展性，控制监管等相对较弱。作为台站节目备份施工难度低，架构简单，要求链路环节少，Ethersound音频传输比较适合。而对于CobraNet 网络， 一般都是采用固定安装的方式， 比较适合比较偏重于功能性和扩展性，对于台站音频智能调度、节目监听有较好的支持，且同时异地监听等音频处理的相关问题，是台站智能调度系统升级换代的发展方向。延时测试根据两种协议设备给出的延时特性，依据以上两种设计方案，进行评估预测。首先测算线路上的延时特性，按最坏延时计算：音频传输通过的链路：500m电缆，三台存储转发式交换机，5km光缆，电流、和光波在线缆中传输近似光速，交换机按store forward工作方式；则线路延时为：（5500/3×108）×106μs+3×20μs =243.3μs最长经过设备数：2台ES设备则，EtherSound传输延时=125μs（6个采样/48kHz）+2×1.5μs+243.3μs =371.3μs对于CobraNet网络： PeakAudio 公司为此制定了3 个不同延时时间的封装传输解封装过程[9]，分别是1.33 ms，2.66 ms，5.33 ms，默认状态下，CobraNet 给出的延时时间是5.33 ms， CobraNet网络中的交换机节点数量一般不能超过6个，当然这取决于交换机的交换原理所产生的数据延时，不同品牌交换机在这一参数上并不一致，台站应用的交换机支持QoS服务质量并有效支持VLAN，队列管理等策略，因此在组建网络时可以进行全面的优化。4.7 网络配置技术方案优先队列PQ 调度和加权调度队列WRR/DRR 调度各有优缺点。单纯采用PQ 调度时，低优先级队列中的报文长期得不到带宽，而单纯采用WRR/DRR 调度时低延时需求业务得不到优先调度，“PQ+WRR/PQ+DRR”调度方式则将前两种调度方式结合起来，不仅能发挥两种调度的优势，而且能克服两种调度各自的缺点。可以借助“PQ+WRR/PQ+DRR”调度方式，将重要的协议报文和有低延时需求的业务报文放入PQ 队列中进行调度，并为该队列分配指定带宽；而将其他报文按各自的优先级放入采用WRR/DRR 调度的各队列中，按照权值对各队列进行循环调度。图5.4 拥塞避免和拥塞管理组网图
S9300交换机提供了最佳实践，S9300 通过接口GE2/0/1 连接业务有语音、视频、数据，携带的802.1p 优先级分别为6、5、2，这些业务可经由S3552和S9300，如图5.4所示。由于S9300 入接口GE2/0/1 的速率大于出接口GE1/0/1、GE1/0/2 的速率，在这两个出接口处可能会发生拥塞。为了减轻网络拥塞造成的影响，保证用户对于高优先级、低延迟业务的服务要求配置需求如下表5.1、表5.2所述。表5.1 拥塞避免配置参数| 业务类型 | 颜色 | 阀值下限（%） | 阀值下限（%） | 丢弃概率 |
| 音频 | 绿 | 80 | 100 | 10 |
| 视频 | 黄 | 60 | 80 | 20 |
| 数据 | 红 | 40 | 60 | 40 |
| 业务类型 | 服务等级 |
| 音频 | CS7 |
| 视频 | EF |
| 数据 | AF2 |
评论 点击评论