CobraNet技术原理与应用

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CobraNet是综合硬件、软件和通信协议为一体的网络音频实时传技术，它的专利权在美国PeakAudio公司。开发CobraNet的目的之一就是在高速发展的计算机网络平台上找到一种实时的、稳定的专业音频数据传输的方法，这也是将来专业音频领域发展的重要方向之一。这一应用方向在多年前就以被世界各地的专业音频器材制造厂家所注意，相继提出并开发了多套解决方案。随着时间的推移，在众多方案中CobraNet以其良好的互通性、低成本的造价、可靠稳定的测试、可遇见的发展速度和良好的商业运作机制迅速的占领了这一市场，并得到了包括Peavey、QSC、Hamman、Biamp、R-H等数十家国际一流音频设备公司的支持。从某种意义上讲，由CobraNet技术带动的整个专业音响行业正向着计算机网络化方向进军！
我国的专业音响技术领域在国际上还处于发展阶段，国内使用CobraNet技术搭建大规模音响传输及控制系统的工程还是凤毛麟角。在以后的文章里，作者尽量提供一些国内外网络音频系统的案例供读者朋友参考。
一、 CobraNet技术的应用范围     CobraNet技术虽然先进，但并非所有的音频工程都需要使用计算机网络进行音频信号传输。对于那些独立使用音响器材的Disco舞厅、中小型会议室和多功能厅等场合，目前不适合使用网络型设计，这样做只能是增加设计难度和提高成本。但是对于象运动场、主题公园、歌舞剧院、广播电台、大型现场演出、大规模智能会议系统和楼宇智能音频系统等大型工程则比较适合。这是因为CobraNet信号是在以太网络设备中传输的，一条普通的5类双绞线可以在双方向传输128个通道的高质量、无压缩的音频信号。如果使用光纤则可以轻易的将上百路信号传输数千米而无损耗。这会大大降低多通道、远距离多点控制音频系统的设计和运行成本。标准的CobraNet信号采用和CD唱片同样的无压缩PCM数据，而采样率和量化分辨率却使用了广播级的48kHz和20Bit，远远高于了CD唱片的数据指标，这就能方便的满足广播电台的直播间信号传送、录音棚中各录音间之间的信号共享等高质量要求。
二、 CobraNet网络硬件设施要求     随着以太网交换设备的高速发展带来的价格下跌，我们不建议设计师还使用HUB作为CobraNet的网络交换设备设备而是使用全双工的Switch即网络交换机。尽管PeakAudio宣布新版本的CobraNet仍然支持半双工的HUB通信，但是这可能会给你的系统带来丢失数据、音频延时过长等问题。如果你是使用MediaMatrix的CobraNet产品，则根本不能使用HUB。目前版本的CobraNet在音频采样速率上支持48kHz和96kHz，分辨率支持16、20和24bit三种，默认是48kHz 20bit。至于为什么不宜使用网络集线器HUB而建议使用Switch，我们将在后面的详细论述。
三、 CobraNet设备的类型。     尽管Peak Audio公司开发并推广了CobraNet技术，但他们公司却不生产产品的，其它厂家只是向Peak Audio购买技术专利和CobraNet CODEC（即CobraNet的编码解码器，就是一组芯片，也称为CobraNet Core）。这样，不同厂家生产的基于CobraNet技术的音频传输设备就会在使用上存在一些差异，但是不同品牌的产品理论上讲是都可以互相通信的，因为它们都是遵守相同的通信协议的。按照设备的使用方法，我们又可以将CobraNet产品分为以下两类：     a、 只用做信号传送。由于CobraNet技术本来就是用来解决音频信号的传输问题的，所以针对信号的传输问题设计的信号接口箱应用就比较广泛，例如QSC的RAVE、Symtrix的SymNet、Biamp的CobraNet接口箱等等，经过固化号码的Peavey CAB也可以这样的应用。由于CobraNet的基本信号传输单元Bundle是以8个音频通道为一个数据包的，所以我们上面提及的这些产品都是8个音频通道为一组的（有的设备是16个通道一组，但是里面包含了两个Bundle）。在实际应用中输出到功放的往往是2个通道，所以一些功放的制造厂家就制造了一些2个通道的CobraNet终端产品用来将CobraNet信号直接引入功放，例如CrestAudio（高峰）的CKi系列、Crown（皇冠）的IQ PIP2插件和R-H的有源音箱系列等。     b、 信号输入——信号处理——信号输出。这就要求设备不仅仅能完成数字与模拟信号之间的D/A、A/D变换，还要有相配套的音频处理设备。这其中最为成熟和成功的就是我们熟知的Peavey公司的MediaMatrix（媒体矩阵）。目前其它公司也在加快开发这类的产品，比如Biamp已经有这种带有CobraNet接口的小型处理机了。

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四、 CobraNet为什么使用以太网？     这也是网络音频设备开发初期设计师们争论和讨论的最多的问题，上世纪八十年代末期，各种网络技术相继出现，具有代表性的就是Xerox公司1973年提出的EtherNet（以太网）、IBM公司1970年提出的Token-Ring（令牌网）和苹果（Apple）公司在八十年代开发的AppleTalk。这些网络都有各自的优点和缺点。例如以太网应用软件的种类很多，开放性能好，成本低，但是存在网络冲突等问题；令牌网虽然有效的避免了网络的冲突，稳定性得以增强，带宽利用率高，但是由于开放性差，导致支持这一技术的厂家甚少；AppleTalk造价是很低，但是其低效率和低速的数据传递已经不能适应现代化的网络发展，所以必定会倍淘汰。这些都是当时的一些实际情况，随着网络技术在九十年代的飞速发展，特别是中小型局域网和Internet的广泛应用，使得以太网得到了前所未有的高速发展。目前全世界的应用的已经超过了2亿个以太网节点，快速的普及带来的就是技术的发展和成本的下降，而其灵活的开放特性使得以太网的传输速度呈对数的速度增长，从10M的标准以太网到百兆快速以太网甚至千兆、十千兆和百千兆以太网都已经开始运行……这些都已经证明CobraNet选择以太网作为媒介是正确的。采用这种网络设备以后，在以太网络上可以传输上千个无压缩的音频数据通道，而价格却象日用品一样便宜。IBM宣布放弃令牌网的开发也证明了以太网的强大优势。
五、 为什么建议使用Switch作为CobraNet的网络交换设备     要弄清这个问题，必须先清楚网络传输设备在数据信号中的作用。这里讲的网络交换设备一般指的是网络集线器HUB、网络交换机Switch和路游器。提到路游器可能读者朋友会立即联想到TCP/IP协议集，联想到Internet。但是很可惜，CobraNet是建立在标准以太网构架下的网络传输协议，是工作在数据层的低层传输协议，所以涉及不到网络层以上的高级协议，也就是说CobraNet不属于TCP/IP，也不能穿过路由器进入Internet，它只能在局域网中传递。这还是因为现在全球的Internet的网络带宽还远远不能达到CobraNet的要求，同样IEEE802.11的无线局域网带宽也是不够的，所以目前能传输CobraNet的物理介质只有双绞线和光纤。我们知道在网络中的设备进行相互通信的时候，数据要经过操作系统、通信程序、网卡、网络交换设备等各个环节，而为这些环节生产相应设备的厂家也不计其数，如何能让这些产品能“相互沟通”和“相互协作”呢？那就必须有一套规则，只要大家都遵守这个通信规则，则无论是买谁生产的产品都能保证通信的正常进行。由于网络连接涉及到软件和硬件以及通信协议的问题，所以国际标准化组织ISO专门为网络传输定义了一个模型，让大家共同遵守，这个模型称为OSI（即Open System Interconnect Reference Model 开放式系统互联参考模型）。该模型由下向上共分为七层，从一到七层分别称为物理层、数据层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，参见图一。  

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上图中的第一层物理层完全是针对网络硬件设备提出的，层数越高越向软件方面发展，到第七层已经完全是高级应用软件了，例如我们熟悉的Windows Office软件。从上图我们也能看出网络集线器HUB是工作在最底层，也就是物理层，它是直接和物理传输硬件例如光纤、同轴电缆定义在一起的。而第二层数据层则是定义网卡通信的，网络交换机Switch也是工作在这一层的，所以网卡和网络交换机是可以互相通信的，这就是Switch和HUB的本质区别。在应用上HUB只是一个网络信号的“放大器”，它是不能识别信号的“来龙去脉”的，如图二所示，


CobraNet技术原理与应用
当信号从任一端口进入HUB以后，HUB则将这个信号进行放大后传输到其它的所有端口。也就是说从Port 1进入的数据，HUB是不关心它要去哪里，只是将信号放大后传输到Port 2和Port 3就算完成任务了。这样对于100M带宽的HUB来说，某一时刻整个网络只有一个信号在传输，而且这个端口只要是接受数据的时候就不能发送数据，也就是我们所说的半双工共享100M带宽。而网络交换机Switch就不同了，可以将它理解为“智能化的集线器”。因为交换机内部是有CPU和内存的，存储器中有逻辑单元列表（LUL），列表保存着所有和这台交换机连接的网络设备的MAC地址，当某个通道有数据输入时，CPU会打开这个数据包的第一层确认这个数据包的去向，然后按照目的地的MAC地址将这个数据包送到指定的端口，参见图三。
CobraNet技术原理与应用


这样，Switch就具备的智能的条件，它只是将需要相互沟通的两个端口之间建立了数据连接，而其它通道的数据传输也在同步进行而不相交叉。所以交换机的端口是“独享带宽”而且是全双工的工作的。说道这里我们就知道了由于CobraNet协议是工作在数据层的，所以和上层网络层的IP以及更高级的TCP无关，同样也就和工作在网络层的路由器无关了。虽然我们推荐大家还是使用Switch作为CobraNet的网络交换设备，但是某些CobraNet设备依然是可以和HUB连接在一起的，例如QSC的CobraNet产品RAVE，它就是使用HUB作为网络设备的，但是要注意，并非所有CobraNet设备都支持良好的HUB通信，比如MediaMatrix系统就不能使用HUB进行网络搭建，这会造成通信不畅或无法通信。当使用HUB搭建CobraNet网络时必须避免出现以下的网络设计问题：     1、 网络中不能存在其它非CobraNet设备：如PC机等，这就意味着不能在这种网络上进行其它数据交换，甚至SNMP的巡查。这是由于CobraNet在网络数据层使用了O-Persistent机制，使得所有CobraNet设备并不遵循CMSA/CD协议而由网络中的Conductor进行管理，如果在这样的网络中加入其它类型网络设备——如普通的PC机——则电脑网络数据就会在总线上与CobraNet数据包发生冲突，导致数据丢失或连接中断。这里提到的CSMA/CD是以太网为了避免数据冲突而采用的一种监听机制，请读者朋友们自行查阅相关的网络知识。而SNMP和Conductor会在后面的文章讲述。     2、 网络可传输的最大音频通道将不能超过64个。这是由HUB以太网的特性决定的，由于HUB是“广播”所有信息的，所有端口在同一时刻只能共享100M的带宽，这就把CobraNet数据包Bundle的数量限制到了8个（每个Bundle包含8个20bit 48kHz的PCM音频通道）。     3、 关于网络直径（Network Diameter）。尽管随着目前的以太网络设备和电缆技术的提高，很多电缆（包括CAT5和光纤）都可以传递很远的距离而保持较低的误码率。例如高性能单模光纤甚至已经能够传递超过50kM的距离，但是这些优势还不能应用到HUB连接的CobraNet上来。这是受到数据冲突（Collisions）和传播时间（Propagation Time）的限制，为了Conductor发送的同步码能同步达到终端设备，并且不造成信号冲突，必须限制网络直径：CAT5搭建的100M HUB网络最大直径是200米，而多模光纤不能超过2000米。在实际设计中，网络直径可以按照下面的原则进行设计：     1Bit数据在网络的上传输延时+HUB延时≤2560个Bit周期（或2.56μs@100M以太网）可能有的读者朋友觉得现在的Internet上连实时的视频信号都能传输，怎么这个只传输音频信号的CobraNet会要求这么大的数据带宽呢？这就是因为CobraNet是不压缩的音频数据流，而我们几乎所有的其它网络媒体数据流都是压缩传输的。这里的压缩和不压缩就相差的相当多了。例如我们熟悉的CD唱片信号是不压缩的，每张唱片能容纳10几首立体声歌曲，而同样容量的使用MP3格式却可以装近两百首歌曲，所以这个差别还是很大的。 CobraNet的音频PCM数据量在一个通道时是48kHz×20Bit=0.96MBit/s，再加上通道的控制数据和其它公共数据，使得每个Bundle（包含8个音频通道）的实际数据流接近9Mbit/s左右，而使用100M快速以太网交换机时，每个端口最大吞吐量为单向8个Bundle，也就是72Mbit的带宽，这已经接近了交换机的最大吞吐量极限。当多口交换机的数据叠加时，则更是要求交换机的主板有足够的带宽，并且CPU的速度也要够快才行。所以在大数据量的CobraNet系统中我们建议使用经PeakAudio测试过的品牌和型号的交换机（请查阅www.peakaudio.com），否则在通信时可能会出现数据溢出甚至不同步的严重后果。