Dante技术要点及其应用

大专

Dante数字网络音频技术是基于千兆以太网传输的有压缩、专业级数字音频传输技术(AoIP )。 经过10年的发展，Dante技术已经广泛应用于世界上的专业音频产品。 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多达几十台甚至上百台，实现了设备之间的数字信号互联，具有稳定可靠的信号同步等功能随着各种网络技术的加入，对音频系统工程师的要求不仅要掌握音频设备的合理选择、系统的合并调试、语音的调试，还要具备相应的网络基础知识和调试技术，才能为网络数字音频信号的稳定传输提供完善的安全保障在网络的APP设置中，简单的网络已经不能满足大容量的系统需求。

笔者综合以往在大型Dante网络中应用的实践经验，结合相关文献资料，分析总结了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2.1Dante网络音频信号的传输及其时钟同步

传统的数字音频信号基本上以TDM(timedivisionmultiplexing )方式来传送，例如有ADTA、MADI、AES/EBU3等。 TDM传输的限制是信号是点对点传输或单播，通常在串行链路或环路网络上实现系统的同步。

Dante技术是一种基于以太网物理链路架构的音频系统，星型拓扑结构经常使用，由于TDM方式难以实现整体同步，Dante系统采用PTP(precisiontimeprotocol ) PTP协议使用IEEE1588 (网络测量和控制系统的精确时钟同步标准)作为时钟同步，其精度达到微秒水平，常用于对时间控制要求极其精确的系统中。2.1.1主时钟(Master/Slave ) )。数字电路的启动运行需要供电、时钟、复位三个条件。 数字电路的所有运算都以一定的频率执行，时钟是量化频率的工具。 如果时钟发生故障，数字电路将无法正常工作。 数字电路有同步时钟源，只有一个。 称为主时钟源，其馀设备的时钟根据主时钟源的信号同步操作。要在整个Dante网络系统中分配主、从时钟设备，请按以下顺序决定(参考图1 )。首选主设备- -是否允许主时钟；

启用同步外部--Dante设备是否强制外部同步；Dante设备具有更高的时钟优先级。Dante设备有更小的MAC地址。

如果系统中有多个设备具有相同的时钟选型设置，系统将按照上述顺序逐步选型一个主时钟设备。 例如，如果各设备、、的设置一致，系统会比较两台设备的MAC地址大小，由MAC地址较小的设备决定时钟。 在系统中选择主时钟设备后，主时钟设备通过多播方式将时钟信息传递给其余设备以实现从时钟的锁定。在网络传输中存在一定的延迟，从时钟设备接收到的主时钟信号具有一定的偏差值，因此，从时钟设备将延迟信息发送给主时钟设备，主时钟设备在确认延迟数据合理准确之后，将延迟量发送给时钟信息Dante系统每秒钟进行几次延迟校正。如果主时钟设备丢失，设备断电或线路断开，系统将在从时钟设备中自动快速按优先级重新确定新的主时钟源设备，并重新建立系统的所有时钟关系这种时钟源的切换和交接动作只是时钟关系的转变，在转变中不会发生声音中断，也不会发生时钟错误。2.1.2 Dante器件和外部时钟

主时钟频率可以来自Dante设备本身，也可以强制遵循外部时钟源，如图2所示。 在强制追随外部时钟源情况下，Dante设备自身的时钟与外部时钟源存在约0.1s的锁定时间差。 如果存在较大的漂移或不稳定性，例如外部时钟源显示48 kHz频率1 kHz的抖动，Dante设备本身会重新校正时钟频率，并在整个系统中重新生成来自时钟设备的延迟信息。 这个修正时间需要几秒钟。 在这种情况下，Dante系统会中断声音。根据Dante协议标准，同步时钟偏差必须小于1s。 然而，在实际APP应用中，如果有良好的网络设备及其适当的设置，则时钟抖动通常小于0.2s。 由于48 kHz采样频率的一个周期的时间是20.8s，所以能够以1/100周期的时间正确地实现Dante设备和外部设备之间的时钟同步。2.2延迟)。

与点对点传输方案相比，Dante协议基于以交换机为中心的以太网传输数据，必然会有更长的数据传输延迟。 每个交换机内部对数据包执行一系列操作，包括错误检查、MAC地址学习、存储传输、碎片过滤、环路删除、广播控制和子网划分。 如果多个交换机级联到一个传输链路，则延迟时间会更长。Dante接口的音频设备一般有以下两种接口方式。唯一的接口：之类的设备接口具有固定的延迟值，被理解为一个网络终端设备。

与两个以上的接口(Main/Redundancy主网络接口不同，等设备集成了开关模块，因此用户不使用外部交换设备，直接通过菊花链

通常，每台交换机的延迟量可以在100s内估计。 从音频用户的观点来看，传输延迟量越小越好，也是“零延迟”的理想状态。 然而，因为这种延迟是不可避免的，所以用户只能根据实际系统的拓扑选择最合理的延迟值。 Dante Controller管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（或更大）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0.5 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致，系统会自动选择较高延时值进行传输。

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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能力，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"0"数据补偿；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协议会将若干音频通道的Flows（数据流）封装为一组，共用包头信息，提高网络的利用效率。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，则需要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），并且在网络状态内能看到实时的数据发送量以及是否出现传输错误信息。Brooklyn II模块容许最大传输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32×4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。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，所以能够有效地控制网络带宽资源。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，则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，将数据以广播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×4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），则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，Device View-->Transmit tab，点选创建新组播按钮，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，尽量避免采用组播方式传输，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过滤管理能力的交换机，就可以有效地控制数据转发到指定的接收设备。3.2QoS

QoS是网络的一种安全机制，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，确保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服务质量：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，区分服务）、DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点），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。DSCP在网络中部署了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DSCP设定界面。QoS仅在以下网络传输较拥挤或繁忙的情况下使用：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（仅有若干台Dante设备及32通道以下的音频传输通道），可以不使用QoS功能。

为了避免日后可能增加Dante网络设备、增加其他设备的控制协议等造成音频传输丢包的可能，应考虑选用具备QoS管理功能的交换机。3.3IGMP Snooping

IGMP Snooping是运行在二层设备上的，约束、管理和控制组播数据的协议。

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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管理，可以有效地节省组播所占用的带宽。图12是Dante 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管理的情况下，音频数据同时也会广播到前级无线传声器、多轨播放机端，占用更多的带宽。当开启了IGMP Snooping管理功能后，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，ShureULXD4Q接收端有85 Mb/s的带宽占用；IGMP Snooping管理启用后，ShureULXD4Q接收端带宽为24 Kb/s，交换机将不需要的数据包隔离。以下几个情况务必使用IGMP Snooping管理：

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控制设备协议运行，控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，必须启用IGMP Snooping，否则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。

另外，还要为每个VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）选定状态（见图15）--开启Snooping Status及Querier Status--Query Interval填入30--IGMP版本选择IGMPV3。不是所有具备IGMP Snooping功能的交换机都具备"Query"功能。思科SG-300涵盖了所有的网络管理功能，能实时查询到组播的状态。极少部分安装了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 All"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管理，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"。3.4VLAN在计算机网络中，一个二层网络可以被划分为多个不同的广播域，一个广播域对应了一个特定的用户组，默认情况下这些广播域是相互隔离的。不同的广播域之间要通信，需要通过一个或多个路由器。这样的一个广播域就称为VLAN。在演艺领域应用中，可以把一台交换机划分为：音频、灯光、控制、视频等相互独立的广播域，如图17所示。

3.5LAGs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，交换机会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0.5 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：不论交换机（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点到C点，有两条路可以走，当ABC的路径不通时，可以走ADC；C点到A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19。如果有广播包，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况下才使用。

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。

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影响较为严重（阻抗改变等），因此对于经常进行收放的流动网线控制在60 m内使用较为安全。

目前检测网线基本都是使用通断测量器，通过检查8芯通断状况，判断网线质量，但经常遇到线路通、数据不能传输的情况。原因是网线的品质不仅限于通断，国际和国家标准对网线有严格的电气性能测试指标和测试方法。主要指标包括：频率（MHz）、回波损耗（ReturnLoss）、衰减（Attn）、近端串音（Next）、近端串音功率和（PSNEXT）、等效远端串音功率和（PSELFEXT）、衰减串音比（ACR）、衰减串音功率和比（PSACR）、延时偏差（DelaySkew）、传输延时（PropDelay）等十多项。4.2光纤当网络传输距离超过100 m时应采用光纤进行网络传输。常用光纤主要有两类。

多模光纤：50/125μm（欧洲标准），62.5/125μm（美国标准），传输距离500 m，损耗较大，光转换节点有限。单模光纤：8/125μm，9/125μm，10/125μm，传输距离10 km，损耗较少，容许有多个光纤耦合器和跳线架连接的节点。

网线与光纤之间的信号传输需要通过转换器进行转换：一种是使用安装在交换机内的光纤模块，这种方式系统相对稳定，排查故障比较方便；另一种是外置一个转换器，转换器需要单独加电、固定、线路连接，增加了故障节点。4.3交换机在网络设备选购上，交换机的分类和细节功能非常繁多。对于Dante网络而言，交换机选型有以下侧重点：

每个接口最高速率为1 Gb/s（或者更高）；

交换机容量（背板带宽）不少于两倍的接口速率（如12个1 Gb/s接口的交换机，背板带宽应该不少于24 Gb/s），保证端口转发数据的准确性；对于EEE（Energy Efficient Ethernet）绿色电源管理，非管理交换机不能有EEE功能；具有管理功能的交换机必须具有禁用EEE功能的选项。对于更优的交换机选择，可以从以下方面考虑：

具备完善的网络管理功能（上文提及的网络需求）；网页管理和代码管理方式共存；

具备DHCP三层功能；内置电源模块；

静音散热或静音风扇散热；可安装光纤模块；

机架安装配件；

错误报告和故障分析软件。5 结论

通过对Dante数字网络音频技术协议要求的分析和总结，可以为专业音频工程师在Dante网络系统架构的搭建和调试时提供一定的入门指引。随着科技的进步与发展，网络化的应用将更多地渗透到各行各业中，因此综合的学科运用亦是音频工作者不断追求的目标。