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1、14音响技术 2011.112 Dante系统与QoS传输原理上一期讲述了 Dante 时钟系统的精度，如何按照时钟精度确定主时钟位置，以及区分时钟精准度的长期精准度和短期精准度。时钟是同步数字信号传递的一个重要环节，像 AES/EBU 这样的数字信号是通过内建同步时钟传递的，也就是说把时钟信号添加到传输信号之中，接收端再通过解码的方法恢复时钟信号。在以太网传递时钟信号的技术中使用了多种不同的手段。CobraNet 使用 Conductor 发送称为“beat”的独立以太网广播数据包，数据包中包含了基准时钟信号和发送器、接收器的传送列表，发送频率为 750 Hz。EtherSound 采用自同
2、步的方法，由于其本身不是标准的以太网数据包，所以不包含目的地地址、源地址等一体网信息。所有数据包都是由 Primary Master 发出并向下传递。时钟频率就是音频信号的采样频率。Dante 使用的是完全第三方时钟IEEE1588 协议。 它和 CobraNet 技术有类似的地方，时钟信号也是独立广播分发到网络中的。由于 IEEE1588 协议本身要求的时钟精度就比较高 (1 s )，所以借助在这个同步协议上的其他数据种类可以很复杂。由于IEEE1588 是第三方协议，而且节点上的任意设备都能识别标准的 IEEE1588 信号，所以各设备间传递的信号内容、种类、采样率等都与时钟信号无关。所以
3、在一个 Dante 系统中，无论是什么采样频率和量化级数都与时钟信号本身的物理特性无关，这也是突破以往音频信号在网络中传递信号只能以同样的采样率来构建音频系统的架构。关于 CobraNet 和 EtherSound 的技术细节以前讲过很多，由于它们只是在两层以太网结构中通过 MAC地址来找到接收端 ( 这仅限于 CobraNet，EtherSound所有数据包的分解都广播发送，无需一个专业的MAC 地址数据包。)，所以要实现的很多功能都需要在更专业的硬件设备上下足功夫，如采用四层交换机来规划带宽等，这样做的成本和代价是很大的。现在由于采用了 Dante 技术，就可以直接利用 IT 产业中的三层
4、互联网 QoS 来轻松实现很多以前无法解决的问题 。 QoS在互联网技术中是个非常常用和成熟的技术，现在几乎所有的路由器都支持 QoS，那么到底为什么要使用 QoS 呢？它的基本工作原理是什么呢？QoS(Quality of Service) 服务质量，是网络的一种安全机制 , 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。 在互联网发明初期， 人们并没有意识到需要 QoS 的应用，那时候的数据分发都是采用“竭尽全力传送”模式，也就是说网络数据没有谁更主要，网络传输设备尽力满足让更多的数据快速到达正确的位置。这在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要 QoS，比如 Web
5、应用，或 E-mail 设置等。但是对于像流媒体等音视频数据流等对网络延时非常敏感的应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。IETF 为了实现 IP 上的 QoS 而定义了三种不同的模型和机制，以应对不同的应用需求。 1) 相对优先级标记模型 (Relative Priority Marking)相对标记模型是最早的 QoS 模型，它的机制是通过终端应用或代理对其数据流设置一个相对的优先级，并百威媒体矩阵的Dante解决方案(8)解析媒体矩阵(MediaMatrix)(七十二)15音响技术 2011.1对相应的包头进行标记，然后网络节
6、点就会根据包头的标记进行相应的转发处理。 这种模型实现起来非常简单，但是颗粒度较粗并且缺少很多重要的功能，所以无法实现细致多样的 QoS 保证， 也不适用于流媒体数据的传送。2) 集成业务模型 (Inter-Serv)它在前一种模式的基础上扩展了功能，可以为每一个网络联接提供基于应用的 QoS ，这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。但是在 IP 核心网络中的实施存在问题，所以这种模型的可扩展性较差。 3) 差分业务模型 (Diff-Serv)与集成业务相比，它的业务流被划分成不同的差分服务类 ( 最多 64 种 )。一个业务流的差分服务类由其
7、IP 包头中的差分服务标记字段 DSCP 标示，每个路由器都会根据数据包的 DSCP 字段进行相应的转发处理。虽然 DiffServ 不能对每个业务流都进行不同服务质量保证。但由于采用了业务流分类技术，大大地节省了路由器的资源，因此网络的可扩展性要高得多。Dante 技术就是采用了差分业务模型构建的，当然如果采用 QoS 来提高 Dante 的传输质量，那么传输链路中的交换机或者路由器就必须支持这种差分业务模型的 QoS 协议，普通的交换机或者路由器是无法识别和完成 QoS 服务的。也许你会提出疑问，交换机属于两层网络传输设备，之前讲述的 Dante 和 CobraNet、EtherSound
8、 技术的区别就是前者是基于三层的 IP 传输结构，而后两种较早的网络传输技术是基于两层的传输技术，但是 QoS 原本就是针对三层 IP 通信的构架，为什么两层交换机也能支持 QoS 了呢？的确，目前几乎所有的主流路由器都能支持 QoS 功能，而且为了减少路由器的压力，很多汇聚层甚至是接入层的交换机也开始使用三层交换机技术，这样在送达路由器之前就可以完成一些路由器才能实现的控制功能。现在绝大多数的两层交换机也可以支持 802.1Q 协议 ( 可以在交换机的说明书上找到是否支持 802.1Q)，参考之前讲述的以太网两层数据包构成的框图，普通以太网数据包和支持 802.1Q 协议数据包的区别见表 1
9、。从表 1 可以看出，支持 802.1Q 协议的交换机可以在原有以太网数据包的基础上添加一个 802.1Q 的数据报，这个数据报的报头协议是 0X8100 这个固定的 2 字节，标明这个添加的报头是 802.1Q 的意思。后面的 2 字节 TCI 就是额外需要的功能了，其中有12 bit 的 VLAN 标识符，是大家所熟悉的。而前面的3 bit 的优先级就是指这个以太网数据包的发送优先级，可以定义在 07 之间，共 8 个优先级供下级设备使用， 这个优先级也称为 802.1p 优先级或 CoS 优先级，它是可以和 DSCP 进行映射转化的。当网络数据传递时无需或者没有三层路由器进行 DSCP
10、解析，或者路由器和交换机混合的网络中，数据包的优先级就是由CoS 和 DSCP 互相映射转换而获得。这种映射关系是非常重要的，因为在搭建 Dante 网络中，不可能从接入层就开始使用路由器，一般都是到核心层才可能使用路由器，而接入层和汇聚层都是使用交换机来进行数据传递，这时候就必须使用支持 802.1Q 的交换机和路由器相互配合实现 QoS 的配置。接下来再回到 Diff-Serv 差分服务模型中，这种差分业务模型在网络设计上分为两层 ：边缘层与核心层。 所谓边缘层就是直接和 Dante 设备连接的交换机或路由器，边缘层完成的第一个工作就是流量识别和过滤 ：当输入的音频数据流信号进入网络的时候
11、，和它连接的交换机或路由器就会先对流量进行识别，根据预先定义的规则过滤掉非法的流量，然后再根据数据包中所包含的信息，如源 / 目的地址、端口号、DSCP 等，将流量映射到不同的服务等级 ；边缘层完成的第二个工作就是流量控制和整形 ：当用户的业务流量被映射到不同的服务等级之后，边缘层设备会根据和用户事先对交换机或路由器的 QoS 参数的设置，普通以太网目的地Mac 地址6字节源Mac地址 6字节协议类型 长度2字节上层数据 461 517字节CRC校验 4字节支持802.1Q 以太网目的地Mac 地址6字节源Mac地址 6字节802.1Q报头协议类型 长度2字节上层数据 461 517字节CRC
12、校验 4字节TPID 2字节 (0X8100/16 bit)TCI2 字节 (优先级/3 bit CFI/1 bit VLAN标识/12 bit)表1 普通以太网和802.1Q以太网的数据结构比较16音响技术 2011.1来对音频数据流进行整形和控制，以确保流量不超过预先设定的范围 ；边缘层的第三个工作就是对数据流量进行重新标记 ：对经过整形后的数据包进行等级标记，如 IP 包头的 DSCP 字段等，以便核心层设备进行识别和处理。相对于边缘层，核心层所要完成的工作就简单得多，核心层设备主要是根据预先设定的 QoS参数对数据包中的相关的 QoS 字段进行识别和处理。通过这种分层次的结构形成了“智
13、能化边缘简单核心”的 QoS 网络架构，这种架构不但提高了网络的可扩展性，而且大大提高了 QoS 处理的灵活性。上述设定的工作是针对接入和核心的交换设备进行的 QoS 定义，当音频信号进入到网络中以后，不同种类的数据流会被标记为不同的转发 ( 发送 ) 等级，DiffServ 模型对数据流定义了三种不同标准的转发等级。加速转发等级 (Expedited Forwarding Class) 拥有最高的转发优先级，设备必须保证其他转发等级的流量无法影响加速转发等级流量的延时和抖动。像 Dante 这样的媒体流数据转发就是使用这种 “无障碍” 的转发等级。保证转发等级 (Assured Forwar
14、ding Class) 是一种低于加速转发级的等级，当数据流量小于事先的约定值时，被标示为“in-profile” ，而当客户流量超过了CIR，则被标示为“out-profile” 。通过这样的区分当网络中发生拥塞的时候， “out-profile”的流量会比“in-profile”的流量先丢弃。尽力而为转发等级 (Best-Effort Forwarding Class) 是最低优先级的转发等级，只有当加速转发等级和保证转发等级的流量转发完之后，才处理尽力而为转发等级流量。上述过程只是讲述了 QoS 服务的一个定义流程，下面再详细介绍一下它们实现上述服务是如何在数据包中进行的定义动作，只有了
15、解了动作的定义，才能理解它们的由来，并进一步了解数据传输的每一个动作是由哪一部分支配和控制的。DiffServ 体系使用了 IP 报文头中的 TOS(Type Of Service) 中的前 6 bit 来携带报文的分类信息。当然分类信息也可以被携带在链路层报文头上。一般附带在报文中的分类信息有 ：(1) 帧头的 Tag Control Information 中的前 3 bit，它包含了 8 个类别的优先级信息，通常称这 3 bit 为用户优先级位 (User Priority bits) ；(2) 报 文 头 中 的 TOS 字 段 前 3 bit， 称 作 IP precedence v
16、alue ；或者携带在 IP 报文头中的 TOS 字段前 6 bit，称作 DSCP (Differentiated Services Code Point )。在遵循 DiffServ 体系的网络中，各交换机和路由器对包含同样分类信息的报文采取同样的传输服务策略，对包含不同分类信息的报文采取不同的传输服务策略。报文的分类信息可以被网络上的主机、交换机、路由器或者其他网络设备赋予。交换机或路由器根据报文所携带的类别信息，可以为各种交通流提供不同的传输优先级，或者为某种交通流预留带宽，或者适当地丢弃一些重要性较低的报文，或者采取其他一些操作等等。这些独立设备的这种行为在 DiffServ 体系中被称作每跳行为 (per-hop behavior)。如果网络上的所有设备提供了一致的每跳行为，那么对于 DiffServ 体系来说，这个网络就可以构成端到端的 QoS 解决方案。这个过程提醒我们在进行网络工程设计的时候，很少遇到只有两层结构的网络传输结构，所以从 Dante 信号的输入端到输出端必须配置每一个环节的交换机或者路由器的 QoS 参数，对于路由器
