网络音频传输协议CobraNet

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代号“眼镜蛇”-
CobraNet

无论你是演出租赁公司还是大型工程项目的音频承包商，现今的数字音频网络技术都能给你带来无比的竞争优势。在这当中最为先进的技术之一就是Peak Audio尖峰音频公司的CobraNet——眼镜蛇网络。

如果我告诉你现在很多摇滚音乐会都用“网络技术”来传送信号，进行最劲爆的现场扩声，你会不会感到吃惊呢？“网络技术”早已超越了在办公室中安安静静传输电子表格的界限。现在“网络技术”已经渗透到现代生活的各个角落，它所能传递的信息包罗万象，广泛用于视频、灯光控制、保安监控、演出进程控制等众多领域，所以网络能够传输高质量的音频也就不是天方夜谭的故事了。

用网络技术来传输信号能带给我们众多的好处，比如在一根电缆上能传输多路信号、系统组织可以非常灵活、系统的冗余安全性和容错方案很容易实现、可随时对信号的路由进行动态调整以及可以实时监控系统中任意信号的状况等等。在一个音频网络中，一根5类双绞线（办公室中使用的普通网线）或者一根光缆可以取代模拟系统中无数根音频电缆，而且网线中还可以增加遥控和监控信息。由于网络系统中实际需要铺设的线缆大大减少，线槽的尺寸也可以随之减小，线缆铺设所花费的人工和时间也就大大减少和降低。另外由于光缆对于各种电磁干扰和射频干扰具有天生的免疫特性，所以整个系统的调试和维护也变得更为简便。

在音频网络系统当中，冗余备份和容错设计非常容易实现。通过合理设计，当系统检测到任何一件设备或者网络电缆发生故障，都可以进行应急切换，保证系统继续运行。在网络管理方面，可以在中心机房或任何需要的地方设置专门的监控计算机，对网络上所有的设备进行监控，如果有设备发生损毁，在应急切换的同时也可以给出报警信号，比如电脑监视器上原先的绿灯变成红灯，或者发出电子邮件、BP机呼叫和手机短信，提请工程师注意进行系统维护。对系统进行中央监控可以节省大量的时间和劳力，尤其是当音频网络系统应用于大型场馆的情况下，有大型主题公园工作经历的工程师对这一点可能会特别欣赏。

用网络系统来调配音频信号的时候，灵活性是无与伦比的。在一个设计合理的音频网络系统中，可以轻松地把任何输入信号切换到任何输出通道，而且完全不用重新接线，甚至连跳线板也不用。这种信号路由的灵活调整特性，可以使系统适应不同的使用要求，对于未来的可扩展性和系统的调整也留有充分余地，而这一切都不需要繁重的体力劳动来搬动机柜机架，更不需要繁琐的重新焊线接头工作。

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眼镜蛇协议CobraNet protocol，利用成熟的快速以太网技术来传输和分配实时、非压缩的数字音频信号。现在已经成为被广泛采用的音频网络技术标准，目前已经有超过40多家世界知名的音频产品制造商取得了使用该技术的执照，他们所生产的产品从标准的输入输出设备、功率放大器、有源扬声器系统直到各类网络化的信号处理设备，可以说是应有尽有。
能接入眼镜蛇网络，通过网络接收、发送信号的设备，一般统称为CobraNet devices，即眼镜蛇设备。所有眼镜蛇设备均由遵循眼镜蛇协议的设备制造商制造，它们之间可以互相传递信息，具有很好的互操作性。因此，系统设计人员可以自由地选择各个厂家生产的眼镜蛇设备，组成一个完整的系统，这对于根据不同需求和预算搭建不同的系统具有很好的优势。
每个眼镜蛇设备至少具有一个以太网接口（RJ45接头），通过这个接口就可以与网络相连接。在一个快速以太网上，数据传输的速度可以达到每秒100兆比特(Mbps)。在这样的带宽条件下，眼镜蛇网络可以支持64路音频信号。由于大部分眼镜蛇设备具有同时发送和接收网络数据的能力（也叫做全双工），所以每个眼镜蛇设备能享受双向100 Mbps的带宽（即接收100 Mbps、发送100 Mbps）。这样眼镜蛇设备实际享受的带宽达到200 Mbps。这也就是说在一根5类双绞线或1对光缆上可以传输128路音频信号。由于很多以太网交换机具有千兆上行接口或扩展接口，在这些速度更高的端口上传输的音频信号可以达到1280路。

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有些眼镜蛇设备具有2个以太网接口。尽管这些接口不能同时工作来增加有效带宽，但却是提高系统冗余度和容错性的好方法。如果主用的以太网口出现问题，比如网线断裂，或者是交换机上的相应端口出了故障，备用的以太网口就能自动启用，保证网络传输不会中断。
眼镜蛇设备上的模拟接口可以是话筒电平或者线路电平的接口。作为输出甚至可以有扬声器的接口，在具有眼镜蛇接口的功放上，这是非常常见的。有些眼镜蛇设备也提供数字音频接口(AES/EBU)，甚至有些产品可以提供从眼镜蛇网络到其他音频网络的转换接口。眼镜蛇协议一个独到的优势在于协议本身并不限制输入输出信号的类型，比如说，你可以用模拟线路电平向眼镜蛇网络输入一个信号，然后再从连在网络上的另一件眼镜蛇设备中以数字方式将该信号取出。这一优点使眼镜蛇网络用于旧场馆的改造，实现模拟数字设备的无缝连接变得非常容易。目前眼镜蛇协议支持的标准采样频率是48KHz，量化比特16、20、24可选。96KHz的高采样频率目前正在进行测试，渴望在新版的眼镜蛇协议中提供。
眼镜蛇协议同样支持各种控制信号的传输，比如常见的RS232, RS422 和 RS485信号。这使得不同制造商所采用的不同控制协议可以同时在网络上传输，彼此互不干扰。在以太网带宽中除了传输音频信号，余下的带宽都可以用来传输控制信号。
目前的IT产业中有很多网络技术可供选用，但以太网仍然是最为稳定可靠和广泛使用的协议。所以当美国Cirrus Logic下属的Peak Audio尖峰音频公司着手开发眼镜蛇协议的时候，以太网成了理所当然的选择。现在基于以太网的新技术不断涌现，以太网本身的功能也在不断增强和完善，依靠着IT技术的不断前进，音频行业也可以不断与时俱进。许多网络行业的大公司为了争夺市场份额，不断推出新的技术和产品，而价格却在不断下降，作为音频行业，我们可以容易地享受到技术进步所带来的好处。因为整个眼镜蛇协议是建立在标准以太网硬件和底层协议基础上的，我们不需要特别的或有技术专利的产品来构建网络基础。IT行业大批网络硬件设备厂商能够提供种类繁多的标准产品，从工程当地的电脑商城，甚至通过网上购物都可以轻松买到。

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眼镜蛇网络可以围绕以太网交换机（switching hubs）或者以太网集线器（repeater hubs）来构建。交换机和集线器都是多个端口的网络交换设备，可以用来连接电脑、网络打印机以及眼镜蛇设备。如果网络中的交换设备全部由交换机组成，则这样的网络被称为交换机网络，而全部由集线器组成的网络相应就被称为集线器网络。
尽管眼镜蛇网络可以支持集线器，但交换机可以提供更强大的路由交换能力和更多的附加功能，比如支持闭合环路的拓扑结构、智能化路由分配、网络流量监控、与普通办公电脑共享网络硬件设施，或者把网络上连接的设备人为分区形成所谓的虚拟局域网VLAN。所有这些功能都只有在使用交换机时才能享受。正因为集线器和交换机具有如此显著的功能差别，所以建议在构建眼镜蛇网络时千万不要将两者混用。在网络硬件设备发展的初期，集线器和交换机具有很大的价格差别，而随着技术的进步和生产能力的增长，两者的价格差别几乎可以忽略不计，而功能上的差别却日见扩大。在眼镜蛇网络中使用集线器没有任何优势可言，因此我们建议在任何眼镜蛇网络中都不要使用集线器。

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图1：星型拓扑结构

最为常见的网络拓扑结构是星型连接。在这样的网络结构中，所有的网络节点都连接到中央的交换机上。在图1中，标有CobraNet字样的方框代表眼镜蛇设备。眼镜蛇设备与交换机之间用5类双绞线连接，最远传输距离为100米。在这样的网络结构下，如果把眼镜蛇设备换成交换机，再向外连接眼镜蛇设备，就能够形成更大的星型结构，也可以叫做星云结构。

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在星云结构中，交换机之间的5类双绞线长度也必须控制在100米以内。如果超出这个范围，则应该选用光缆传输。用于快速以太网的多模光缆最远可以传输2公里。如果使用单模光缆，传输距离可以进一步增加，这时影响传输距离的主要是光发射接收装置的功率和灵敏度，这一数值根据各个厂商的技术标准有很大出入。通过不断向外层连接以太网交换机，可以建成更大的星云结构网络。如果设计合理的话，眼镜蛇网络的大小是没有局限的。

眼镜蛇协议把音频信号打成数据包，以便在以太网上传输，这种数据包被称为Bundle。一个Bundle的数据量可以包含8路20比特的音频信号。采用这种最大尺寸的Bundle数据包是最值得推荐的做法，因为这样可以最有效地利用网络带宽。在数据包中也可以装入16比特或24比特的音频信号，但这种做法非常少见。采用16比特的信号，一个数据包能容纳8个音频通道。采用24比特的信号，一个数据包只能容纳7个音频通道。

在眼镜蛇网络中，音频信号的路由分配是通过数据包号Bundle number来实现的。具体来说又有所谓多点传输multicast和单点传输unicast的分别。Multicast可以支持1点到多点的信号分配，这样的数据包将耗占整个网络的带宽。这意味着如果用多点传输数据包向网络上某个设备定向传送信号，网络上其他本不用接受这一信号的设备也都能看到这个数据包。因此多点传输数据包因该只在需要时使用，以免浪费网络带宽。多点传输数据包的包号在1-255之间。

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在图3中，眼镜蛇设备A将连接在其上的话筒信号打包到8号数据包，并向外发送(Tx)，网络中只有设备H被设定为接受(Rx)8号数据包的信息。由于8号数据包属于多点传输数据包，所以这个数据包被发往网络上所有的设备。设备H由于被设定接受该数据包，所以连接在其上的喇叭就能够重播话筒的信号，而其他设备则忽略了这一信号。

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无论网络上是否有接受设备，多点传输数据包都将发往所有网络设备。如果眼镜蛇设备H改为接受其他数据包，或者完全关断（数据包号为0），图3中红色箭头所代表的数据流动将依然存在，这样宝贵的带宽资源就被浪费了。

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单点传输数据包，顾名思义，支持点对点的数据传输。单点数据包实际上利用了以太网交换机的一个基本功能，即读取数据包的目的地址，并把该数据包定向发送到该地址。这可以有效防止带宽的浪费，从而增加网络上所能使用的音频通道数。因此在使用交换机网络构建眼镜蛇网络时没有确定的数据包极限，网络所能容纳的音频通道数很大程度取决于网络的拓扑结构。单点传输数据包的包号在256-65279之间。

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图4中，眼镜蛇设备A改用310号数据包传送话筒信号，而设备H也改为接受310号数据包。由于310号数据包属于单点传输数据包，所以该数据包被定向发往设备H。红色箭头显示只有在直接连接2设备的网络端口，带宽才被消耗，这样网络资源就得到更合理的利用。