Untersuchung von Qualitätsparametern ethernetbasierter Audionetzwerke

MA-Thesis / Master von Marcus Heyden

Einleitung:

Mit der Einführung digitaler Netzwerke in Veranstaltungsbetrieben hat sich das Nutzungsverhalten grundlegend verändert. Es ist nicht mehr notwendig, für jeden Signalweg ein Kabel zu verlegen und die Verbindungen teils manuell an einer Kreuzschiene zu routen. Mittels digitaler Übertragung können mehrere Kanäle über ein Kabel übertragen und über ein Userinterface digital geroutet , verlustfrei über weite Strecken transportiert und parallel an verschiedenen Stellen abgegriffen werden. Die Übertragung von mehreren hundert Audiokanälen über ein einziges Kabel verringert den Verkabelungsaufwand erheblich. Dennoch ist auch bei digitaler Signalübertragung eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, z. B. zwischen Stagebox und FOH, bisher üblich. Nach nunmehr etwa 20 Jahren digitaler Audiovernetzung wurden etliche proprietäre Technologien mit firmeneigenen Protokollen als „Sprache“ für den Signaltransport entwickelt. Oftmals bildet Ethernet mit den dazugehörigen Cat. 5,6 oder 7 Twisted- Pair-Kupferkabel als Übertragungsmedium und RJ-45 Stecker bzw. Buchsen als Schnittstelle die Grundlage für Audionetzwerke. Allerdings wurde Ethernet an sich nicht für die Audioübertragung und die damit verbundenen Qualitätsanforderungen entwickelt. Um Ethernet auf professioneller Ebene zur Audioübertragung nutzen zu können, muss es vor allem echtzeitfähig sein. Im Gegensatz zur Datenübertragung muss der Paketfluss für Audio absolut synchron und kontinuierlich erfolgen, damit es nicht zu Signalunterbrechungen kommt. Trotz der Vergrößerung der Übertragungsrate und der Erweiterung der Ethernet-Standards um Quality-of-Service1 wird das Standard- Ethernet nach der Norm IEEE 802.3 diesen Anforderungen nicht gerecht. Neben diesen Qualitätsdefiziten gibt es jedoch etliche Vorteile bei der Nutzung des Ethernetstandards für Audionetzwerke. So verringert sich der Verkabelungsaufwand bei Installationen erheblich, unter Umständen kann sogar die bereits vorhandene Infrastruktur für ein A/V-Netzwerk genutzt werden. Die Möglichkeit einer parallelen Nutzung einer einzigen Verbindung für Audio- und Datentransport sowie für Steuerdaten geht damit einher.

Neben den haptischen Vorteilen bietet die Verwendung eines PC-kompatiblen Standards die Möglichkeit einer benutzerfreundlichen Konfiguration und Routingeinstellung über Softwareoberflächen, so dass kostspielige analoge Kreuzschienen überflüssig werden.

An sich ist eine digitale Übertragung von Audiodaten im Vergleich zur analogen Übertragung wesentlich resistenter gegen Qualitätseinbußen des Signals durch Dämpfung und elektromagnetische Störeinflüsse, die das Nutzsignal dauerhaft unerwünscht verändern. Durch optische Übertragung kann das nervenaufreibende Netzbrummen sogar gänzlich ad-acta gelegt werden. Stattdessen sind andere Parameter, wie Jitter, Synchronität, Latenz und Übertragungsrate, ausschlaggebend, an denen die Qualität unterschiedlicher Protokolle gemessen werden kann.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5., Objektive Qualitätsparameter von Netzwerken:

5.1, Quality of Service im Ethernet:

Quality-of-Service (QoS) beschreibt im Allgemeinen die Qualität eines Dienstes. Dazu werden Anforderungen an einen Dienst gestellt und gemessen, wie gut diese erfüllt werden. Die Anforderungen können weich mit einem großen Toleranzraum oder hart mit einer geringen Toleranz sein. Im Falle von Ethernet ist der Dienst die Übertragung von Ethernetpaketen, deren Qualität sich in Verlustrate, Verzögerung, Jitter und Durchsatz wiederspiegeln. QoS steht jedoch nicht nur für ein Qualitätsmaß einer Netzwerkverbindung sondern auch für die Fähigkeit eines Netzwerkes diese Qualität zu beeinflussen. Die Fähigkeiten können auf verschiedenen Schichten des OSI-Schichtenmodells angesiedelt sein. Für Ethernet wurden für grundlegende Fähigkeiten in diesem Bereich die Standards IEEE 802.1Q und IEEE 802.1p eingeführt. Neben der Erweiterung des Ethernets um VLANs wurde der Ethernetrahmen um ein drei Bit langes Prioritätsfeld erweitert, dass die Weiterleitungspriorität innerhalb eines VLAN differenziert. Die mögliche Verbesserung eines Netzwerkes durch QoS ist jedoch nur so gut, wie die schlechteste Komponente im Netzwerk. Vor allem die Netzwerkknoten müssen für ein qualitativ gleichwertiges Netzwerk einheitliche QoS-Parameter erfüllen.

5.1.1, Verzögerungen:

Die Verzögerung oder Latenz ist die Zeit, die ein Paket benötigt, um durch das Netzwerk über alle Netzwerkknoten übertragen zu werden. Einfluss auf die Latenz haben softwarebasiert die Zeitdauer der Codeverarbeitung und hardwarebasiert die Übertragungsmedien und Schnittstellen. Die Toleranzgrenze für die Verzögerung ist anwendungsspezifisch. Bei Speicherzugriff, Datentransfer und Streaming sind die akzeptablen Verzögerungen sehr unterschiedlich. Die Verzögerung ist abhängig von der Zwischenspeicherung und Pufferung von Paketen. Die Latenz in Hinblick auf Audionetzwerke wird im Kapitel 5.3 näher erläutert.

5.1.2, Paketpriorisierung:

Ein Netzwerk mit QoS unterscheidet zwischen den verschiedenen, zeitgleich aktiven Anwendungen. Zeitsensitive Anwendungen, wie z. B. das Streaming von A/VDatenpaketen, werden bevorzugt. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Voice-over-IPTelefonie (VoIP). Da Telefongespräche in Echtzeit ablaufen, werden diese Pakete gegenüber E-Mail und Internet priorisiert. Kommt es zu Datenstaus in den Switches, werden zeitunkritische Pakete verworfen, um zeitkritischen Paketen den Durchfluss zu ermöglichen.

Ein Switch leitet die Pakete dann nach entsprechenden Regeln weiter. Von Hause aus haben die zwischengespeicherten Pakete in den Switches immer die oberste Priorität. Eine grundlegende Methode zur Paketpriorisierung ist die Prioritätsmarkierung der Pakete. Hierzu stehen zwei grundlegende Methoden zur Verfügung, die der dritten Layer-Ebene zugeordnet sind. Beim Standard IEEE 802.1Q werden die Prioritätswerte im VLAN-Header des Ethernetrahmens eingetragen. Die Prioritäten werden innerhalb eines lokalen Netzwerkes von QoS-fähigen Switches berücksichtigt. Beim Diffserv werden die Prioritätswerte direkt in den IP-Header des Ethernetrahmens eingetragen. Die Prioritäten werden auch von Routern und dadurch nicht nur lokal, sondern auch netzwerkübergreifend berücksichtigt. Pakete verschiedener Anwendungen auf der gleichen Prioritätsstufe werden gebündelt und als ein Kanal gesendet.

5.1.3, Paketverlust:

Zu Paketverlusten kann es bei einer zu hohen Auslastung von Netzwerkknoten kommen. Pakete, die nicht weitergeleitet werden können, werden verworfen. Bemerkt der Empfänger das Fehlen von Paketen, kann er entweder ein erneutes Senden anfordern oder andere Fehlerkorrekturmechanismen verwenden. Ein Paketverlust während des Streamens von Audio führt zur Lückenbildung im Signal bei der Wiedergabe, sofern der Fehler nicht korrigiert werden kann. Paketverlust kann durch Zwischenspeichern der Datenpakete in den Switches reduziert werden. Sofern durch entsprechende Mechanismen gewährleistet wird, dass ein Switch nicht überlastet wird, kann Paketverlust verhindert werden. Audionetzwerke verfügen über Kontrollmechanismen, die Datenstaus und somit Paketverlust verhindern, indem die mögliche Audiokanalanzahl über ein Netzwerk beschränkt wird.

5.1.4, Übertragungsratenreservierung:

Damit für eine Anwendung eine bestimmte Datenrate im Ethernet-Netzwerk garantiert werden kann, muss die Übertragungsrate kontrolliert bzw. reserviert werden. Zum einen kann die Datenrate auf einen festen Wert begrenzt werden, der unterhalb der möglichen Übertragungsrate gesetzt wird, damit ein Spielraum nach oben entsteht. Zudem können Reservierungsprotokolle bestimmten Anwendungen eine Übertragungsrate reservieren. Damit einer Anwendung im Netzwerk die benötigte Übertragungsrate zugesichert werden kann, muss diese vor dem Beginn der Übertragung den Übertragungsratenbedarf mitteilen.

5.1.5, Clock Synchronisation:

Zur Synchronisation von Netzwerkteilnehmern wird dem Ethernetrahmen ein Zeitstempel hinzugefügt, so dass sich der Empfänger mit dem Sender synchronisieren kann. Ein hierfür verbreitetes Protokoll ist das Network Time Protocol (NTP), welches im UD-Protokoll im dritten Layer untergebracht ist. Der Zeitstempel im NTP ist 64 Bit lang, wobei die ersten 32 Bit die Sekunden seit dem 1.Januar 1900 um 0:00 Uhr und die zweiten 32 Bit die Sekundenbruchteile darstellen. So kann die Zeit über einen Zeitraum von 2³² Sekunden (ca. 136 Jahre) mit einer Auflösung von 0,23 ns ausgedrückt werden. In lokalen Netzwerken können die Teilnehmer durch NTP mit einer Genauigkeit von etwa 200 ms synchronisiert werden. Das ist für ein Audionetzwerk zu grob, für Datenverkehr ist es ausreichend. NTP wird eher im Internet verwendet. Ein relativ neues Zeitsynchronisationsprotokoll für lokale Netzwerke ist das IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP). Es erreicht eine Genauigkeit im Nanosekundenbereich.

5.2, Jitter:

Damit ein Empfänger die übertragenen digitalen Daten entziffern kann, muss er die Datenpakete im gleichen Takt decodieren, wie der Sender die Datenpakete zuvor codiert hat. Daher muss neben den eigentlichen Daten der Übertragungstakt übermittelt werden. Dies kann entweder über eine zusätzliche Leitung erfolgen oder direkt über die Codierung durch definierte Bitmuster. Der Übertragungstakt ist jedoch nicht immer gleichmäßig. Die Genauigkeitsschwankung im Übertragungstakt von digitalen Signalen wird Jitter genannt. Dabei handelt es sich um eine zeitliche Varianz der Flanken des Abtasttaktes gegenüber der Sollposition. Leider werden von den Chip-Herstellern kaum Informationen zu den Jittereigenschaften ihrer Produkte preisgegeben.