谈ACN 和 Artnet 网络协议标准

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1、陈国义 上海戏剧学院教授胡清亮 南京大学顾问教授 硕士研究生导师梁国芹 硕士 高级工程师 河东企业总裁廖伟民 享受国务院特殊津贴网络专家河东网络公司总经理关键词ACN协议 Artnet协议 DMX512-A 调光网络 调光设备即插即用摘 要本文着重描述ACN协议与Artnet协议之间的不同特点与应用情况ACN 是旨在提供下一代灯光控制网络数据传输的先进控制网络标准 ACN 要去完成包括DMX协议的更多工作 ACN将统一灯光控制网络 允许单一网络传输很多不同种类的调光及其它相关数据 并且可以连接来自不同厂家的调光设备Art-Net 是一个10BaseT 基于TCP/IP 协议的以太网协议 其目的

2、是用标准网络技术允许远程传输大量的DMX512数据近年来 随着计算机网络技术的普及和快速发展 网络技术的应用已经渗透到各行各业 带来了很多新的应用概念 网络技术在灯光控制领域的新应用也展现蓬勃发展之势为跟上网络技术的发展 在世界范围内 灯光控制领域各生产厂家纷纷研制并推出应用网络技术的相关调光设备 目前已有相当数量的产品活跃在灯光控制市场 形成百花齐放 群雄争霸的局面 令人遗憾的是 由于各厂家产品之间的兼容 通讯 互相操作等方面还存在着不同程度的问题 要是将这些均称为网络调光设备连成一个调光网络 将会发现这个调光网络很难运行 各厂家产品令人跃跃欲试的先进功能 在这个调光网络里 要么无用武之地

3、要么亳无表现 如果在这个调光网络系统里全部是某个厂家的产品 毫无疑问 设备和网络系统都可以发挥出预期功能 就比如 在某地 聚集着来自世界各地的人 他们都讲着除了自己谁也听不懂的语言 结果自然是 听起来热热闹闹但相互间谁也无法和谁沟通 如果有翻译或有一种大家都懂的世界语 结果也就不言而喻了在调光网络里这种世界语就是网络通讯协议 网络通讯有三个基本要素:设备连接方法 数据交换方式 数据定义1986 年由美国影视剧场技术协会(USITT)的工程委员会开发 完成版本于1990 年的DMX512 协议是这样定义的: 控制灯光设备和附件的传输数字式数据的标准 它已获得国际业界认可 目前遍布娱乐业调光领域

4、它结束了模拟调光和产品互不兼容的时代 同时开创了数字调光和其它产品可互相兼容的新时代 这是数字时代进步的必然 它定义了用EIA-485 通讯协议传输DMX512 调光数据 在这个层面上 它能把不同厂家产品连接起来 并实施控制 但它不能相互交换数据 而只能单向传输 很难将其称为具有现代意义的网络 值得注意的是 DMX512 也不断在摒弃落后技术并引进先进技术中获得不断发展 在经过几个修订版后 即将发布的DMX512-A新标准将取代DMX512 DMX512-A为远程设备管理协议(RDM)打下了基础 意味着双向传输数据的可能 最终各种调光设备可相互交换数据 它引入了一个新体系 即唯一的厂商标识码

5、这允许无论在何处都可处理被标识设备在调光网络产品沸沸扬扬面市的时候 值得注意的是世界上出现的两个调光网络协议:一个是代表北美业界的ACN 协议 另一个是代表欧洲业界的Art-Net协议ACN协议开宗明义地这样阐述: ACN是旨在提供下一代灯光控制网络数据传输的先进控制网络标准 ACN 要去完成包括DMX 协议的更多工作 ACN 将统一灯光控制网络 允许单一网络传输很多不同种类的调光及其它相关数据 并且可以连接来自不同厂家的调光设备 ACN协议并不局限于灯光领域 预期将适用于音响控制和舞台机械设备 它可以应用于任何支持TCP/IP协议的网络中 通常最普遍的是应用于以太网络 目前 协议标准的大部分

6、已经基本编写完成 虽然这一标准还尚未获得美国国家标准协会通过 但是由于它的先进性 优越性为业界所广泛看好 世界上许多国家的厂商已纷纷设计符合这一标准的灯光网络系统架构和制造出相应系列灯光网络产品 称之为 ACN-Ready 或 准ACN 产品以支持ACN协议而尽早通过确认和抢占市场先机而Art-Net则简单明了地表明: Art-Net 是一个10BaseT基于TCP/IP协议的以太网协议 其目的是用标准网络技术允许远程传输大量的DMX512 数据 它由Artistic Licence发明且巳公布出版 最新版本为 V1.4 文档修订Q 版权Artistic Licence (UK) Ltd 20

7、02 目前已有25家成员ACN 和Art-Net 两种协议都同样可采用以太网和TCP/IP 通讯协议 它们都支持同一网络兼容不同厂家设备相互通讯和操作 它们都具有丰富而翔实的设计文档和提供厂家产品设计的技术规范 因此 要对两种协议作出正确评价是很困难的 但有一点是可以肯定的 它们都是后DMX512 时代的先进调光网络协议一种协议要获得业界普遍认可 除了其设计必须具备技术先进性 可扩充性等基本条件外 更重要的是进入市场后是否能得到广泛的应用和推广 也就是必须遵循市场规律 下面主要从技术应用层面提出一些肤浅的一管之见网络结构和通讯协议网络结构定义了设备的低层连接方式 通讯协议规定了设备控制数据的高

8、层传输控制模式 国际标准化组织的ISO7498开放系统互联模型对网络有著名的七层协议的定义以太网是目前世界上最普遍使用的局域组网结构模式 常用的有线模式是802.3网络协议;无线模式是802.11网络协议 TCP/IP通讯协议集是当前网络最普遍使用的数据传输协议 它是著名的国际互联网的主体协议 TCP/IP 协议的基本传输单位是数据包 TCP协议负责把数据分成若干个数据包 并给每个数据包加上包头(就像给一封信加上信封) 包头上有相应的编号 以保证在数据接收端能将数据按顺序还原为原来的格式 IP 协议在每个包头上再加上接收端设备地址 这样数据能找到自己要去的地方(就像信封上要写明地址一样) 如果

9、传输过程中出现数据丢失 数据失真等情况 TCP协议会自动要求数据重新传输 IP协议保证数据的传输 因此是个地址协议 TCP协议保证数据传输的质量 因此是个传输控制协议可以这样理解在使用ACN和Art-Net两种协议的调光网络:一端设备将调光数据相关设备控制数据(如DMX512 数据)打包成ACN 或Art-Net 协议包(编码) 将该包装入TCP/IP 信封(打包) 通过以太网安全可靠地传到另一端设备 接收设备去掉TCP/IP 信封(拆包) 再按ACN 或Art-Net 协议解释收到的信息包(解码)实施对设备的操作 打包 传输 拆包是采用以太网结构和TCP/IP 通讯协议得到的直接好处(现成的

10、计算机网络技术和产品支持) 它不关心所传输数据是什么意义 它仅提供一条畅通而可靠的通道 而编码 解码所处理的数据直接相关调光设备的功能属性 因此ACN和Art-Net两种协议都有对设备属性的各种定义例如,控制设备发送数据的过程可示为:调光台-协议(编码)-TCP/IP(打包)-网线(传输)-TCP/IP(拆包)-协议(解码)-DMX512-硅柜-灯具首先 在调光领域 采用现有成熟的计算机网络技术和产品是相当明智的方法 计算机产业比娱乐技术产业大得多 而且正以惊人的速度在不断地发展 使用以太网和TCP/IP 作调光控制 意味着拥有大量现成的低价而众多的网络产品和软件资源 例如集线器 电缆 光纤和

11、无线连接产品以及远程控制和监测技术此外 现有大楼和各种场所已遍布以太网 更可方便调光工程的临时使用 拿来便用何乐而不为 调光网络与传统的DMX512 比较 能获得最直接的利益当是宽带 距离 可靠和双向等功能的实现 这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多 且连接的距离更长 传输控制协议使调光控制质量和可靠性更高 双向通讯使设备的远程监测和控制更有效 因而构筑大规模可靠的调光网络成本更低 这是以现代计算机网络技术为支持的必然结果可靠性与有效带宽ACN 和Art-Net 两种协议都同样采用UDP 协议作调光网络数据传输 UDP 是TCP/IP 协议集里的用户数据包协议 它程序小而简单 不用建立连接

12、 因此处理速度很快 它可以提供基本的多点传输(或称广播)寻址和数据传输功能 但UDP并没有提供数据传输可靠性的任何保证 这意味着它发送数据后并不知道数据包能否到达另一端 而且数据包传输出错也无法要求重传 如同广播电台并不知道收音机能否收听到一样 解决的办法有两个:一是使用TCP 传输控制协议二是收到数据后设备反馈收到信息 前者是复杂的传输控制协议 TCP需要建立连接(如同打电话要经摘机 听拨号音 拨号等过程) 监测到传输出错要求对方重发数据等 因而有可靠性保证 但管理连接及相应处理会大大增加设备的负担对后者 某设备发送一次数据而收到数据的设备数以百计 若都反馈收到信息可以想象 数以百计的反馈信

13、息将使网上交通拥挤不堪而堵塞 而发送设备每发送一次数据都要处理数以百计的反馈信息 也将不胜负荷而难以实时控制 显然这是不可行的 亳无疑问 两种方法都以牺牲有限网络带宽为代价的 可靠性与带宽是矛盾的两个方面 调光网络是一个实时控制系统 数据传输的可靠性是保证调光质量和正确控制的基础 有效带宽是保证设备实时响应速度和影响同时接入网络的设备数量 两个指标的重要性不言而喻DMX512 协议似乎可以忽略可靠性问题 因为它在设计时就已假定 它要不断重复发送数据 即使前一次数据偶然出错 随后很快将会收到下一次正确数据因此出错数据只会持续很短的时间 但是应该指出 这种连续的数据发送方法如果前一次传输的是控制命

14、令类的重要数据出错而紧接下一次是其它调光类数据 仍会有重要数据丢失问题 设备将会工作在不正常或不确定状态 而且 更重要的是 连续发送数据(大量的重复数据)会使网络带宽使用效率很低Art-Net 其定义是用标准以太网络技术允许远程传输大量的DMX512 数据研究其技术文档也未见有不是连续发送数据的设计 因此可以相信 它继承了DMX512连续发送数据的假定 也可能存在上述DMX512存输中存在的问题ACN 设计了会话数据传输协议SDT(Session Data Tansport) SDT 是ACN 在TCP/IP 网络中UDP 协议上层使用的一种传输控制协议 通过建立数据传输会话来提供所需的可靠性

15、 会话只有检测到传输数据出错才要求设备重发 既保证了传输数据的可靠性又不用频繁反馈信息 因此有效地使用网络带宽 而且 ACN设计尽可能只发送输出值有变化的部分数据 而不是像DMX512 一样不断的发送所有输出值(包括大量无变化的重复数据)到设备 不难想象 网络带宽的使用效率将会得到很大的提高子网和路由最简单的调光网络可以想象成一条线的总线 各个调光设备可以通过向总线发送数据包使设备之间互相通信和操作 但随着网络中的设备数量增大到某个程度 会产生许多问题带宽资源耗尽每台设备都浪费许多时间处理无关的广播数据网络变得无法管理 任何错误都可能导致整个网络瘫痪每台设备都要处理监听其他无关设备的通信,无端

16、增加设备负担把网络按应用功能和相关设备划分成若干子网(分段)可以解决这些问题 但同时必须提供一种机制使不同子网的设备在需要时可以互相通信 这种机制即是子网和路由的设置策略 主要目的是将频繁通信的相关设备设置为同一子网 将偶而才有通信的设备隔离开以减少无关处理时间 从而整体提高带宽使用效率例如 一栋大楼有多个演播厅 可将每个演播厅划为单独子网 子网中设备可独享该段全部带宽 各演播厅间设备通信不会相互干扰 必要时各演播厅间也可相互通信 通过灵活控制子网和路由 甚至也可以利用现有的计算机局域网构造出调光子网而不会干扰现有应用 这将节省调光网络建网成本ACN协议可以自由地不限制使用子网编址和路由方法

17、以适应实际使用的网络结构 通过将复杂网络隔离成多个简单子网 因此 子网编址提供了据实际需要限制网络流量的方法Art-Net 协议在最新版本采用了有限子网和非路由方法 每个节点(设备)具有唯一IP地址 UDP用作源和目的设备固定端口是0x1936 用A类IP地址配置机制 因此允许Art-Net协议可以直接通讯以及不需要网络服务器使设备连上网络 使用A类地址作封闭网络 可确保Art-Net数据不被路由到国际互联网路由是设备在网络上选择传送数据包路径的过程 路由器 Router 是用于连接多个逻辑上分开的网络 逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网 如果采用非路由方法 是否意味着子网间不能互相通信 假

18、如出于完全安全隔离考虑此方法也未尚不可但应该想想 未来的调光网络是否也需要遥测遥控功能 不妨设想一下 如果通过方便而廉价的互联网 使用电脑 手提电脑或掌上电脑能远程监测调光网络和设备的实时运行状况 必要时也可实施控制会是什么情形 此外 设备的远程诊断和设备软件的远程升级绝不会是没有必要 在这个网络时代 远程诊病甚至精确的远程手术都已付之应用 调光相关的远程应用仅限于想象力罢了智能化和即插即用传统调光设备的使用有以下的繁琐工作和担忧设置多种设备之间的转换网络担心插错了DMX信号线插座在每个设备上安装地址开关将控制回路分配到控制器的DMX地址担心设备在不正确的DMX通道运行担心布景阻碍灯具旋转和舞

19、台效果有时候没法及早处理在撤走第二个调光台之后必须重新手动编辑灯光场.解决这些自动化问题取决于协议的智能化程度ACN使用自动识别技术使系统很容易配置 这意味着操作人员不必告诉控制器(如调光台)什么设备已在网上和如何控制这些设备 在计算机和电子消费领域 这种能力被称作 即插即用 ACN 控制器能够自动找到设备 并配置设备进而作出怎样控制这些设备 这被称作发现 ACN的发现分成几个步骤 首先控制器使用互联网标准的服务定位协议SLP(Service Location Protocol )来找到设备已在网上 第二 控制器使用设备管理协议DMP来完成设备类型识别 第三 控制器使用设备描述语言协议DDL通

20、过获取设备的属性就可得知设备的工作状态 通过设置设备属性就能够控制这些设备 DMP提供强大的具有即插即用交互操作的设备发现和自动设置功能 设备能自我通告 对自动设置的每个设备控制器能够获取设备自我描述并解释为 巳知 设备 DDL 使用标记语言XML(Extensible Markup Language) 这是目前国际互联网一个主流技术 它可以由机器或人工以文本格式读取 设备描述存贮在设备中 因而它可以从设备里获取 甚至可从厂商网站下载 任何解释处理并不需要了解完整的设备描述 设计者只选取所需部分即可 DDL不仅能使控制器可方便地找出巳知设备的功能属性 而且有助于设计出更智能的控制器 懂得处理以

21、前从未控制过的设备Art-Net 定义的服务器是以产生控制数据为主要任务的设备 如调光台定义的节点是以接收控制数据为主要任务的设备 如硅柜或以太网DMX 网关Art-Net 当第一次连网时 服务器既不知道网上有多少个节点 也不知道其IP地址 有限广播地址允许服务器发送ArtPoll 协议包到网上所有节点 ArtPoll包被用于去发现网上的其它服务和节点 它只能由服务器发送 各个服务器和节点发送应答包 服务器通过应答包从而得知网上设备的IP 地址 然后建立通讯即可实施控制 因此 这种机制也具有某种程度的智能化 由于服务器和节点的关系(如收发数据)较明确 因而不象ACN需设计一套设备描述语言来定义

22、设备类型和功能属性智能化和即插即用的前提条件是设备的唯一标识 ACN和Art-Net有不同的定义策略Art-Net 的每个设备具有从MAC 地址计算出唯一IP 地址 MAC 机器(如网卡)地址是48位数如 u:v:w:x:y:z 这是全球唯一的编码 前3字节 u.v.w 要向专门组织注册 后3 字节 x.y.z 由专门组织分配 为了将支持Art-Net不同厂家的IP地址冲突的可能性减至最低 在MAC地址中增加产品的OEM代码OEM代码需向Art-Net组织注册登记 从而可全球唯一定义特指厂商的产品类型在ACN 协议中 每个发送和接收数据的端点(设备)称作一个组件 所有的通讯发生在组件之间 每个

23、组件有唯一的128位数值的标识符 即CID 组件标识符在全世界都通用 而且不会随时间变化而改变 产生组件标识CID的算法被定义在 ISO/IEC 11578:1996 使用该算法 令厂家可不用咨询授权机构或者注册唯一的CID就可以为自己的产品生成CID 这意味着用普通电脑也可以生成自己的CID 这种能力使一种软件 如从互联网下载 不需手动设置单独的标识符就可自动在很多系统中运行 或者 系统可以生成可变的临时组件来执行某些短暂功能 相当方便和灵活ACN和Art-Net协议使网上设备具有即插即用能力 这无疑大大的提高调光网络的智能化水平和操作可靠性兼容和扩展兼容和扩展能力是评价协议设计的技术先进性

24、和前瞻性的重要依据ACN 和Art-Net 协议都具有对DMX512 很好的向后兼容性 这意味着市场上现有的大量DMX512 设备 略加改造即可使用于调光网络 目前常用两种方法可使其成为网络设备:DMX512设备通过协议的加解码节点设备连接调光网络在DMX512设备上增加网络接口和协议模块直接连接调光网络向前兼容或扩展能力 ACN和Art-Net协议采用了不同的策略ACN协议的策略:ACN包格式确保所有ACN协议都能以相同的方式构造各自的信息包 各个ACN命令和信息被编码成包头结构均相同的各自协议数据单元PDU 每个ACN信息包由一个PDU块构成 一个PDU块是一组PDU 有些PDU类型被定义

25、为可包含附加数据和另一个PDU块并可被嵌套 PDU的嵌套方式取决于每种协议的各自PDU类型 PDU结构和包头格式可以确保命令和数据的有效打包 增加一个新协议或命令仅需简单地在包头相应域改变相应值即可 方便而快捷 而且 PDU结构能快速和容易地识别设备和跳过那些不被支持的特殊协议或命令 ACN可构造最小的包以兼容现有的协议 它甚至可兼容其协议数据单元(PDU)在ACN 协议家族中不适于数据传输或交互操作的格式 因此可见 协议数据单元PDU具有很灵活的弹性以满足复杂的应用需求 而且其嵌套能力又使它对各种协议具有很大的容纳能力 例如 要传输新协议视频数据 只需简单在PDU包头结构中的协议标识符和类型

26、域填入相关定义 ACN 会即时生成对新协议类型的支持 当此生成发现PDU包中有不认识部份时 会用PDU包的基本结构去取代 它仍可处理PDU包的其它部份此外 可以优化网络的是信息包大小 处理速度或处理编码的难易程度 但是所有这些优化都涉及到平衡折衷问题 ACN的PDU格式可以将大量的优化信息打包成单独的信息包以适合使用网络最高效率的最优化信息包 虽然 这样会稍为增加信息处理的复杂性 但是通过实际分析表明 包的信息量传输效率却会增加四倍以上 通过使用PDU的通用格式和各层协议所获得的高效率数据传输 将会足以抵消因处理信息而小小增加的复杂性 在设备管理DMP协议层 寻址机制和使用寻址范围以及快速执行

27、命令 将令大量的设备属性值可用最小的系统代价来传输 因此就提高了ACN网络带宽的使用效率Art-Net协议的策略:将来新版本 通过增加端口数量支持多协议 对TCP/IP 除有限的已定义端口号外,端口数量几乎是无限制的目前许多未用的数据位域 可用于将来协议版本 它们应置0被传输 且不被接收器检测所有包定义被设计成其包长可在将来版本被增大 且保证向后兼容 因此 在目前协议中仅需检验最少包长因此 ACN和Art-Net协议都有各自不同的策略 以保证过去 现在和未来的应用获得尽可能大的兼容性和扩展性其它领域的支持除了调光领域 与娱乐业相关的领域主要还有视频和音响领域及舞台机械设备 如吊杆 升降台等 尽

28、管这些领域在设备控制层有各自独立的物理层(连接器 电缆等定义)和相应控制协议(如调光领域的DMX512 视频领域的MPEG和音响领域的MIDI) 但ACN 和Art-Net协议都有足够的能力将其融合在一个控制网络内既可独立控制又可协同工作 因为ACN 和Art-Net协议并不定义物理层或甚至较低的网络传输层 它旨在使用现有的网络开放标准 如以太网 提供可靠的网络控制数据通讯 用户接口也不是协议的部分 接口由设备设计师负责 至于用户关心的所有复杂问题被隐藏在设备接口背后如上 兼容和扩展 题目所述的支持多协议的策略 毫无疑问 ACN 和Art-Net协议将有足够的能力很好支持视频和音响领域及舞台机

29、械设备结束语ACN 和Art-Net 协议目标均允许单一网络传输很多不同种类的调光相关数据 并且可以连接来自不同厂家的调光设备 终将统一灯光控制网络 预期将适用于视频和音响控制及舞台机械设备等使用ACN 和Art-Net 协议的优点是在单一网络上对每个设备 即插即用(plug and play)的智能支持 对每个设备的适宜设置和控制 状态监测 容错系统恢复 网络可靠性以及有效利用带宽等ACN和Art-Net协议目前均受到世界范围内业界的支持 而且传统的DMX512也因DMX512-A(双向通讯)的应用在新的方向有着长足的发展 有一点应是明确的 朝着网络方向的发展 这是具有鲜明时代特点的方向 全

30、世界的调光设备都连接起来 的曙光已经在望ACN 和Art-Net 协议都毫无例外地兼容DMX512 在网络层面上 赋予传统调光设备新的功能 而且携手娱乐业兄弟领域(视频和音响及舞台机械设备)一起构造大一统的娱乐业网络世界 这是相当理想且不远的未来 尽管ACN标准尚未获得美国国家标准协会通过 但从世界上众多 ACN-Ready 或 准ACN 产品可看到它强大的发展潜力 Art-Net标准在目前二十多家世界著名厂家的支持下在业界也获得了实用性强的赞誉 如果要对两种协议作一比较的话 除了设备统一的网络支持这一主要功能难分伯仲之外 笔者觉得ACN协议应具有更大的兼容性和前瞻性如下特点:不限于以太网 它

31、支持基于TCP/IP 协议的任何网络结构 如FDDI(光纤分布式数据接口)和ATM(常用于视频传输)等国际互联网的支持 具备设备遥测遥控和远程维护的可能会话协议提高通讯可靠性和网络带宽(如只传送变化数据)设备描述使用世界通用标记语言XML 方便灵活获取设备控制属性协议数据单元结构的嵌套能力具有很灵活的弹性以满足复杂的应用需求和对各种协议很大的兼容能力数字世界 网络未来 随着国内经济的飞速发展 大型舞台剧院 电视演播室工程 娱乐设施 体育中心 大型场馆等建设项目如雨后春笋般出现 己到国内专家 学者和政府主管部门认真研究 制订国内灯光控制网络标准协议的时侯了要制订中国的灯光控制网络的标准协议 首先

32、要透彻了解世界灯光控制网络的标准协议的现状和发展方向 ACN和Art-Net协议将为解决中国灯光行业网络设备标准化问题提供极好的参考依据 因此 结合中国的国情继续深入研究和理解这两个标准协议 对中国的灯光控制网络的标准协议的早日诞生 有着十分重要和积极的意义 笔者愿意同业界人士一道为此目标而努力最后感谢ESTA技术标准办公室 The manager of technical stander office负责人Karl G. Ruling先生和Artistic Licence产品中国总代理曾令强先生为本文提供的宝贵参考资料参考文献参考文章Artistic Licence Application

33、Note 13 What is Art-Net?Application Note 4 What is DMX512-A ?Application Note 5 What is RDM?Art-Net in the Ether with RDMDMX-Dongle II & Art-Net Driver SDKSpecification for the Art-Net Ethernet Communication Standard参考www.esta.org文章ESTAs Advanced Control Network (ACN) Protocol Suite Technical OverviewESTAs Advanced Control Network (ACN) Protocol Suite Overview and GoalsESTA Control Protocols Working Group ACN Developer Tutorialfor Entertainment Technology -Multipurpose Network Control ProtocolSuite - ACN Packet Format参考其它网站文章Sound System Control NetworksIntegrates DMX in TV Studios