sACN協(xié)議支持下的舞臺燈光控制網(wǎng)絡的研究

李笳平，卜方玲，孟凡榮，劉 航

（1.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢430079；2.中國科學院研究生院 光電研究所，北京100190）

0 引 言

20世紀80年代中期，美國劇場技術(shù)協(xié)會提出了只要一對線路就可以傳輸512路燈光亮度數(shù)據(jù)的DMX512（digital multiplex with 512pieces of information）協(xié)議標準［1］，圖1是傳統(tǒng)的DMX512協(xié)議舞臺燈光控制模型［2］。隨著舞臺燈光控制的規(guī)模不斷擴大，而且為了追求更絢麗的效果而使用如換色器、煙霧器、吊掛器等其它類型設備，使得燈光控制系統(tǒng)需要提升規(guī)模和性能。以以太網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡技術(shù)不僅具有可擴展性、傳輸速度快、規(guī)模大等優(yōu)點，而且網(wǎng)絡配置簡單［3－4］，因此基于網(wǎng)絡的燈光控制協(xié)議如ACN、sACN正在被研究和發(fā)展［5－6］。本文在研究和實現(xiàn)sACN協(xié)議的基礎上，分析了共享介質(zhì)以太網(wǎng)服務端發(fā)送sACN數(shù)據(jù)包可支持的客戶端規(guī)模。由于sACN協(xié)議服務器端（sACN燈光控制臺）依靠連續(xù)不停的發(fā)送燈光數(shù)據(jù)以避免丟包，導致網(wǎng)絡負載加重，不利于網(wǎng)絡擴展，為了提高網(wǎng)絡資源利用率，而且為了在舞臺燈光控制中sACN服務端能監(jiān)測到sACN客戶端 （接收燈光數(shù)據(jù)的調(diào)光模塊）的數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)和設備性能狀態(tài)等有用信息，本文設計了一種sACN舞臺燈光應答幀格式，用于客戶端在收到sACN協(xié)議數(shù)據(jù)后回復應答幀給服務端。如果大量的客戶端向服務端回復應答幀，在傳統(tǒng)的共享介質(zhì)以太網(wǎng)中，會產(chǎn)生信號沖突，CSMA/CD機制在網(wǎng)絡負載重時會導致網(wǎng)絡延時增大，不能滿足舞臺燈光控制的實時性要求［7］，因此，本文提出了一種順序應答機制的沖突避免機制，并設計了以交換機為中心節(jié)點的星型舞臺燈光控制網(wǎng)絡，達到在多客戶端回復應答幀時網(wǎng)絡延時最小化的目的，提高舞臺燈光控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸和資源利用的效率。

1 基于sACN協(xié)議數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡時延分析

1.1 sACN協(xié)議

sACN （streaming ACN）協(xié)議標準是由美國娛樂服務和技術(shù)協(xié)會 （ESTA）在制定 ACN （architecture control network）協(xié)議后制定的介于DMX512和ACN之間的過渡協(xié)議。它通過使用ACN整體協(xié)議中的一部分用于在TCP/IP網(wǎng)絡中傳輸DMX512數(shù)據(jù)包，利用單播或多播地址傳輸數(shù)據(jù)鏈 （universe）來控制調(diào)光器。sACN協(xié)議在UDP/IP上定義了三層結(jié)構(gòu)用于封裝DMX512數(shù)據(jù)包，分別是：DMP Layer、Framing Layer、Root Layer。如圖2所示為sACN協(xié)議模型圖。

圖2 sACN協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

sACN協(xié)議數(shù)據(jù)包基本長度為638字節(jié)，其中包括513字節(jié)的DMX512燈光數(shù)據(jù)和125字節(jié)的報頭數(shù)據(jù)。

1.2 sACN數(shù)據(jù)包傳輸時延分析

時延是指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡的一端傳送到另一個端所需要的時間，它包括了發(fā)送時延、傳輸時延 （傳播時延包含在內(nèi)）、節(jié)點處理時延、排隊時延 （即等待時延）［8］。一般情況下，發(fā)送時延與報文長度有關(guān)，報文越長發(fā)送時延越大。本文所研究的時延限制在局域網(wǎng)中，所指的時延是局域網(wǎng)中點與點之間的時延。

發(fā)送時延——Tsend；傳輸時延——Tts；處理時延——Trev；排隊時延——Twait，網(wǎng)絡時延數(shù)學表達式為

首先分析舞臺燈光控制網(wǎng)絡的服務端發(fā)送sACN協(xié)議數(shù)據(jù)包可支持的客戶端數(shù)量。sACN協(xié)議中，在UDP/IP、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層之上的三層——DMP Layer、Framing Layer、Root Layer的數(shù)據(jù)包長度為638字節(jié)，UDP、IP、數(shù)據(jù)鏈路層都有各自的封裝頭長度。定義應用層 （即sACN協(xié)議上3層）一路數(shù)據(jù)包長為LsACN，UDP頭長為LUDP，IP頭長為LIP，數(shù)據(jù)鏈路層頭長為LDLL（data link layer）這些量的單位都是字節(jié) （Byte），則在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總長為

式 （1）是針對一路數(shù)據(jù)的，而當在同一以太網(wǎng)線上傳輸n路sACN數(shù)據(jù)時，公式為

當n為1時，網(wǎng)上傳輸Ltotal長度的一幀的時間為τtotal，網(wǎng)絡的帶寬為V，單位為Mbps（這里V是指在局域網(wǎng)情況下，一般是10/100Mbps，常用的是100Mbps，如果是在公網(wǎng)上，V是受電信運營商限制的），所以在網(wǎng)絡帶寬V完全利用的情況下，得到最小傳輸時間τ，關(guān)系為 （式 （4）乘以8是由于1Byte＝8bit）

在程序設計中，應用層的數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔可以通過代碼控制 （如sleep（）函數(shù)），定義為Tival（interval，單位為ms）。根據(jù)DMX512協(xié)議燈光照明標準定義，DMX512數(shù)據(jù)同一路數(shù)據(jù) （如相同的接收機接收到第n路數(shù)據(jù)和下一次接收到第n路數(shù)據(jù)）之間傳輸時延最大為22.5ms（用T表示，單位為ms），最小傳輸速率為250kbps（用vmin）。Tival通過程序控制，范圍為 ［0，22.5）。

發(fā)送時延為Tival，傳輸時延為傳輸Ltotal長度的時間（這里不考慮傳播時延，因為傳播時延太小，可以忽略不記）。理想情況下，在不考慮排隊時延 （不考慮競爭的情形下）和接收處理時延 （CPU處理速度非常快和緩存非常大，此處時延忽略不記）的情況下，研究達到T標準（22.5ms）的數(shù)據(jù)發(fā)送服務器所支持的理想最大傳輸路數(shù)（n）。理想情況下不等關(guān)系為

由于在傳輸中sACN數(shù)據(jù)包長度相比整個包的IP頭大很多，為簡單起見，在不考慮LUDP、LIP、LDDL報頭長度的情況下，有

定義傳輸LsACN長度的時間為τ，有

式 （7）代入不等式 （6）有

對于通常使用的以太網(wǎng)局域網(wǎng)，V為100Mbps，又LsACN為638Byte，代入得到τ＝51.04μs，為使n取得最大值，取Tival為0，不等式取等號，有

又T為22.5ms，所以得到n的最大值為440.83，舍去小數(shù)點后值為440。對于普通的支持256個IP地址的以太網(wǎng)來說，除去數(shù)據(jù)服務器和路由器 （或集線器、交換機等），最大支持254個數(shù)據(jù)接收機，從440這個結(jié)果來看支持254個接收機是可以達到延時要求，但這只是在理想情況下，因為并沒有考慮的底層的這些頭長以及排隊時延這種重要因素，擁塞對網(wǎng)絡帶寬又有很大限制，V是受其影響的，滿足要求的數(shù)據(jù)接收機的數(shù)量事實上小于440這個上限，但是可以支持254個數(shù)據(jù)接收機。

1.3 舞臺燈光控制網(wǎng)絡架構(gòu)設計

從1.2節(jié)的分析可知，對于支持256個IP地址的共享介質(zhì)的總線型以太網(wǎng)而言，雖然可以滿足服務端所支持的sACN協(xié)議數(shù)據(jù)包傳輸客戶端數(shù)量要求，但是，在舞臺燈光控制中，出故障的節(jié)點需要快速定位并進行處理，以減小設備性能損壞對燈光控制的影響，總線型網(wǎng)絡的故障診斷和隔離是比較困難的。

此外，sACN協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸中依靠不停的發(fā)送燈光數(shù)據(jù)來抑制數(shù)據(jù)丟包造成的影響，但是這種數(shù)據(jù)傳輸模式造成網(wǎng)絡負載加重，不利于網(wǎng)絡擴展。本文針對sACN協(xié)議的缺點對其功能進行了擴展，設計了舞臺燈光應答幀。客戶端回復應答幀的過程中，總線型網(wǎng)絡使用的CSMA/CD機制會導致沖突過多，對實時性要求很高的舞臺燈光系統(tǒng)來說是不能容忍的。

相比總線型網(wǎng)絡，星型網(wǎng)絡不僅和總線型以太網(wǎng)一樣可以支持sACN協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛻舳藬?shù)量要求，而且對于出故障的節(jié)點也能迅速定位處理。傳統(tǒng)的使用集線器的星型網(wǎng)絡在邏輯上仍然屬于總線型網(wǎng)絡 （共享介質(zhì)），因此本文在進行sACN舞臺燈光控制網(wǎng)絡設計時，選擇以交換機為中心節(jié)點的星型網(wǎng)絡作為舞臺燈光控制網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，在進行多客戶端節(jié)點向服務器回復應答信號過程中，采用順序應答機制的軟件控制方法發(fā)送舞臺燈光應答幀，在實現(xiàn)sACN協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，能通過應答信號的信息來反映工作節(jié)點的狀態(tài)及確認信息，同時，減小數(shù)據(jù)沖突，對sACN協(xié)議的功能進行了擴展，為舞臺燈光控制網(wǎng)絡的未來發(fā)展提供一種思路［9］。

2 舞臺燈光控制網(wǎng)絡沖突避免機制

由于sACN協(xié)議使用不可靠的UDP傳輸機制傳輸燈光數(shù)據(jù)，不保證所有的數(shù)據(jù)包都被接收，服務端總是向客戶端不停的發(fā)送燈光數(shù)據(jù)來抑制或消除數(shù)據(jù)包丟失的影響，這樣會使網(wǎng)絡負載加重。本節(jié)首先定義了一種舞臺燈光應答幀格式，當客戶端接收到sACN協(xié)議數(shù)據(jù)后向服務端回復應答幀，告知其收發(fā)狀態(tài)、儀器性能等。當多客戶端都發(fā)送應答幀時，傳統(tǒng)的CSMA/CD機制會導致客戶端等待時間延長，效率降低，本文提出了順序應答機制來避免回復時的數(shù)據(jù)沖突，提高傳輸效率［10］。

2.1 舞臺燈光應答幀設計

當客戶端節(jié)點接收到sACN協(xié)議數(shù)據(jù)后，如果向服務器回復反饋信息，首先就需要確定服務器的位置，而在回復信息中又需要包含自己的位置信息和一些狀態(tài)信息——如本機是否運行正常、是否接收到服務器的sACN數(shù)據(jù)等。

在以太網(wǎng)局域網(wǎng)中，服務器和每一個客戶端都會分配到一個IP地址，在局域網(wǎng)中，每一個設備的IP地址都是不同的，因此在局域網(wǎng)中可以使用其32位IP地址來確定各自的位置。而如果控制規(guī)模擴展到多個局域網(wǎng)，服務器收到的IP地址信息就不能確定客戶端是屬于哪一個局域網(wǎng)。在ACN協(xié)議中，每一個燈光設備都有一個唯一的標識符 CID （component identifier）［11］， 由 于 sACN 協(xié) 議 使 用ACN整體協(xié)議的一部分，sACN是支持CID使用的。無論是在單局域網(wǎng)內(nèi)還是多局域網(wǎng)內(nèi)，CID都可以準確定位到客戶端的位置。如圖3所示，是設計的舞臺燈光應答幀格式。Sequence Number是表示該應答幀的序列號；A（ACK）指示是否收到sACN協(xié)議數(shù)據(jù)，1代表收到，0代表沒收到；S（State）表示客戶機的狀態(tài)，1代表功能正常，0代表異常；Options為以后的功能做預留；Length表示該應答幀的長度；CID指客戶機的唯一設備標識符。每一個服務端都有一個CID的映射表，記錄了服務端所管理的所有客戶端的信息如CID、狀態(tài)信息。當服務端接收到應答幀時，根據(jù)應答幀中的CID來查詢服務端中的映射表，讀取S狀態(tài)信息來實時修改客戶端狀態(tài)；根據(jù)A信息來判斷客戶端收發(fā)sACN燈光數(shù)據(jù)的情況，用以確定是否需要重新發(fā)送燈光數(shù)據(jù)。

圖3 舞臺燈光應答幀格式

2.2 CSMA/CD機制

CSMA/CD機制是以太網(wǎng)中使用最多的沖突避免機制之一。以太網(wǎng)局域網(wǎng)中的節(jié)點是通過廣播信道進行互聯(lián)的，因此當一個節(jié)點發(fā)送一個以太網(wǎng)幀時，局域網(wǎng)上的所有節(jié)點都會接收到該幀。傳統(tǒng)的共享介質(zhì)以太網(wǎng)中，節(jié)點使用CSMA/CD機制來競爭信道的使用權(quán)。CSMA/CD的工作原理是：在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先監(jiān)聽信道是否空閑，如果空閑就立即發(fā)送數(shù)據(jù)；在發(fā)送數(shù)據(jù)時，繼續(xù)監(jiān)聽信道，如果監(jiān)聽到信道沖突，就立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機時間后再重新嘗試發(fā)送［12］。

CSMA/CD的發(fā)送控制流程如圖4所示。常用的退避算法是截斷的二進制指數(shù)退避算法［13］，即當一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)線路忙時，要等待一個延時時間M，然后再進行監(jiān)聽工作。延時時間M由以下算法決定：M＝0到2k－1之間的一個隨機數(shù)乘以512比特時間 （例如對于10Mbps以太網(wǎng)，1比特時間為0.1μs），k為沖突 （碰撞）的次數(shù)，M的最大值為1023，即當k＝10及以后M始終是0到1023之間的一個隨機值與512比特時間的乘積，當k增加到16時，就發(fā)出錯誤信息。

圖4 CSMA/CD發(fā)送控制流程

若少量客戶端進行競爭信道待發(fā)送舞臺燈光應答幀時，CSMA/CD機制有其靈活的優(yōu)點。但是在舞臺燈光領(lǐng)域，控制的客戶端規(guī)模巨大，在此情形下，若依然使用CSMA/CD機制去競爭信道，必然會由于網(wǎng)絡負載加重導致回復時節(jié)點沖突增多，延時增加，效率下降。若CSMA/CD在沖突處理中使用的二進制指數(shù)退避算法會導致某一節(jié)點退避次數(shù)過多造成節(jié)點發(fā)送延時較大甚至發(fā)送失敗。

2.3 順序應答機制

本文提出了這樣一種順序應答機制來解決網(wǎng)絡高負載下的沖突處理問題。本文設計舞臺燈光控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是單服務器多客戶端。順序應答機制是一種軟件沖突避免方法，其原理是：對N個客戶端節(jié)點進行排序，即第1、2、3……N個客戶端節(jié)點，在sACN燈光網(wǎng)絡中，當服務器向客戶端發(fā)送sACN數(shù)據(jù)幀時，客戶端被動的使用條件觸發(fā)機制，即在固定時間τ內(nèi)收到sACN數(shù)據(jù)后才會啟動順序應答的服務過程，若超出τ表示沒有收到sACN數(shù)據(jù)包同時也會啟動順序應答的服務過程，此時應答幀中回復沒有收到數(shù)據(jù)的信息，根據(jù)其排序位置來確定發(fā)送回復幀的延時間隔，單位延時時間為舞臺燈光應答幀從客戶端到服務端的傳輸時間，可適當延長，編號為1的客戶端等待1個單位延時T后發(fā)送應答幀，編號為2的客戶端等待2個單位延時T后發(fā)送，以此類推。這樣N個客戶端經(jīng)過N×T的總延時后都向服務器回復了應答信息。

sACN燈光控制網(wǎng)絡的順序應答機制流程圖如圖5所示。

圖5 順序應答機制流程

3 仿真實驗

本文使用OPNET在星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，分別對CSMA/CD機制和順序應答機制進行了仿真實驗，通過仿真結(jié)果說明其在不同負載下的沖突程度和平均延遲時間［14］。共享介質(zhì)以太網(wǎng)采用CSMA/CD機制，交換式以太網(wǎng)采用順序應答機制，對不同負載下的平均延時和中心節(jié)點流通量進行仿真實驗，分析比較這兩種機制的性能［15］。

3.1 仿真模型與參數(shù)設置

本文創(chuàng)建了4個星型網(wǎng)絡，如圖6所示，分別是：使用集線器連接的30個節(jié)點網(wǎng)絡1命名為net＿hub＿30，位于圖中右上，node＿267為集線器，hub＿30為服務器，其他節(jié)點為客戶端節(jié)點；使用交換機連接的30個節(jié)點網(wǎng)絡2命名為net＿switch＿30，位于圖中右下，node＿236為交換機，switch＿30為服務器，其他節(jié)點為客戶端節(jié)點；使用集線器連接的100個節(jié)點網(wǎng)絡3命名為net＿hub＿100，位于圖中左上，node＿100為集線器，hub＿100為服務器，其他節(jié)點為客戶端節(jié)點；使用交換機連接的100個節(jié)點網(wǎng)絡4命名為net＿switch＿100，位于圖中左下，node＿202為交換機，switch＿100為服務器，其他節(jié)點為客戶端節(jié)點。

使用集線器的星型網(wǎng)絡 （net＿hub＿30和網(wǎng)絡net＿hub＿100）實際上就是共享網(wǎng)絡帶寬，邏輯上屬于總線型網(wǎng)絡，機制是CSMA/CD；而使用交換機的星型網(wǎng)絡 （網(wǎng)絡net＿switch＿30和網(wǎng)絡net＿switch＿100）是交換式以太網(wǎng)。

仿真中采集的統(tǒng)計量為：服務器的平均延時 （delay）、CSMA/CD機制的數(shù)據(jù)平均碰撞次數(shù) （collision Count）、集線器和交換機的轉(zhuǎn)發(fā)流量 （traffic forwarded）。離散仿真時間為30分鐘。

圖6 仿真網(wǎng)絡模型

3.2 仿真結(jié)果分析

（1）數(shù)據(jù)傳輸平均碰撞次數(shù)

CSMA/CD機制下不同負載時的數(shù)據(jù)傳輸平均碰撞次數(shù)比較如圖7所示。從圖中可以看出，客戶端節(jié)點數(shù)為100的負載下比客戶端節(jié)點為30的負載下的數(shù)據(jù)碰撞次數(shù)高。說明CSMA/CD機制在網(wǎng)絡負載大時，數(shù)據(jù)傳輸沖突大，網(wǎng)絡性能低。

圖7 不同負載下CSMA/CD數(shù)據(jù)傳輸沖突次數(shù)比較

（2）服務器平均延時

圖8所示為共享介質(zhì)以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)的服務器平均延時比較。

從圖8中可以看出，共享介質(zhì)以太網(wǎng)的服務器平均延時要高于交換式以太網(wǎng)。因此，在舞臺燈光控制領(lǐng)域，選擇服務器延時更小的交換式以太網(wǎng)更容易達到舞臺燈光實時控制的要求，并且易于實現(xiàn)功能擴展。

圖8 共享介質(zhì)以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)服務器平均延時

（3）中心節(jié)點流通量

圖9所示為共享介質(zhì)以太網(wǎng)的中心節(jié)點集線器與交換式以太網(wǎng)的中心節(jié)點交換機的數(shù)據(jù)流通量的比較。從圖9中可以看出，交換機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量比集線器大，雖然交換機的工作量相比集線器稍大，但是它的工作量使得交換式以太網(wǎng)的服務器的延時降低，從舞臺燈光控制角度來說，服務器的延時要求優(yōu)先。

圖9 共享介質(zhì)以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)中心節(jié)點流通量

4 結(jié)束語

本文設計了一種基于sACN協(xié)議的舞臺燈光控制網(wǎng)絡，對sACN協(xié)議的功能進行了拓展，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p小網(wǎng)絡負載，設計了舞臺燈光應答幀，為了避免回復應答數(shù)據(jù)沖突，提出了順序應答機制沖突避免方法，該方法是以交換機為中心節(jié)點的交換式以太網(wǎng)進行sACN協(xié)議舞臺燈光控制。仿真實驗證明，選擇交換式以太網(wǎng)和順序應答機制進行sACN舞臺燈光控制比CSMA/CD機制的沖突數(shù)量少，延遲時間短，流量高。本文的提出方法將有助于未來的智能燈光控制的研究和發(fā)展。

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