谈ACN 和Artnet 网络协议标准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 2002 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。