Networked Digital Audio를 위한 인프라 최적화 [How to optimize Networked Digital Audio infrastructure in PA System]

요약

다채널의 비압축 디지털 오디오를 짧은 지연 시간 내에 전송하기 위한 노력들은 다양한 형태로 발전되고 세분화되었다. AES10이나 AES50과 같이 장비간 물리적 연결 방식을 이용한 독자적인 전송 규격들과 Cobranet^TM, Qlan^TM, Dante^TM, AVB와 같이 Standard IP Network 기술을 활용한 규격들이 공연장을 비롯한 여러 현장에서 많이 사용되고 있다.

그 중에 IP 통신 기술을 활용한 규격들의 경우 각각의 프로토콜의 특징에 맞는 환경이 뒷받침되어야지 운용이 가능하다는 특징이 있다. 현재 대부분의 오디오 네트워크 프로토콜들은 LAN 환경 하에서 고속으로 송/수신을 하도록 제작되었기 때문에 더더욱 최적화된 운영 환경을 보장받는 것이 중요하다.

본 논문에서는 IP Network를 기반으로 하는 방법들이 가진 특징과 이들 프로토콜들이 정상적으로 동작하기 위해 요구되는 환경들에 대해 살펴보고 이를 전문 공연장에서 사용하기 위해서는 어떤 방법으로 인프라 및 환경 구성이 되어야지 적절하게 사용하는지에 대해 알아보고자 한다.

1.  서론

1990년대 후반을 기점으로 시작된 Ethernet 기술 기반의 Networked Audio는 저지연(Low-Latency), 비압축(Uncompressed) 다채널(Multi-channel) 전송이 가능하다는 장점으로 인해 현재 수많은 제조사들에 의해 활용되고 있으며 다양한 프로젝트에 적용되고 있는 중이다. Standard IT Network 통신 기술을 이용한 오디오 프로토콜은 UTP 케이블을 이용하여 CD(44.1kHz 16bit) 이상의 고음질(20bit 48kHz 이상)의 오디오를 멀티 채널로 전송할 수 있다는 점에서 기존의 오디오 전용 케이블들을 활용한 시스템 구성보다 경제적일 뿐만 아니라 전송과 분배를 위한 연결 방법이 간단하기 때문에 공연장 시설, Live 퍼포먼스, 학교, 호텔, 전관 방송, 군부대, 컨벤션 센터, 경기장, 방송국, 레코딩 스튜디오 등 다양한 분야에 널리 쓰이고 있다.

하지만 이들 기술들이 주는 장점과 편리함을 완벽하게 누리기 위해서는 이 기술들의 표준을 정확히 이해하고 활용할 줄 알아야 한다. 모두 다 같은 표준 IP 기반의 통신 프로토콜이지만 제조사 또는 연구/개발 주체에 의해 구현되는 세부 기술에서는 일정 부분 다름이 존재한다.

외관상 유사한 기능과 성능에도 불구하고 세부 기술 차이로 인해 상호 호환을 위한 기술적 한계도 분명하다. 이하 본문에서는 이 기술적 다름이 각 프로토콜을 사용하는데 있어 어떤 점들을 유의해야 하는지를 알아보고 Pro Audio System에서 인프라 구성 시 주의해야 할 사항들을 간단한 실험을 통해 알아보았다.

2.  Audio Over IP 프로토콜 별 통신 환경

2.1 Cobranet^TM

코브라넷은 1세대 네트워크 오디오 프로토콜로서 1996년 Peak Audio사에 의해 개발되었다. IEEE802.3 이더넷 기술 기반의 프로토콜이며 Fast Ethernet 통신 환경인 100Mbps 환경에서 1대의 장비가 동시에 64채널(32입력 32출력)을 송/수신할 수 있도록 개발이 되었다. 따라서 모든 코브라넷 장비의 NIC(Network Interface Card) 규격은 100Mbps로 통일이 되어 있다. 네트워크에서 Conductor라고 지정된 1개의 Master 장비가 모든 장비에게 싱크(Sync) 신호를 전송한다. 코브라넷이 정상 동작하기 위해서는 다음과 같은 통신 환경이 보장되어야 한다.

구    분	내     용
통신 속도	Fast Ethernet (10/100 Mbps)
요구 기능	Non-blocking, IEEE802.3 Ethernet Unmanaged Switch

2.2 Qlan^TM

2009년 QSC사가 자사의 제품들에 적용하기 위해 발표한 독점 프로토콜이다. QSC는 1세대 네트워크 오디오 프로토콜인 Cobranet^TM의 시작을 함께 할 정도로 이 분야에 상당한 역사와 기술력을 가지고 있다. 기가비트 네트워크 환경으로 바뀌면서 새롭게 출시한 규격이 QLAN이다. 사실상 Cobranet^TM의 기가비트 프로토콜인 셈이다.

따라서 기가비트 네트워크 형식의 프레임(Frame) 구조를 가지며 1대의 Clock Master가 네트워크 전체에 싱크 신호를 송출하여 동기화한다. QLAN 오디오 채널들이 정상적으로 송/수신 가능한 통신 요구 사항은 다음과 같다.

구    분	내     용
통신 속도	Gigabit Ethernet (1000 Mbps 이상)
요구 기능	Managed L3 Switch, Disable EEE QoS, IGMP Snooping, PTPv2

2.3 Dante^TM

2006년 호주 Audinate사에 의해 영리 목적으로 개발된 프로토콜로서 기가비트 네트워크에서 동작하도록 만들어졌다. 수많은 제조사들이 자사의 제품에 기술료를 지불하고 장착 가능하도록 만들어진 유료 버전의 프로토콜이다. 2023년 조사 자료 기준으로 유료 버전 네트워크 오디오 프로토콜로서는 가장 많은 제조사와 사용자를 확보하고 있다. Dante 오디오는 전체 네트워크에서 1대의 Clock Master가 네트워크 전체에 싱크 신호를 송출하여 동기화한다. Dante 오디오 채널들이 정상적으로 송/수신 가능한 통신 요구 사항은 다음과 같다.

구    분	내     용
통신 속도	Gigabit Ethernet (1000 Mbps 이상)
요구 기능	Managed L3 Switch, Disable EEE QoS, IGMP Snooping v2, PTPv1

2.4 AES67

2013년에 AES(Audio Engineering Society)에 의해 정리된 기가비트 네트워크 오디오 프로토콜이다. RAVENNA, Livewire, Q-LAN and Dante 같은 IP-based audio networking 프로토콜을 포괄적으로 수용 가능하다. IP로 미디어를 전송하기 위해 발표된 ST2110의 오디오 표준 형식으로 채택되었다. 기가비트 통신 환경 내에서 오디오를 송/수신하기 위한 기준을 제시하였기에 여러 기가비트 오디오 프로토콜들의 상호 연동이 AES67 모드로 가능하다. AES67 역시 1대의 Clock Master가 네트워크 전체에 신호를 송출하여 동기화한다.

구    분	내     용
통신 속도	Gigabit Ethernet (1000 Mbps 이상)
요구 기능	Managed L3 Switch, Disable EEE QoS, IGMP Snooping v2, PTPv2

2.5 AVB

2011년 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)에서 개발한 오디오+비디오 전송 프로토콜로 비영리단체에 의해 개발되어 무료로 사용 가능한 프로토콜이다. AVB는 Audio Video Bridge의 약어이며 다른 오디오 전용 프로토콜과는 달리 비디오까지 송/수신을 하기 위해 만들어졌다. AVB는 Grand Master라고 불리는 Clock Master에 의해 네트워크상의 모든 AVB 장비들이 시간 정보를 동기화(Sync)한다. AVB는 AVB 동작을 위한 전용 스위치 허브를 사용해야 한다.

구    분	내     용
통신 속도	Gigabit Ethernet (1000 Mbps 이상)
요구 기능	IEEE 802.1AS, 802.1Qav, 802.1Qat, 802.1BA

3.  운영 환경에 따른 특성 실험

Audio over IP의 핵심 인프라는 네트워크 장비로 구성된 백본(Backbone) 네트워크이다. 프로토콜의 규격에 따라 요구하는 환경이 다르기 때문에 그에 맞도록 설정을 살펴보고 이에 따른 상호 호환 여부를 확인할 필요가 있다. 따라서 다음과 같은 환경에 따라 오디오 채널들의 송/수신 상태에 어떠한 변화를 가져오는지 살펴보았다. 아래는 실험에 사용된 장비 리스트이다.

구    분	장     비     명
Network Switch	Cisco CBS350, Netgear GS724Tv4, Netgear M4250
Cobranet	BLU800(1ea), Nion N6(1ea), Core250(1ea)
Dante	BLU806(2ea), BLU326(2ea), Core250(1ea)
Q-LAN	Core3100(1ea), Core250(2ea), CXD4.2Q(1ea)
AES67	BLU806(2ea), BLU326(2ea), Core250(1ea)
AVB	Core3100(1ea), BLU325(1ea), DCi8/300DA(1ea)

3.1 멀티캐스트 환경 설정에 따른 비교

멀티캐스트(Multicast)는 네트워크에서 오디오 채널을 복수의 장비들에게 동시에 송신하기 위한 가장 효율적인 방법이다. 기본적으로 1:1 통신을 위한 유니캐스트(Unicast)는 발신지 주소와 수신지 도작 주소를 확인하여 네트워크에서 송/수신이 이루어진다. 하지만 동일한 오디오 채널을 1개 이상의 장비에 동일하게 분배해야 한다면 복수의 수신 장비 주소를 오디오 채널 데이터에 더하거나 1:1 통신을 위한 연결을 늘려야 한다.

하지만 네트워크에서 일정 수준 이상(장비와 네트워크 중계 장치의 성능에 따라 다름)의 1:1 연결이 늘어나면 이로 인해 데이터의 원활한 흐름을 방해하는 트래픽이 과도하게 발생하여 전체 시스템에 운영 안정성의 문제를 야기시킬 수 있다. 이를 해결하기 위한 것이 바로 멀티캐스트이다. 동일한 오디오 채널을 네트워크 내의 모든 장비들에게 골고루 송신하고 해당 오디오 채널이 필요한 장비는 이를 수신하여 사용하고, 그 채널이 필요 없는 장비는 해당 오디오 채널을 무시하는 방법이다.

이 방법을 사용하면 다수의 1:1 장비 연결 시 발생하는 트래픽을 최소화하여 보다 많은 채널을 동일한 네트워크 환경에서 사용할 수 있는 장점이 있다. 하지만 그 오디오 채널이 필요 없는 장비들에게도 데이터가 일단 전달된다는 점에서 오디오 장비들이 그 데이터를 무시해야 하는 작업이 지속적으로 일어날 수밖에 없다. 네트워크 통신 하드웨어 역시 필요 없는 장비들에게 오디오 채널을 계속 전달해야만 하는 작업을 수행해야 한다. 

이러한 단점들을 극복하고자 네트워크 오디오 프로토콜 제조사들이 활용하는 기술이 L2 스위치 단계에서 수행하는 IGMP(Internet Group Multicast Protocol)이다. 스위치 허브에서 이 멀티캐스트 통신 조건을 달리하여 각 멀티캐스트 오디오 채널이 어떻게 동작하는지 확인하였다.

IGMP Snooping(v2) Enable/Disable에 따른 비교 결과
프로토콜	Enable	Disable
Cobranet	정상 동작	변화 없음
Dante	정상 동작	디바이스 검색 장애 발생
Q-LAN	정상 동작	동시 수신 불가 장비 발생
AES67	정상 동작	Data Missing Count 증가
AVB	동작 불가	동작 불가

AVB는 동작 조건이 상이하여 다른 여타 프로토콜과 동일한 환경에서 테스트가 불가능 하므로 별도의 AVB 네트워크 환경에서 테스트를 실시하였다.

3.2 데이터 우선순위(QoS) 처리 환경 설정에 따른 비교

오디오 산업, 특히 프로오디오 분야에서 최우선하는 것 중 하나가 오디오의 높은 품질과 빠른 연산 및 전달 속도이다. 데이터 처리 및 전달 속도에 관한 우선순위를 네트워크 통신 장비에서 지정할 수 있는데 그것이 바로 QoS(Quality of Service)이다. 이는 스위치 허브 입장에서 처리해야 할 데이터가 동일한 시간에 급증할 경우 그 중에서 우선순위가 높은 데이터를 우선적으로 처리하는 기능을 말한다.

음성 전달과 같이 소리가 끊어지지 않고 지속적으로 송출돼야 할 경우 사용하면 유용한 기능이다. 이 우선순위 설정 환경 중 오디오 관련 처리 순서를 달리하여 프로토콜 별로 어떤 영향을 받는지 확인을 하였다.

QoS DSCP 설정 상태에 따른 Audio 전송 상태 비교
프로토콜	DSCP = 34(AF41) 우선	DSCP = 46(EF) 우선
Cobranet	싱크 인식 장애 오디오 수신 불가	싱크 인식 장애 오디오 수신 불가
Dante	상태 인식 불량	정상 동작
Q-LAN	정상 동작	Data Missing Count 증가
AES67	AES67 (Qlan mode) 정상 동작	AES67 (Dante mode) 정상 동작
AVB	동작 불가	동작 불가

3.3 네트워크 클럭(Clock) 환경 변화에 따른 비교

상기 결과와 같이 Audio 전송 우선순위 등급 변화에 따라 오디오 전송 상태가 프로토콜 별로 다르다는 것을 확인할 수 있었다.

오디오를 포함하는 데이터들은 시간에 민감하다. 일정한 시간에 오디오 데이터가 순서대로 도착을 해야 정상적인 품질의 오디오 송출이 가능하다. 이를 위해서는 네트워크 내에서 복잡하게 얽혀서 송/수신되고 있는 오디오 채널들이라 할지라도 상호 동기화되어야 할 필요가 있다.

하지만 네트워크 통신 환경에서는 여러 경로로 데이터가 전달될 수 있으므로 먼저 도착한 오디오 채널과 나중에 도착한 오디오 채널 간 시간 정보를 확인할 필요가 있다. 이를 확인하고 순서에 따라 재조합을 해야만 한다. 이를 위해 네트워크 환경 하에서의 모든 오디오 장비들은 서로 각자가 연결된 위치에서 네트워크 Master Clock과의 시간 차이를 상호 확인해서 보정할 필요가 있다.

네트워크에서 이 시간 정보를 동기화시키는데 유용한 기술 중 하나가 IEEE1588 표준으로 사용되고 있는 PTP(Precision Time Protocol)이다. 이 프로토콜은 Master-Slave 형태로 동작하며 Master의 시간을 기준으로 Slave가 동기화하는 구조이다. 이 동기화 환경의 우선순위에 변화를 주어 다음과 같이 실험을 하였다. DSCP의 우선순위 설정에서 PTP 전달에 관여하는 순위를 DSCP Value 값을 46(EF)를 우선하는 환경과 56(CS7)을 우선 하는 값으로 정하여 각각 테스트하였다. 오디오에 해당하는 우선순위 값은 앞선 “3.2 데이터 우선순위(QoS) 처리 환경의 설정에 따른 비교”에서 설정한 순위값들을 유지하여 PTP 순위 변경만으로 결과를 비교하였다.

QoS DSCP 설정 상태에 따른 PTP Clock 전송 상태 비교
프로토콜	DSCP = 46(EF) 우선	DSCP = 56(CS7) 우선
Cobranet	싱크 인식 장애 오디오 수신 불가	싱크 인식 장애 오디오 수신 불가
Dante	상태 인식 불량	정상 동작
Q-LAN	정상 동작	장애 증가
AES67	채널 수신 장애	정상 동작
AVB	동작 불가	동작 불가

상기 결과와 같이 PTP 전송 우선순위 등급 변화에 따라 오디오 전송 상태가 프로토콜 별로 다르다는 것을 확인할 수 있었다.

3.4 AVB 네트워크 환경에서 프로토콜별 전송 실험

앞선 실험 결과들에게서 공통적으로 확인할 수 있는 내용은 바로 AVB 프로토콜의 경우 여타 프로토콜이 동작하는 환경에서는 동작이 매우 어렵다는 것이다. 이를 확인하기 위하여 이번에는 AVB에 정상적으로 동작 가능한 환경에서 다른 프로토콜들이 어떻게 동작하는지 비교하였다. 그림5와 같이 각 프로토콜 별로 8채널로 구성된 1개의 유니캐스트 채널 블럭을 수신단에서 정상적으로 수신할 수 있는지를 확인하였다.

AVB 네트워크 환경 하에서 전송 상태 비교
Cobranet	부분 정상 동작
Dante	Clock 인식 실패, 오디오 전송 실패
Q-LAN	정상 전송 실패
AES67	정상 전송 실패
AVB	정상 동작

위에 결과에서 AVB 프로토콜이 여타 다른 프로토콜들과 같이 표준 IP 전송 기술을 사용함에도 불구하고 AVB 프로토콜 환경으로 설정된 경우 오디오 전송이 불가능하였다.

4.  고찰 및 결론

실험에 사용된 네트워크 하드웨어의 제품에 따라 보다 많은 관리 기능들을 제공하기도 한다. 따라서 필요 옵션이나 환경들을 재설정하여 에러를 줄이는 방법을 사용할 경우 통신을 위한 하드웨어 비용의 증가를 감안 해야만 한다.

현재 각 오디오 프로토콜 및 장비 제조사가 제공하는 네트워크 설정 가이드에 따라 설정을 하고 실험을 진행한 결과는 위와 같다. 네트워크 통신 기술을 기반으로 한 Audio over IP 솔루션들은 각 오디오 프로토콜들이 사용하고 있는 기반 기술에 따라 요구되는 통신 환경 또한 다름을 확인할 수 있었다.

이는 네트워크 오디오 프로토콜들이 AVB를 제외하고는 특별히 만들어진 규격에 의해서 만들어진 것이 아니라 기존에 일반적인 통신 환경에서 사용되던 기술을 활용하여 만들어졌기 때문이다. 따라서 사용하고자 하는 프로토콜의 특성을 정확히 파악하고 그에 맞는 인프라 구축과 환경 설정 작업들을 수행해야만 정상적으로 오디오 장비를 운영할 수 있다.

참고 문헌 및 사이트
1. https://avnu.org
2. www.cobranet.info
3. www.audinate.com
4. www.cisco.com
5. www.netgear.com
6. www.qsys.com
7.www.researchgate.net/publication/329706705_Timing_Challenges_for_Media_Production_and_Transport_over_the_Wide_Area_Network