Le multipaire n’est plus, vive le réseau. Des liaisons analogiques point à point d’il y a quelques années, à celles propriétaires plus récentes, le transport de l’audio et des données lumière ou vidéo ne cesse de se structurer et de s’approcher du réseau.

Soundlightup vous propose une grande revue d’effectifs et de technologies en trois épisodes en commençant par les généralités, puis un 2e volet sur les problématiques des réseaux audio et enfin le 3e donnera la part belle à la technologie Dante en détail.

Les installations (fixes ou mobiles) font face à une expansion surréaliste des dimensions, des fonctionnalités et de l’adaptabilité. De même les productions revêtent un aspect de plus en plus spectaculaire et intègrent une multitude d’aspects, où le son et la lumière ont la part belle, mais on trouve de plus en plus de la vidéo, des éléments mobiles motorisés et automatisés, de la pyrotechnie et, pourquoi pas, de l’hydraulique.

Cela génère des besoins croissants de systèmes de communications puissants, multi-protocoles et sécurisés, où la diversité accrue des sous-systèmes ne permet plus d’avoir un standard de câblage propre à chaque domaine. La solution est dans l’intégration sur un réseau. Dans les infrastructures fixes (installations de théâtres, de clubs, de salles de spectacles, de studios, etc.) et dans les prestations temporaires et mobiles (concerts, touring, événements, disco mobile, etc.), il y a toujours une multitude de lignes de transmissions à établir.
Il s’agit, dans le domaine des « forts courants », de toutes les alimentations et distributions d’énergie (alimentation secteur, circuits d’éclairage, puissance audio), et pour les « courants faibles », d’une myriade de signaux (signaux audio de microphones, d’instruments, de sorties de consoles, de liaison aux divers processeurs et générateurs d’effets, d’interphones, signaux vidéo, etc.) et de commandes ou de comptes rendus d’états.

Dans une configuration de réseau audio, un seul de ces petits câbles souples est équivalent à un gros multipaire bien chargé.

Chacun de ces signaux doit, a priori, voyager sur un support séparé et protégé (pour éviter interférences et brouillages) et disposer d’interfaces idoines à chaque extrémité de la liaison. Dans le meilleur des cas, certains signaux (par exemple les signaux audio de microphones et les retours par écouteurs, les signaux d’interphonie) peuvent voyager par la voie des ondes, si on accepte une certaine dégradation et des restrictions de portée.

Les autres signaux peuvent aussi être regroupés dans des câbles à paires multiples, sous réserve d’une certaine compatibilité au niveau de la connectique. Aussi, la tentation est grande de rassembler toutes ces liaisons dans une seule voie commune et banalisée, capable d’accepter toute une panoplie de signaux et d’applications, et d’assurer la compatibilité (native ou forcée) avec l’ensemble des besoins et des matériels présents sur le site. Cette approche « réseau » ou « multiplexée » ferait appel à un ou plusieurs câbles légers desservant l’ensemble du site, auquel des « points d’accès », banalisés ou spécialisés, permettraient de se raccorder à volonté aussi bien en entrée qu’en sortie, voire en mode bidirectionnel.

L’attrait des réseaux informatiques

Les informaticiens ont grand besoin de communication, soit pour connecter des ordinateurs à leurs périphériques, de plus en plus nombreux (écrans, claviers, disques et mémoires externes, imprimantes, scanners, etc.), soit pour échanger des informations entre ordinateurs, soit encore pour mutualiser des unités de calcul ou effectuer des traitements de données à distance.

De ce fait, le monde de l’informatique a développé une multitude de types de réseaux adaptés aux diverses utilisations, voire d’usage totalement général et banalisé.
Certains ont eu un succès tel qu’ils se sont largement répandus dans l’informatique professionnelle et personnelle et ont largement dépassé ce cadre. Leurs composants sont devenus accessibles et très bon marché. Il est tentant de les adapter pour les besoins spécifiques de l’audio en réseau.

Architecture physique d’un réseau audio. Tous les câbles constitutifs du réseau sont des câbles légers et souples à paires torsadées (ou éventuellement des fibres optiques), indépendamment du nombre de canaux audio qu’ils véhiculent. Le routage des signaux est défini au moyen de l’ordinateur d’administration (il peut y en avoir plusieurs), connecté n’importe où dans le réseau.

Cette tentative a connu quelques mises en œuvre avec des fortunes diverses. Les interfaces de type RS-232/RS-422 (ports série) n’ont pas eu grand succès ailleurs que dans des applications de contrôle/commande. En revanche, associés à des protocoles adaptés, ils sont très utilisés dans le contrôle industriel.
FireWire (IEEE 1394) est adapté à l’audio et à la vidéo compressée (standards DV et HDV). Néanmoins, on peut reprocher aux divers produits l’utilisant une interopérabilité assez limitée. En d’autres termes, les applications audiovisuelles utilisant les liaisons FireWire sont le plus souvent propriétaires et fermées.

L’USB connaît, quant à lui, un développement foisonnant. Une multitude de produits disposent d’interfaces USB, mais on notera que l’aspect réseau est beaucoup moins exploité que l’aspect interface de point à point. La raison est que, sauf quelques cas apparus récemment et d’usage retreint comme la communication entre appareil photo et imprimante, la topologie de l’USB impose que toute communication passe par un ordinateur « hôte ».
Deux périphériques quelconques ne peuvent donc pas communiquer directement entre eux sur un réseau USB. Une autre grave restriction de l’USB est la limitation drastique de la longueur des liens. Néanmoins, comme la tendance est à éliminer de plus en plus les ports série (RS-232/422) et parallèle des ordinateurs, l’USB devient un moyen favori pour accéder à un ordinateur… en l’absence d’Ethernet.

Roi des réseaux et réseau des Rois !

Pratiquement généralisé sur les ordinateurs de bureau et portables ainsi que sur une multitude de dispositifs autonomes, l’Ethernet cumule des avantages pléthoriques :

• Débits élevés et gradués (10, 100, 1000, 10 000 Mbits/s),
• Supports physiques variés (câble, fibre optique, et même radio « Wi-Fi »),
• Portée pratiquement illimitée (une centaine de mètres pour un lien physique sans répéteur, plusieurs kilomètres en fibre optique monomode),
• Topologies diverses,
• Compatibilité de nombreuses applications avec un logiciel standardisé («  navigateur »),
• etc…

En revanche, il présente aussi quelques inconvénients majeurs. Ceux-ci sont un frein à son utilisation dans le domaine audiovisuel et nécessitent des adaptations et précautions particulières qui nuisent à la compatibilité des applications audiovisuelles avec un Ethernet « banalisé ».
Le principal obstacle est lié à la latence et au caractère non déterministe du temps de transmission, deux problèmes qui se manifestent avec d’autant plus d’acuité que le réseau est complexe et/ou étendu.

Une bouteille à la mer !

Globalement, on peut considérer le réseau comme étant constitué de deux entités distinctes communiquant entre elles : les équipements d’extrémité (ordinateur, console, … périphériques audio), et le réseau proprement dit, comprenant les câbles et leurs connecteurs ainsi que les éléments qui en définissent l’infrastructure et la topologie (commutateurs, répéteurs, convertisseurs de protocole, émetteurs-récepteurs, etc.).

Dans l’esprit qui a prévalu à l’origine d’Ethernet, l’intelligence est concentrée dans les équipements d’extrémités, le réseau est aussi « passif » et transparent que possible aux messages, qu’il transmet en tout point sans modification.

Le Switch Luminex Gigacore16XT adapté à plusieurs sources, protocoles et appareillages utilisés en audio, lumière et vidéo

L’élément source inclut dans le message, en plus du contenu utile, les informations élémentaires comme le type de message, son origine et sa (ou ses) destinations.
L’élément destinataire est capable de faire l’acquisition à la volée du message qui le concerne, notamment en identifiant son adresse de destination. Le message est émis dans le réseau comme on lance une bouteille à la mer et transmis à tous les « pairs » connectés. Mais au fur et à mesure de l’évolution de la technologie et de l’augmentation de l’audience de tels réseaux, le réseau a dû progressivement se doter d’un peu d’intelligence.

Dans l’approche qui prévaut actuellement, les répéteurs (« hubs ») placées à l’origine en chaque nœud du réseau sont remplacés par des commutateurs (« switches »), organes intelligents et autonomes qui acquièrent une connaissance du réseau et sont capables d’aiguiller les paquets selon leur destination.

Toute l’intelligence des réseaux Ethernet repose sur des commutateurs comme celui-ci.

C’est dorénavant le réseau et lui seul qui définit le chemin emprunté par le message et les éventuels traitements complémentaires qui lui seront appliqués (comme, par exemple, le remplacement de certaines informations d’en-tête).

Puisque ni le chemin, ni le traitement subi par le message n’est prévisible (car on ne connaît pas a priori les détails de l’infrastructure, ni les décisions qu’elle est susceptible de prendre), on ne connaît pas le temps de transmission du message. Pire encore, un signal audiovisuel est constitué d’une succession de messages (chacun contenant un certain nombre d’échantillons audio numériques successifs, par exemple).
Les messages successifs sont envoyés dans le réseau d’une manière a priori indépendante. Ils peuvent donc emprunter des chemins différents, décidés au cas par cas par l’infrastructure de réseau.

Il s’ensuit une conséquence fâcheuse :

• Le temps de transmission est différent d’un message à l’autre. La latence varie, le réseau introduit un jitter.
• Plus grave encore, dans les cas extrêmes, l’ordre de présentation des messages peut être modifié. Les paquets d’échantillons n’arrivent pas dans l’ordre où ils ont été émis, le signal est déstructuré.

Il est clair que des modifications importantes du protocole doivent être effectuées afin de pallier cet inconvénient majeur. Les conséquences, quoi qu’il en soit, restent que :

• Dans le meilleur des cas, on pourra être à même de réduire la fluctuation de la latence, mais il y aura toujours une latence résiduelle due au temps de propagation minimal dans l’infrastructure. Les valeurs minimales sont de l’ordre de la milliseconde. Il convient à l’exploitant de décider si cela est compatible avec son application (critique en live !)
• La latence est d’autant plus importante que l’infrastructure est lourde et étendue. Cela limite les infrastructures de réseau à des utilisations locales (LAN). L’utilisation de réseau à l’échelle nationale ou mondiale (WAN, Internet) pour des applications live autre qu’une diffusion « passive » n’est guère envisageable.

Un réseau aux ordres… et aux normes, tout en restant souple.

Une des vocations premières du réseau audio est de se substituer aux volumineux, lourds, rigides et coûteux câbles multipaires.

L’un des avantages principaux du réseau Ethernet est le prix extrêmement modique de ses éléments constitutifs, largement utilisés et banalisés par le monde informatique professionnel, industriel et même grand public, et répandus dans le commerce.

Le prix d’un câble Ethernet (paires torsadées blindées), même muni de connecteurs sécurisés, est négligeable, et sa simplicité limite de manière drastique les risques de courts circuits et mauvais contacts par rapport à un gros multipaire « snake », à tel point que des standards propriétaires de réseau sur câble Ethernet ont vu le jour pour cette seule application (REAC de Roland, par exemple).

La facilité étonnante de routage des signaux dans une approche réseau (un câblage physique est remplacé par une adresse logique, modifiable à volonté via un logiciel convivial), est également un argument convaincant. 
Pour cette raison, les premières démarches ont eu pour but d’utiliser coûte que coûte le support matériel (couche physique) d’Ethernet, quitte à ignorer les couches de protocole supérieures.

Il en résulte des systèmes propriétaires au niveau des protocoles, un peu rigides, non compatibles avec le transport des données informatiques habituelles, à réserver à l’application audio seule, et qui demandent un apprentissage particulier et approfondi pour leur mise en œuvre (ne me faites surtout pas dire que les systèmes plus récents ne demandent aucune connaissance pour une mise en œuvre réussie !). Mais globalement, l’objectif a été atteint par ces systèmes, qui ont été adoptés par d’importants fabricants. De cette philosophie est né CobraNet aux Etats-Unis, pratiquement abandonné, puis EtherSound en France.

La console M5000 de Roland exploite aussi bien le réseau propriétaire REAC que DANTE

Parallèlement, une autre approche s’est dessinée, qui visait à introduire de nouveaux éléments de protocoles qui palliaient les difficultés inhérentes aux protocoles Ethernet d’origine à acheminer dans des conditions satisfaisantes les messages à fortes contraintes temporelles. Ces nouveaux éléments sont standardisés, ont donc une valeur universelle, et restent compatibles avec un usage conventionnel du réseau qui les supporte (transmission des données informatiques).

La différence par rapport à un réseau traditionnel est que, grâce à une intelligence supérieure répartie dans le réseau (notamment embarquée dans les commutateurs), les données audiovisuelles sont transmises correctement, selon une hiérarchie de priorités, au détriment des données purement informatiques qui n’ont pas de contrainte temporelle, alors qu’un réseau conventionnel n’effectue aucune distinction et que la transmission à la volée des données informatiques sans contrainte temporelle qui se présentent dans le réseau perturbe celle des données audiovisuelles.
Bien entendu, la condition pour que ça marche est que tous les éléments qui constituent le réseau soient aux nouvelles normes, donc capables de prendre en compte les données du protocole qui assurent la transmission correcte des signaux audiovisuels.

Mais le fait que ces structures de protocoles soient désormais normalisées signifie clairement que les éléments de réseau (essentiellement les commutateurs) qui supportent ces fonctions deviendront de plus en plus banals, et que, à terme, la question de la compatibilité ne se posera même plus lors de l’achat en vue de la constitution d’un nouveau réseau. Quant au câblage, de ce côté-là, rien ne change, et les éléments qui passaient pour « transparents » le restent avec les nouveaux protocoles.

Dante, pas si infernal que ça !

En assurant précocement la compatibilité de ses consoles avec les principaux standards de réseau, Yamaha a été l’un des promoteurs les plus actifs de cette technologie.

Dans l’ordre chronologique, après les standards propriétaires CobraNet et EtherSound, qui n’exploitent que les couches basses des protocoles Ethernet, Dante nous est venu d’Australie en revendiquant la pleine compatibilité avec les réseaux informatiques.
De fait, Dante introduisait par là-même les éléments de protocole auxquels nous venons de faire allusion.

Ils assurent la Qualité de Service (QoS), avec pour Dante, une spécialisation orientée vers l’Audio, alors que le standard AVB (Audio Video Bridging), avec lequel Dante est compatible, apparaissait à peine plus tard et était plus généralement destiné à l’audiovisuel, supportant aussi la vidéo. Grâce à Dante, il devient assez facile de mettre en réseau des systèmes audio professionnels, dont les systèmes de diffusion et de retours des grands concerts.

Les principales introductions de Dante sont les suivantes :

Un protocole permettant la synchronisation suffisamment précise des appareils (console, convertisseurs, processeurs …) au travers du réseau.
Ce protocole reprend les éléments du protocole PTP (Precision Time Protocol), issu du domaine de la métrologie. Les constructeurs d’instruments de mesure souhaitaient pouvoir, au sein des bancs de mesure automatisés, remplacer les anciens systèmes « bus » d’interconnexion complexes, lourds et coûteux des instruments de mesure par des liens Ethernet. Mais il leur fallait des moyens de transmettre des références temporelles précises entre les divers instruments. Le protocole PTP a été normalisé sous la référence IEEE1588.
Un protocole permettant d’établir des niveaux de priorité de transmission des signaux sur le réseau.
Dans ce contexte, les signaux les plus prioritaires sont les signaux relatifs au protocole de synchronisation (PTP), les signaux les moins prioritaires sont ceux relatifs aux données informatiques de gestion pour lesquels le critère important n’est pas le temps de transmission mais la conformité rigoureuse bit à bit entre le fichier source et le fichier de destination.

Les boîtiers de scène RIO de Yamaha exploitent le réseau DANTE en natif avec les consoles de la série CL

En conclusion, l’utilisation d’une infrastructure de réseau facilite grandement le travail de l’ingé son et apporte une approche moderne des systèmes, qui libère la créativité.
Après cet échauffement des méninges, appelons cela un conditionnement par paquets de vos neurones et leur adressage, place dans quelques jours à la problématique des réseaux professionnels, et les critères comme le débit, et ses sources de limitation, les protocoles et les éléments d’infrastructure (connecteurs, répéteurs, commutateurs et routeurs).

Soyez nombreux, car même si cela paraît s’éloigner de plus en plus de l’audio qui fait dresser les poils ou de la lumière qui transcende un show, c’est bien de cela que l’on parle. Différemment ;0) Au fait, IP son coup ??