De opkomst van Ethernet, Karl G. Ruling, Zichtlijnen 48, september 1996

Het komt me allemaal erg bekend voor. In de jaren tachtig namen belichtingsbedrijven afstand van analoge besturingssystemen met één ader per kanaal en omarmden allerlei meervoudige communicatieprotocollen om de grote hoeveelheden gegevens door te geven die nodig waren om systemen met een dimmer per circuit en de vroege generaties bewegend licht aan te sturen.

Dit resulteerde in een soort Toren van Babel aan besturingstalen, waarbij regeltafels alleen konden communiceren met apparatuur van dezelfde fabrikant, tenzij de gebruiker investeerde in een protocolconverter. DMX512 maakte hieraan een eind. Op enkele uitzonderingen na namen alle fabrikanten deze standaard voor hun regeltafels en dimmers aan, en het protocol werd ook gebruikt voor bewegend licht, rookmachines en andere apparaten.

Local Area Network
De brede acceptatie van DMX512 is een opvallend succes geweest, maar het basissysteem van DMX512 is niet opgewassen tegen de taak van het doorgeven van de hoeveelheid en verscheidenheid van gegevens die nodig zijn in een modern lichtsysteem. Tenminste vier fabrikanten – AVAB, Colortran, Electronic Theatre Controls en Strand Lighting – gebruiken tegenwoordig Ethernet in hun lichtsystemen om een lokaal netwerk (Local Area Network, LAN) te creëren. Het LAN verbindt regeltafels, aanvullende besturing, dimmers en andere apparaten en geeft een verscheidenheid aan data door, waaronder remote video, lichttafel-commando’s, dimmerniveau-informatie, dimmer feedback en cue-bestandgegevens. De LAN’s van de verschillende fabrikanten zijn gepatenteerde systemen, net als de dimmerbesturingsprotocollen van vóór DMX512, hoewel er meer overeenkomsten zijn dan bij de protocollen van voor DMX het geval was.

De LAN-technologie die gebruikt wordt door deze belichtingsbedrijven heet officieel Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.3, maar is vrijwel wereldwijd bekend onder de meer welluidende naam Ethernet. IEEE 802.3 is een standaard voor een open toepassing van een netwerk dat veel lijkt op het door Xerox in de jaren zeventig ontwikkelde Ethernet, maar het is niet exact hetzelfde; veel op IEEE 802.3 ontworpen apparaten doen het niet op oudere Xerox Ethernet netwerken.

Spreekbuis
Er zijn al vele analogieën gebruikt om een lokaal Ethernet netwerk te omschrijven. Eén van de populairste, en tevens degene die gebruikt wordt in de ESTA’s op handen zijnde Recommended Practice for Ethernet Cabling Systems in Entertainment Lighting Applications is de analogie van een omvangrijke pijp met uitgangen over de gehele lengte, die door een aantal mensen gebruikt wordt als een spreekbuis. Elke persoon luistert bij zijn/haar uitgang naar de boodschappen die door de buis geschreeuwd worden en beoordeelt of die misschien voor hem/haar bedoeld zijn. Als je zelf iets te zeggen hebt, luister je eerst of er niemand anders spreekt en dan schreeuw je je boodschap.

Bovenstaande analogie maakt goed duidelijk wat de voor- en nadelen van Ethernet zijn. Om te beginnen kan de pijp om het even welke boodschap doorgeven en ook een heleboel boodschappen tegelijk, want het is een grote, snelle pijp – Ethernet kan over het algemeen 10 Mbits per seconde verwerken. Bovendien kan iedereen die aan de pijpleiding zit direct een boodschap sturen naar iemand anders, zodat de informatie over en weer kan gaan tussen twee luisteraars, of knooppunten (nodes in netwerkjargon), zonder tussenkomst van een of andere centrale instantie.

Merk het verschil op tussen het bovenstaande en DMX512. DMX heeft een capaciteit van slechts 256 Kbits per seconde – 1/40ste van de capaciteit van Ethernet., Erger nog is dat de standaard slechts toelaat dat een DMX-lijn 512 kanalen of 512 bytes aan gegevens doorgeeft, dat dat technisch gezien alleen dimmerniveaugegevens zouden mogen zijn – géén informatie voor bewegend licht of scroller control. De gegevens bewegen zich in één richting: van de regeltafel naar de dimmers. Als je datastromen van meerdere regeltafels wilt samenbrengen of de gegevens juist op wilt delen, dan heb je een zwarte doos met een microfoonprocessor nodig voor het vermengen en sorteren.

Deze analogie maakt ook een paar van de complicaties van Ethernet duidelijk. Zo wordt het soort pijp niet nader gedefinieerd, noch de taal, noch enig protocol om de betrouwbaarheid van de communicatie te verzekeren. In het theater worden bij het gebruik van headset-systemen tijdens een show voortdurend afspraken gemaakt. Het scheelt enorm als iedereen op het headset-systeem afspreekt of de stagemanager de cue-, stand by- en andere waarschuwingen geeft en of de uitvoerend technici hun mond houden of niet. Het is belangrijk om dergelijke afspraken te maken bij het gebruik van een headset-systeem, wanneer intelligente mensen aan het luisteren zijn; ze zijn nog belangrijker op een LAN waar de luistertoestellen oliedom zijn. Het fysieke transportmiddel (de pijp), de toegepaste datastructuur (de taal) en de netwerk- en transportprotocollen moeten allen nader bepaald worden wil een LAN werken. Het is in deze details dat de lichtfabrikanten iets van elkaar zijn afgeweken.

Kabel
De grootste overeenkomst zit in het transportmiddel. IEEE 802.3 specificeert zes verschillende fysieke transportmiddelen en een zevende staat in de steigers. De zes zijn: 10BASE5, 10BASE2, 10BROAD36, 1BASE5, 10BASE-T en 10BASE-FL. De ‘10’ of de ‘1’ verwijst naar de bitsnelheid in Mbits per seconde. ‘BASE’ en ‘BROAD’ verwijzen naar de modulatiewijze: BASE gebruikt een standaard digitaal signaal; BROAD moduleert een dragend signaal met daarop digitale informatie, zodat meerdere signalen over dezelfde draad gedragen kunnen worden – zo’n beetje als verschillende kabeltelevisiekanalen op gescheiden frequenties over dezelfde kabel kunnen worden getransporteerd.

Het laatste deel van de naam vertelt wat voor soort kabel gebruikt wordt en geeft een indicatie van de maximum afstand tussen knooppunten (nodes) in honderden meters. 10BASE5 is het oorspronkelijke kabelstelsel: het maakt gebruik van 50 Ohm coaxkabel, ongeveer 0,404 inch (10,26 mm²) in doorsnee en overbrugt een maximum afstand van 500 meter. 10BASE2 wordt vaak Thinnet genoemd en maakt gebruik van een coaxkabel met een doorsnede van slecht ongeveer 0,2 inch (5,0 mm²) voor afstanden tussen nodes die maximaal 200 meter uit elkaar liggen. 10BASE-T gebruikt unshielded twisted pair wire, vergelijkbaar met telefoonsnoer, het verbindt een aansturend middelpunt (hub) met verschillende ontvangers en de afstanden kunnen tot 100 meter oplopen. 10BASE-FL gebruikt glasvezelkabel en is geschikt voor afstanden tot 2000 meter.

100BASE-T is de zevende, in ontwikkeling zijnde standaard, waarop de belichters in de entertainmentindustrie met spanning zitten te wachten. Afhankelijk van met wie je erover praat is het er al, staat het er aan te komen, of is het nog toekomstmuziek. Hoe dan ook, het biedt tien keer zoveel bandbreedte als welk 10BASE-systeem dan ook. Het maakt gebruik van twisted pair wire, ongeveer net als 10BASE-T, maar met vier paren (acht draden) van het middelpunt naar elke ontvanger in plaats van de twee paren van 10BASE-T.

ESTA’s Recommended Practice for Ethernet Cabling Systems in Entertainment Lighting Application, noemt 10BASE2, 10BASE-T en 10BASE-FL als de te verkiezen fysieke middelen voor Ethernet. Colortran, ETC en Strand hadden afgevaardigden in de ESTA-werkgroep, dus de aanbevelingen weerspiegelen hun gezamenlijk denken; AVAB had geen afgevaardigde, maar de aanbevelingen van de werkgroep zijn ook in overeenstemming met AVAB’s werkwijze. 10BASE2 is waarschijnlijk de minst dure toepassing, omdat het Ethernet als een soort bloemenkrans van knooppunt tot knooppunt verbonden wordt, maar een dergelijk simpel systeem kan onbetrouwbaar zijn. Een storing bij een knooppunt, een kortsluiting of een ontbrekende terminator resistor aan het einde van een kabel kan het hele systeem onderuit halen. 10BASE2 systemen kunnen verbeterd worden door één of meer verdeelpunten toe te voegen, waarbij de verschillende knooppunten hun aanvoer krijgen via een aparte kabel die van het verdeelpunt komt. 10BASE-T gebruikt altijd een of meer verdeelpunten, zodat zelfs in het simpelste systeem een foutje in een vertakking slechts één knooppunt beïnvloedt, en ook bij de bedrading is simpeler. ESTA raadt aan om bij de aanleg van een 10BASE-T systeem acht-aderige kabels te gebruiken, zodat het systeem in de toekomst makkelijk tot het betere 100BASE-T kan worden omgebouwd. Voor systemen waar de verdeelpunten ver uit elkaar liggen, of waar de kabel onder de grond moet, kan men het beste 10BASE-FL gebruiken.

Matroesjka
De digitale informatie die over het Ethernet verzonden wordt, laat zich het best vergelijken met een Matroesjka, een Russisch poppetje dat open kan, met daarin een ander poppetje, met daarin een ander et cetera, totdat men uiteindelijk in het midden een klein massief poppetje aantreft. In het midden van het pakket zitten de gegevens die de toepassing vereist – dimmergegevens, remote video en dergelijke – maar deze data worden omgeven door andere lagen van diverse digitale data. Deze dienen om de gegevens te leiden en ervoor te zorgen dat de verzending over het netwerk goed verloopt; en die zelfs de verzending buiten het fysieke Ethernetwerk, over het Internet mogelijk kunnen maken.

Van de buitenkant ziet een pakketje Ethernetinformatie er vrijwel hetzelfde uit of het nu op een ColorNet of een AVAB Ethernetnetwerk is. Een standaard Ethernet-pakket of frame begint met een voorbericht van 7 bytes, gevolgd door een startbyte, een bestemmingsadres van 2 of 6 bytes, een bronadres van 2 of 6 bytes, een veld van 2 bytes dat aanduidt hoeveel bytes er op het volgende dataveld staan, het dataveld, een opvulveld van variabele lengte om het Ethernetframe uit te breiden tot de minimumlengte en tot slot een CRC Frame Check Sequence (FCS) van 4 bytes. Een Ethernetpakket moet ten minste 64 bytes lang zijn, maar mag niet langer zijn dan 1518 bytes. Boodschappen die te lang zijn om in één pakket verzonden te worden, worden opgedeeld en in meerdere pakketten verstuurd.

Wij zeiden dat een pakketje Ethernetinformatie van ColorNet en AVAB Ethernet er vrijwel hetzelfde uitzien, omdat de IEEE 802.3-standaard fabrikanten toestaat om het twee byte of het zes byte adres-format te kiezen; het is niet verplicht dat beide ondersteund worden. De buitenlaag ziet er dus min of meer hetzelfde uit bij elk lichtsysteem, maar van binnen lopen de gegevens sterk uiteen. Zo draaien bijvoorbeeld op de meeste Ehternet LAN’s in kantoren en de industrie een of meer hogere netwerk- en transportprotocollen, zoals Xerox Network System (XNS), Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), X.25 of IPX/SPX van Novell, en dit is ook het geval bij de belichting in de entertainmentindustrie. Onder de vier grootste fabrikanten die Ethernet gebruiken, worden drie protocollen gebruikt. Strand en Colortran hebben gekozen voor TCP/IP, AVAB koos voor IPX en ETC heeft zijn eigen protocol geschreven. De bijgevoegde header-informatie voor deze protocollen wordt achter de Ethernetpakket-header gezet, maar voor de aansturingsdata. Een compleet Ethernetpakket met TCP/IP zou er zo uit kunnen zien: Ethernet-header/IP-header/TCP-header/sturingsdata/FCS.

Elk protocol heeft zijn voordelen voor de fabrikant. TCP/IP wordt wereldwijd gebruikt op Internet en zowel Windows 95 als Windows NT hebben het opgenomen als deel van hun besturingssysteem. De nieuwe regeltafels van Strand gebruiken Windows NT als de kern van hun besturingssysteem, waardoor Strand zich kan toeleggen op de rest van het systeem in plaats van netwerksoftware te moeten schrijven. IPX wordt gebruikt op Novell netwerken en AVAB heeft nuttige onderdelen van het Novell systeem kunnen gebruiken om grote lichtsystemen op te zetten met gespiegelde servers. Het eigen protocol van ETC is met opzet klein gehouden, zodat er in het pakket meer plaats is voor belichtingsgegevens.

Incompatible
De structuur en inhoud van het pakket bytes dat de belichtingsgegevens bevat is volledig gepatenteerd en hoewel niet geheim, wel goed ‘beschermd’. Vrijwel iedereen die voor dit artikel geïnterviewd werd, wilde geen antwoord op de vraag hoe een pakket van dimmerniveaugegevens eruit ziet. Elke fabrikant heeft zijn eigen format gekozen, dus zelfs als je een Strand regeltafel op een netwerk met Colortran remote video stations kunt aansluiten, dan kunnen de twee niet met elkaar communiceren.

Deze onverenigbaarheid is ten dele historisch bepaald. “’t Is gek”, zo zegt Tim Bachman, de projectleider van Colortran, “toen de eerste regeltafels uitkwamen en we met dit Ethernetgedoe bezig waren, hadden we geen idee dat anderen er ook mee bezig waren. We dachten: dit is geweldig! We gaan de industrie veroveren! Een maand of twee later zat ik een ETC-special te lezen en daar stond in dat je Ethernet moest gebruiken voor remote video. Ik dacht dat ze ons idee gejat hadden. Natuurlijk was dit niet zo: het was gewoon een voor de hand liggende oplossing”.

Het feit dat fabrikanten systemen verkopen die niet op elkaar passen biedt ook voordelen. Om maar iets te noemen: je kunt een heel systeem verkopen in plaats van een paar dimmerkasten of een regeltafel. En ook: als je het hele systeem bouwt en je maakt het op maat voor een bepaalde toepassing of locatie, dan kun je de efficiency van het netwerk garanderen. Wanneer een eindgebruiker zijn eigen netwerk opbouwt uit diverse componenten of het lichtsysteem aan het kassanetwerk koppelt, dan kán het goed werken, maar het zou ook traag kunnen worden en te late cues kunnen geven.

Vertraging
Dit soort problemen kunnen ontstaan omdat Ethernet in principe geen real time communicatiesysteem is. Het kan als zodanig functioneren omdat de boodschappen zo snel verstuurd worden en de bandbreedte heel groot is, maar een slecht ontworpen netwerk zal de boodschappen te traag afleveren voor de juiste cue-uitvoering in een lichtsysteem. Het probleem zit hem in de manier waarop Ethernet de toegang tot het fysieke medium – de draad of glasvezelkabel – regelt. Het gebruikt een systeem met de naam CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, dat precies doet wat beleefde mensen zouden doen als ze door een pijpleiding proberen te communiceren: elke spreker blijft luisteren naar de pijp terwijl hij schreeuwt. Wanneer datgene wat gehoord wordt niet overeenkomt met datgene wat gezegd wordt, komt dat waarschijnlijk omdat iemand anders op hetzelfde moment probeert te spreken – de technische term hiervoor is datacollision (bittenbotsing). Elke spreker merkt de botsing op, stopt met praten, wacht een moment van willekeurige lengte en controleert dan of het stil is in de pijp. Zo ja, dan probeert hij/zij de boodschap nog een keer te schreeuwen.

Bij een CSMA/CD-systeem behoren botsingen tot de normale gang van zaken, maar in een zwaar belast systeem kunnen er zo veel voorkomen dat het systeem traag wordt. Elke boodschap die bij een botsing betrokken raakt, moet opnieuw verzonden worden, met als gevolg wellicht weer een botsing. De vertragingen kunnen elkaar versterken met als gevolg dat het een behoorlijke tijd duurt voordat een boodschap met succes verstuurd en ontvangen is. Dit is natuurlijk onacceptabel in een belichtingssysteem waar de boodschap ‘cue 35 uitvoeren’ zou kunnen zijn.

Elke fabrikant heeft zijn systeem dusdanig ontworpen dat het netwerkverkeer licht genoeg is, zodat botsingen geen merkbare vertragingen kunnen veroorzaken. De lengte van de boodschappen wordt klein gehouden, zodat er ruimschoots tijd overblijft voor het doorsturen van dimmergegevens. Of anders worden de dimmergegevens op een DMX-lijn of apart Ethernetwerk tussen regeltafel en dimmer afgehandeld. Het rapporteren van dimmerfouten gebeurt vaak ook op een apart netwerk, waardoor de belasting van het Ethernet LAN nog meer beperkt wordt. Fabrikanten gebruiken allerlei strategieën, met als resultaat dat een individueel systeem goed kan werken, maar dat er geen voorspellingen kunnen worden gedaan over een belichtingsnetwerk dat bestaat uit onderdelen die van verschillende fabrikanten komen, of over een netwerk dat via een kabel loopt die gedeeld moet worden met een LAN van een kantoor of van toneelapparatuur.

Maar het heeft overduidelijk ook zijn voordelen wanneer onderdelen van verschillende fabrikanten op één netwerk gebruikt kunnen worden, en er is nu enige interesse vanuit de industrie om dit mogelijk te maken. Bachman van Colortran zegt hierover: “Er is een aantal punten van overeenkomst waar we naar zouden kunnen kijken. Ik zie geen reden waarom we geen afspraken zouden kunnen maken overeen manier om text based video door te geven. Een standaard voor remote video zou kunnen bestaan uit een aantal toetsaanslagen , of dimmerdata.” De huidige Ethernet-commissie van ESTA houdt zich alleen bezig met het verbreiden van een standaard voor bedrading, maar Chris Windebank, de R&D-manager van Strand zegt: “Ik denk dat iedereen het erover eens is dat ESTA nu op zoek moet gaan naar een standaard om DMX-informatie over Ethernet te verzenden.” Ed Prasser, de teamleider van ETC’s Obsession zegt: “Het zou prettig voor alle fabrikanten zijn wanneer ze aan een gezamenlijk netwerk zouden kunnen werken, maar ik denk dat dat pas mogelijk is wanneer 100 Mbit Ehternet goed functioneert. Dat 100 Mbit Ehternet zal tien keer zoveel bandbreedte hebben als het huidige Ethernet en daarmee kunnen we een open netwerk maken. Omdat we nu bijna de volledige bandbreedte gebruiken, moet het wel een gesloten netwerk zijn.”

Hoe dan ook, toekomstige netwerken zullen zonder twijfel Ethernet netwerken zijn, tot er weer iets beters komt. DMX512 zal steeds minder belangrijk worden in de belichtingstak van de entertainmentindustrie. “In Europa keren we ons af van DMX”, zegt Hans Lau, directeur van AVAB Amerika. “De generatie dimmers die binnenkort op de Europese markt wordt uitgebracht zal een Ethernetaansluiting hebben. Ze willen helemaal van DMX af.”

Reprinted from Theatre Crafts International; March 1996. Copyright: Courtesy of Intertec Publishing Corporation, New York, NY 10011-4612. All rights reserved. Information: http://www.etecnyc.net.

Vertaling Peppie Brouwers.

Terug