Il livello di ridondanza – Part 2

Bentornati!

Chi si fosse perso la prima puntata può recuperala qui.
Oggi, dopo aver introdotto i concetti di base per l’utilizzo del metodo proposto, facciamo un passo avanti e parliamo di…

Raccolta e distribuzione dei segnali.

La rete che permette la raccolta e la distribuzione dei segnali (network) è il cuore di qualsiasi progetto audio di medie o grandi dimensioni e rappresenta il centro nevralgico di comunicazione tra i vari sottosistemi.

Come si vedrà nella prossima puntata dedicata alle proprietà e ai metodi di incremento del livello di ridondanza, gran parte del funzionamento del sistema e delle sue sottoparti essenziali dipendono dalla robustezza e dalla capacità di auto-proteggersi del network.

Che tipo di network adottare a seconda del progetto da realizzare è un tema affrontato con un buon livello di dettaglio nella tesi (chi la leggerà dovrà tenere presente che sono passati più di 6 anni e tanto è successo nel frattempo…), in base ad esempio alla latenza accettabile, sincrono o asincrono, peculiarità, budget, etc.

Come già detto, da queste puntate dal pianeta ZioGiorgio mi interessa attirare la vostra attenzione sugli aspetti strettamente relativi al livello di ridondanza.

Topologia a stella o ad anello

Il metodo di connessione tra i diversi nodi del network è una delle scelte che il progettista deve compiere. Non esiste una regola generale che decreti la superiorità di una topologia rispetto ad un’altra, ma ogni soluzione ha pregi e difetti a seconda dell’applicazione per la quale viene adottata e la scelta può ricadere su una o sull’altra a seconda dei parametri che si ritengono prioritari.
Se uno di questi è la facilità di implementazione di aspetti ridondanti, allora la topologia ad anello (ring topology ) offre concreti vantaggi rispetto a quella a stella (star topology ), specialmente in applicazioni mobili dove anche il minor numero di connessioni necessarie (fibre, cavi coassiali, CAT5/6 e relativi connettori) è un criterio di scelta che paga sia in termini di tempi di montaggio/smontaggio che di denaro.

Star Topology

Il centro stella collega ogni altro nodo presente nel network.

Network a stella

Se si vuole il network ridondante per la classe Wiring sarà necessario prevedere una doppia connessione tra il centro stella ed ognuno dei nodi.
Si consideri una rete a fibra ottica formata da 7 nodi periferici ed un centro stella e si contino le coppie di fibre necessarie per il suo funzionamento: si arriva ad un totale di 7, cioè N-1, dove N è il numero totale di nodi, incluso il centro stella.

Network a stella con fibre ridondanti

Se si vuole che il network abbia ridondanza specifica pari a 1 per la classe Wiring (in questo caso le fibre) occorre raddoppiarle e cioè avere una coppia ridondante per ogni nodo periferico, arrivando a 14, cioè 2(N-1).
Qualsiasi percorso considerato prevede sempre il passaggio dal centro stella che, a differenza degli altri nodi, è vitale per il funzionamento del network stesso. Il sistema che include uno star network non può allora non avere fra le classi di inconvenienti il centro stella. Ciò obbliga il progettista a prevederne un secondo e porta al raddoppio di tutte le connessioni arrivando, nel caso in esempio, a 28 cioè 4(N-1).

Network a stella con centro e fibre ridondanti

La presenza di un secondo centro stella complica parecchio il reindirizzamento di tutti i segnali da e per i nodi periferici e presuppone il raddoppio di tutti i transcievers ottici a bordo dei nodi. Quest’opzione, quando disponibile, è molto onerosa. Si ricordi che, per applicazioni mobili, ogni fibra andrebbe dotata di connettori con tecnologia Expanded Beam, portando il costo di fibre e connettori a livelli probabilmente superiori a quello degli apparati.

Ring Topology

Nelle configurazioni a doppio anello non esiste un nodo che ha più importanza degli altri, in quanto l’intero protocollo di trasmissione li attraversa tutti, in senso orario in un anello e in senso antiorario nell’altro e la disponibilità di un segnale non dipende dalla configurazione o dal funzionamento di alcun nodo, fatta eccezione per quello che lo accetta in ingresso e lo mette in circolo.

Network a doppio anello di fibre ottiche

Ovviamente un solo anello di fibre per volta è realmente utilizzato, mentre l’altro è pronto a subentrare in caso di bisogno.
L’interruzione di una qualsiasi coppia di fibre provoca una modifica delle connessioni interne ai nodi interessati dal guasto, al fine di ricostituire un anello funzionante. Tale metodo è detto autocicatrizzante poiché è in grado di ripararsi ed evitare interruzioni.

Network ad anello autocicatrizzato

Il caso della perdita di un nodo è senz’altro spiacevole, ma con questa topologia non è mai letale per l’intero network, poiché non esiste un nodo nevralgico.
Come si è visto, il fault di un nodo equivale alla perdita delle due coppie di fibre ad esso collegate, ma un anello funzionante si ricostituisce sempre tra i nodi residui.

Network ad anello privo di un nodo, ma funzionante

Si vuole calcolare quante coppie di fibre occorrono per connettere a doppio anello (cioè con ridondanza specifica pari a 1) un numero di nodi uguale a quello precedente a stella e cioè N=8. Il numero è 8 e cioè pari al numero di nodi N. Il confronto è quindi tra 2(N-1), senza centro stella ridondante o 4(N-1) con centro ridondante per la topologia a stella e N per il ring; differenze veramente importanti, soprattutto al crescere di N.

Per gli spettacoli dal vivo, specialmente se itineranti, a causa di questo e di altri motivi che si vedranno a breve, si tende a preferire l’impiego di network sincroni con topologia a doppio ring.

Pro e Contro della stella e dell’anello

Ci sono altri fattori che fanno propendere per una topologia o per l’altra.
Quando il progetto prevede un numero limitato di foglie e magari con segnali di tipo omogeneo, ad esempio solo stream MADI o solo segnali AES3, e quando questo numero di connessioni non cambieranno nel tempo, una semplice matrice può rappresentare la soluzione più economica e funzionale.
La matrice è un classico esempio di collegamento a stella, permette qualsiasi tipo di incrocio, ma soffre del fatto che essa stessa (centro stella) è il crocevia di tutti i collegamenti del network e dell’intero sistema.
Essendo molto complicato e quasi sempre non conveniente prevedere una doppia matrice con sistemi di scambio tra main e spare, si adottino possibilmente matrici con doppio PSU e alimentazioni separate, di ottima qualità costruttiva, con buoni sistemi di raffreddamento e tutti gli altri accorgimenti che minimizzino la possibilità di fault.
Esistono matrici di tutti i tipi e di tutte le dimensioni, che smistano audio, video e dati e che offrono diversi standard per ingressi e uscite.

L’esperienza ci ha insegnato che per valutare a grandi linee se sia più adeguato l’impiego di una matrice o di un vero e proprio network a doppio anello, si può fare la seguente considerazione: a parità di canali gestiti, la matrice va presa in considerazione solo se garantisce un risparmio superiore al 50% rispetto al network ad anello e se per il livello di ridondanza si può rinunciare alla classe di inconveniente che include il centro stella. In tutti gli altri casi, il doppio anello va preferito.

I vantaggi della ring topology sono numerosi e si elencano brevemente di seguito:

  • ridondanza specifica =1 con sole N fibre per N nodi
  • i segnali in ingresso da nodi qualsiasi, sono sempre disponibili ad ogni nodo, indipendentemente dalla configurazione degli altri. In altre parole, l’output patch è diverso ed indipendente per ogni nodo
  • il numero di nodi e di canali può variare da un evento all’altro, aggiungendo, modificando o togliendo nodi
  • la funzione di matrice è garantita dal patch locale di ogni nodo, ma è anche distribuita e modulabile in dimensione e tipo
  • l’aumento del livello di ridondanza è estremamente più facile da implementare rispetto al caso della stella.

Gli svantaggi del ring possono essere individuati nel prezzo, spesso più elevato dell’equivalente a stella, e nel fatto che, sebbene non esista nessun nodo veramente essenziale, all’integrità di ogni singolo nodo è correlata l’integrità residua del network dopo un fault.

Matrice, Media Converter e servizi ausiliari

Si può considerare un network un qualsiasi insieme di nodi collegati tra loro che permettono il passaggio di segnali. Nella progettazione moderna, al network si richiede possibilmente di fare di più. In particolare ci si aspetta che la funzione di matrice sia inclusa e cioè che un segnale in ingresso lo si possa indirizzare ad una o più uscite, che si comporti come un media converter, con la possibilità di far entrare segnali in un determinato formato e di poterli estrarre anche in formati diversi.
Si pensi a quanto è comodo poter usufruire di tutti i segnali audio presenti nel network, indipendentemente dal formato nel quale originariamente sono in esso entrati. Se il network è di tipo sincrono (o asincrono per la trasmissione di segnali sincroni) ci si aspetta che funga anche da generatore e/o distributore di clock.
Molto comoda è la possibilità di avere dei servizi ausiliari. Si pensi ad esempio ad un network che oltre ai segnali audio (funzione principale) trasmetta anche alcuni protocolli seriali (RS-232, RS-422, RS485, Ethernet, CAN, etc) per il controllo degli apparati audio che al network saranno connessi o alcuni I/O video per la sorveglianza degli stessi o per avere una videocomunicazione tra diversi operatori in varie posizioni.
Se queste funzioni non sono essenziali in installazioni fisse, dove è relativamente economico utilizzare fibre distinte per scopi diversi, la capacità di svolgere molteplici funzioni attraverso lo stesso network diventa essenziale in applicazioni mobili, poiché minimizzano i costi dell’infrastruttura in fibra e non costringono il progettista ad effettuare analisi di ridondanza separate per i vari tipi di segnale.

Se il network offre la possibilità di veicolare tutti i tipi di segnale necessari allo svolgimento dello spettacolo (o la porzione di competenza), basterà renderlo sicuro sino al livello desiderato per avere garantito tale livello (relativamente al sottosistema network) per tutti i segnali in gioco, senza dover moltiplicare gli sforzi e gli investimenti.

Ridondanza intrinseca

Nella scelta del network da adottare per il proprio progetto, oltre al costo, alla quantità di servizi ausiliari, alla modularità e le altre caratteristiche viste, è determinante valutare quale sia il livello di ridondanza che il network ha intrinsecamente, intendendo con questo il numero di classi di inconvenienti che sono autonomamente garantite dal network stesso, senza il bisogno di adottare ulteriori strategie di backup.
Sebbene sia sempre possibile prevedere metodi di incremento per network che non sono al livello desiderato, è di gran lunga più semplice e sicuro partire dal più alto livello possibile. A conti fatti risulta anche più economico, sebbene i costi di network che offrono livelli intrinseci elevati possano sembrare inizialmente esorbitanti.
La scelta del network è una delle più importanti che il progettista deve fare e, tra gli altri criterti (tempi di latenza, tipo, topologia, numero di nodi, etc), il livello di ridondanza intrinseco è spesso il predominante.

Power

Un nodo di un network che non offra ridondanza specifica = 1 e cioè non sia dotato di doppio PSU, non potrà mai portare ad avere un network a livello di ridondanza 1 per la classe Power. Sul mercato esistono numerosi esempi di network formati da nodi con singolo PSU o anche network che sfruttano, come infrastruttura, reti Ethernet basate su switch con singolo PSU.
Si faccia molta attenzione a valutare la posizione e la funzione che questi nodi occupano all’interno del sistema: in una topologia a stella, può anche essere accettabile la perdita di un nodo periferico, mentre sarebbe disastrosa la perdita del centro stella o estremamente penalizzante quella di un nodo di un anello.

Si vuole ribadire che l’utilizzo di matrici non dotate di doppio PSU ricadono in questi casi e cioè rappresentano network a stella con centro a ridondanza 0 per la classe Power!

Wiring

Considerazioni analoghe si possono fare per la classe Wiring e cioè un nodo che non offra la possibilità di raddoppiare le connessioni da e per gli altri nodi dello stesso network sarà limitante per il livello di ridondanza. Non è essenziale che le porte di I/O main siano dello stesso formato delle spare, ma è fondamentale che siano equivalenti dal punto di vista del contenuto informativo. Un’apparato Madi che offra I/O ottici e coassiali ne è un esempio: i due formati possono agevolare la connessione di diversi apparati ma anche costituire la soluzione di ridondanza.

Synch

Un po’ più complesso è il discorso relativo alla ridondanza intrinseca per i segnali di sincronismo, dove non basta offrire un connettore in più, ma è necessario che il network preveda una vera e propria strategia di Word Clock Management. Essa permette di definire chi sia il titolare nella generazione del clock, se debba essere generato o accettato dall’esterno e la lista delle priorità nel determinare i sostituti nei vari casi di fault che si possono verificare.

Avere integrate nel network le ridondanze fondamentali anziché doverle prevedere con meccanismi esterni ad esso, garantisce la contemporaneità delle procedure di emergenza, minimizza i tempi di reazione e permette di avere interventi di tipo automatico.

Queste sono qualità sostanziali che differenziano il progetto ideale dalle alternative di compromesso.

Ethernet Based Audio Network, ridondanza e tempi di boot

Oggi, rispetto a quando la tesi è stata redatta, alcuni network audio basati su infrastrutture Ethernet (Dante, AVB, Ravenna, …) hanno raggiunto importanti livelli di diffusione e utilizzo, grazie soprattutto al numero di aziende che li adottano come standard, a discrete performances in termini di latenza e al buon rapporto qualità/prezzo.
Realizzare infrastrutture Ethernet realmente ridondanti adeguate alla distribuzione di audio per eventi live non è un’operazione banale, occorrono conoscenze specifiche proprie degli esperti di IT (Information Technology) e spesso portano a costi tali che mortificano la “presunta economicità” delle soluzioni Ethernet based.

Un altro aspetto fondamentale da tenere sempre in considerazione e da testare sul campo è il tempo necessario ai vari Ethernet Switches per effettuare “il boot”, ovvero, per quanto ci riguarda, quanto tempo intercorre dal momento che si accende l’apparato (o si riavvia dopo una caduta di tensione) al momento in cui il flusso audio riprende a funzionare.
Avete mai provato a riavviare uno switch mentre il tutto funziona a meraviglia e cronometrare il tempo necessario a far riprendere il flusso audio? Provate e mentre guardate la lancetta del cronometro che gira, immaginatevi di essere il fonico in FOH con tutto lo stadio vi guarda aspettando da voi la soluzione… In quei casi, anche 27 secondi vi sembreranno 27 ore!
Il progettista ha sempre la possibilità di indicare soluzioni ridondanti che prevedano path indipendenti che non necessariamente attraversino network identici, offrendo un’alternativa cablata (digitale o addirittura analogica) non Ethernet based, ma che sopperisca ad eventuali fault della infrastruttura principale in tempi accettabili, che siano considerati interruzioni non significative del servizio.

A puro titolo di esempio, nell’autunno del 2013, quando Agorà era in preparazione della spedizione per le Olimpiadi invernali di Sochi 2014, ho avuto occasione di prestare la mia consulenza in occasione della visita di Scott Wilsallen, il responsabile australiano dei sistemi audio delle cerimonie di apertura e di chiusura.
Scott è per me una “vecchia conoscenza”. Il primo incontro fu in occasione delle Olimpiadi di Atene 2014 per le quali diedi il mio contributo in qualità di product specialist di Optocore, poi ancora per gli Asian Games, il World Youth Day in Australia, ect). Spesso, essendo entrambe due “testoni cocciuti”, abbiamo avuto animati scambi di opinioni, sempre con spirito costruttivo e voglia di migliorarsi.
Scott, nel disegno per Sochi, ancora una volta ha adottato il network Optocore (fibre double ring) come soluzione Main (già di suo ridondante a livello 3 automatico per power, wiring e synch) e ha previsto un’alternativa totalmente analogica per la distribuzione e la raccolta dell’intero ammontare di canali utilizzati, stendendo km di CAT5 utilizzati come multicore audio, sfruttandone i doppini di rame.
Tale soluzione, nel 2014, ha sorpreso un po’ tutti, ma chi ci è stato e l’ha utilizzata (durante i test funzionali perché durante le cerimonie non ce ne è stato bisogno) ha riferito che funzionava alla perfezione.
Per ulteriori info al riguardo potrete chiedere agli amici Angelo “Pavarotti” Camporese o al “generale Cluster” alias Daniele Tramontani che a Sochi hanno lavorato.

Per oggi ci fermiamo qui. Nella prossima puntata vedremo quali sono le proprietà del livello di ridondanza e come fare per aumentarlo.

A presto!

Luca Giaroli
ZioGiorgio Contributor

info: www.lucagiaroli.com

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