淺談數(shù)字音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)——AVB（下）

居姝曼

（接上期）什么是QoS？

QoS（Quality of Service）是服務(wù)質(zhì)量的簡稱，它包括保證傳輸?shù)膸?，降低傳輸?shù)难訒r，降低數(shù)據(jù)的丟失率以及延時抖動等。按照其工作的能力可分為以下幾種模型：

1.DiffServ（Differentiated Service，區(qū)分服務(wù)）模型，根據(jù)服務(wù)要求對不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進行分類，對數(shù)據(jù)按類進行優(yōu)先級標(biāo)記，然后有差別地提供服務(wù)。先行轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，并將優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)做端口緩存，待網(wǎng)絡(luò)中無高級別數(shù)據(jù)時再轉(zhuǎn)發(fā)低級別數(shù)據(jù)，如圖9所示。

AVB標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個流量類型，A類和B類。A類流優(yōu)先級是5，B類流優(yōu)先級是4，這兩種數(shù)據(jù)相比較，A類數(shù)據(jù)流會被先行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.IntServ（Integrated Service，綜合服務(wù)）模型，在節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要向網(wǎng)絡(luò)申請資源預(yù)留，確保網(wǎng)絡(luò)能夠滿足數(shù)據(jù)流的特定服務(wù)要求。它可以提供保證服務(wù)和負(fù)載控制服務(wù)兩種服務(wù)。保證服務(wù)，提供保證的延遲和帶寬來滿足應(yīng)用程序的要求；負(fù)載控制服務(wù)，保證即使在網(wǎng)絡(luò)過載的情況下，也能對數(shù)據(jù)提供與網(wǎng)絡(luò)未過載時類似的服務(wù)。

在網(wǎng)絡(luò)中大量的數(shù)據(jù)極有可能在一瞬間抵達端口，保證服務(wù)如果要為每一個數(shù)據(jù)流提供QoS服務(wù)就變得不可想象了。因此，IntServ模型很難獨立應(yīng)用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要與流量整形（Traffic Shaping）結(jié)合使用。

流量整形（Traffic Shaping）

流量整形是為了避免在以太網(wǎng)中發(fā)生丟棄數(shù)據(jù)的情況，通常采用漏桶算法（Leaky Bucket）來完成流量整形或速率限制（Rate Limiting）。它的主要目的是控制數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)的速率，平滑網(wǎng)絡(luò)上的突發(fā)流量。

漏桶算法提供了一種機制，通過它突發(fā)流量可以被整形，以便為網(wǎng)絡(luò)提供一個穩(wěn)定的流量。在概念上，漏桶算法可以作如下理解：到達的數(shù)據(jù)被放置在底部具有漏孔的桶中（數(shù)據(jù)緩存）；數(shù)據(jù)從漏桶中漏出，以常量速率注入網(wǎng)絡(luò)，因此平滑了突發(fā)流量，如圖12所示。

主機在每經(jīng)過一個時間間隔向網(wǎng)絡(luò)輸出一個數(shù)據(jù)包，因此產(chǎn)生了一致的數(shù)據(jù)流，平滑了突發(fā)的流量。AVB標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個流量類型，A類和B類。A類的時間間隔為125μs，B類的時間間隔為250μs。A類要求流具有更緊密的等待時間，并且具有較短的觀察間隔，這意味著其數(shù)據(jù)包更小并且更頻繁地傳輸。

當(dāng)數(shù)據(jù)流具有相同尺寸的時候，每個時間間隔傳輸一個數(shù)據(jù)的工作機制沒有任何問題。但對于可變長度的數(shù)據(jù)來說，這種工作機制可能存在一點問題，此時，最好每個時間間隔傳輸固定數(shù)目的字節(jié)。

AVB有兩種流格式：AM824和AAF。AM824支持24bit音頻，iec60958音頻編碼（SPDIF和AES3），SMPTE時間碼和MIDI。對于發(fā)送端AM824有三個選項“non-blocking（sync）”、“non-blocking（aync）”和“blocking”。

AM824（non-blocking，synchronous），典型的AVB音頻設(shè)備使用此模式進行傳輸。每個觀察周期發(fā)送一幀，每個以太網(wǎng)幀總發(fā)送相同數(shù)量的采樣，在48kHz采樣時，每幀包含6個采樣；在96kHz時，每幀包含12個采樣。

AM824 （non-blocking， async packetization），此模式由于打包器和發(fā)送器的觀測間隔不同步，有可能發(fā)送一個臨時的以太網(wǎng)幀，其中包含一個或多個采樣。一個打包器處理多個時鐘域的設(shè)備通常采用此格式。因為它可以發(fā)送臨時的以太網(wǎng)幀，在48kHz采樣時，每幀包含7個采樣；在96kHz時，每幀包含13個采樣，它需要預(yù)留足夠的帶寬。蘋果Mac采用此模式。

AM824 （blocking）是一些火線設(shè)備使用的模式，因為它更容易打包和拆包。在48kHz采樣時，每幀包含8個采樣；在96kHz時，每幀包含16個采樣。

AAF是IEEE p1722a中定義的新的打包格式。它比AM824開銷低，要求數(shù)據(jù)流中每個幀具有相同的大小和格式，并允許16bit、24bit和32bit的量化，以及每個幀的采樣數(shù)量選擇。每個幀的大小和格式總是相同的。

從圖14中我們可以看出幾個典型的AVB流在萬兆網(wǎng)（10Gbps）中的傳輸規(guī)律。比如：48kHz采樣32bit的立體聲音頻流，實際需要的帶寬大約是3Mbps，采用Class A的傳輸間隔，1秒鐘發(fā)送8，000組數(shù)據(jù)（1÷8000=0.000125s=125μs），其中每組數(shù)據(jù)最多由80個幀組成。如果每幀都按照最大數(shù)據(jù)來傳輸，在前文中提到過最大幀是1526Byte（如圖7中所示），再加上每幀的幀間隔12Byte，共1538Byte，相當(dāng)于12，304bit（1Byte=8bit），每組80個幀相當(dāng)于12，304×80=984，320bit，每秒傳輸8，000組相當(dāng)于984，320×8000=7，874，560，000bit/s≈7.87Mbps。那么在10Gbps的帶寬下，如果保留75%的帶寬用于傳輸AVB流，可以傳輸952個這樣的數(shù)據(jù)流。

AVB可以實現(xiàn)全雙工的工作模式，每幀的數(shù)據(jù)量和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型有關(guān)，也和時間間隔有關(guān)，從圖14中不難看出，不同類型的數(shù)據(jù)所占用的字節(jié)并不是一個絕對的固定值。流量整形固定了實時數(shù)據(jù)流（音、視頻流）的發(fā)送時間間隔和幀大小，當(dāng)傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流（郵件、網(wǎng)頁等）進入網(wǎng)絡(luò)時，會不會對實時數(shù)據(jù)流有所影響呢？

802.1Q a v：排隊及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Q u e u i n g a n d Forwarding Protocol，簡稱Qav）

Qav協(xié)議的作用是確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流不會干擾到AVB的實時數(shù)據(jù)流。AVB交換機把收到的各種數(shù)據(jù)分類，分別進入不同的轉(zhuǎn)發(fā)隊列，并重新賦予優(yōu)先級，其中實時音視頻流數(shù)據(jù)擁有最高優(yōu)先級。為了避免沖突需要兩種調(diào)度算法，一種是基于可信因子的整形算法CBS（credit based shaper transmission selection algorithm），一種是嚴(yán)格的優(yōu)先級選擇算法。各種不同的普通數(shù)據(jù)按照嚴(yán)格的優(yōu)先級算法進行調(diào)度，當(dāng)與流數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時，則調(diào)用CBS算法。

對時間敏感的實時數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)采用偽同步模式（Pseudo-synchronous），這個機制依賴于精準(zhǔn)時間同步協(xié)議（PTP）提供的8kHz時鐘。在每隔125μs的時間間隙（1÷8000=0.000125s=125μs），包含AVB數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)等時幀就會被進行轉(zhuǎn)發(fā)。在優(yōu)先保證等時幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，繼續(xù)提供普通異步傳輸?shù)姆?wù)，這就是Qav的優(yōu)先級管理（Prioritize）及流量整形（Traffic Shaping）。

當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過多個交換機進行傳輸時，即使在相同的帶寬下，也會因為路徑不同導(dǎo)致傳輸時間的偏差，如何保證在整個網(wǎng)絡(luò)里都具備相同的時間間隔呢？還需要一個時鐘同步機制，將網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備同步到相同的時鐘上，來提高AVB流量整形的精準(zhǔn)度。

802.1AS：精準(zhǔn)時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）

時鐘同步的目的是維護一個全局一致的物理或邏輯時鐘，或者說把分布在各地的時鐘對準(zhǔn)（同步起來），使得系統(tǒng)中的信息、事件有一個全局一致的解釋。IEEE802.1AS采用點對點的工作模式，時間同步過程只在相鄰設(shè)備之間進行，設(shè)備自己通過外帶方式實現(xiàn)接口之間的時間同步，不經(jīng)過內(nèi)部交換板。它定義了主時鐘選擇與協(xié)商算法、路徑延時測算與補償算法、以及時鐘頻率匹配與調(diào)節(jié)的機制，可用于生成時鐘以及對網(wǎng)絡(luò)音視頻系統(tǒng)的修復(fù)。PTP定義了一個自動協(xié)商網(wǎng)絡(luò)主時鐘的方法，即最優(yōu)主時鐘算法（Best Master Clock Algorithm，簡稱BMCA）。BMCA定義了底層的協(xié)商和信令機制，用于標(biāo)識出AVB局域網(wǎng)內(nèi)的主時鐘（Grandmaster）。

IEEE802.1AS的核心在于時間戳機制（Time stamping）。PTP消息在進出具備IEEE802.1AS功能的端口時，會根據(jù)協(xié)議觸發(fā)對本地實時時鐘（RTC）的采樣，將自己的RTC值與來自該端口相對應(yīng)的主時鐘（Master）的信息進行比較，利用路徑延遲測算和補償技術(shù)，將其RTC時鐘值匹配到PTP域的時間。當(dāng)PTP同步機制覆蓋了整個AVB局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備間就可以通過周期性的PTP消息交換精確的實時時鐘調(diào)整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節(jié)點都將同步到相同的“掛鐘”（Wall Clock）時間，即Grandmaster時間。消息交換過程如下：

1. Master發(fā)送Sync消息，記下該消息的本地發(fā)送時間t1。

2. Slave接收到Sync消息，并記下其接收到該消息的本地時間t2。

3. Master有兩種方式告訴Slave該Sync消息的發(fā)送時間t1。

（1）將t1時間嵌入到Sync消息中，這需要某種硬件處理以獲得高精度；

（2）在后續(xù)的Follow_Up消息中發(fā)送。

4. Slave發(fā)送Delay_Req消息往Master，并記下發(fā)送時間t3。

5. Master接收到Delay_Req，并記下該消息到達時間t4。

6. Master發(fā)送Delay_Resp消息告知Slave t4。

利用這四個時間可以算出Master和Slave之間的時鐘差值，前提是鏈路是對稱的，即發(fā)送和接收延時一樣。計算公式為：

offset = （（t2 - t1） - （t4 - t3））/2

one_way_delay = （（t2 - t1） + （t4 - t3））/2

在最大7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1μs以內(nèi)。由于串行連接交換機會影響延時的對稱性，使同步精度降低，因此在構(gòu)架AVB網(wǎng)絡(luò)時建議采用對稱的鏈路設(shè)計。

一旦主時鐘被選定，所有局域網(wǎng)節(jié)點的PTP設(shè)備將以此主時鐘為參考值，如果Grandmaster發(fā)生變化，整個AVB網(wǎng)絡(luò)也能通過BMCA在最短時間內(nèi)確定新的主時鐘，確保整個網(wǎng)絡(luò)保持時間同步。

該標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的協(xié)議嚴(yán)格保證了實時數(shù)據(jù)流在基于以太網(wǎng)延時固定或?qū)ΨQ的傳輸媒質(zhì)中的同步傳送。其內(nèi)容包括在網(wǎng)絡(luò)正常運行或添加、移除或重新配置網(wǎng)絡(luò)組件和網(wǎng)絡(luò)故障時，對時間同步機制的維護，為以太網(wǎng)提供完美的低延遲、低抖動的時鐘，保證高質(zhì)量的帶寬，使服務(wù)快速抵達。

在確保了時間精準(zhǔn)之后，如果帶寬不充足會導(dǎo)致漏桶很快存滿并且有數(shù)據(jù)溢出，如果是音、視頻數(shù)據(jù)溢出被丟棄，就會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的問題，還有可能丟失掉一部分聲音或畫面，因此我們還需要保證有足夠的帶寬可以傳輸實時音視頻數(shù)據(jù)流。

802.1Qat：流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）

為了提供有保障的QoS，流預(yù)留協(xié)議確保了實時數(shù)據(jù)流設(shè)備間端到端的帶寬可用性。如果所需的路徑帶寬可用，整個路徑上的所有設(shè)備（包括交換機和終端設(shè)備）將會對此資源進行鎖定。符合SRP標(biāo)準(zhǔn)的交換機能夠?qū)⒄麄€網(wǎng)絡(luò)可用帶寬資源的75%用于AVB鏈路，剩下25%的帶寬留給傳統(tǒng)的以太網(wǎng)流量。

在SRP中，流服務(wù)的提供者叫做Talker，流服務(wù)的接收者叫做Listener。同一個Talker提供的流服務(wù)可同時被多個Listener接收，SRP允許只保障從Talker到Listener的單向數(shù)據(jù)流流動。

只要從Talker到多個Listener中的任意一條路徑上的帶寬資源能夠協(xié)商并鎖定，Talker就可以開始提供實時數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)。SRP內(nèi)部周期性的狀態(tài)機制維護著Talker及Listener的注冊信息，能夠動態(tài)的對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)進行監(jiān)測并更新其內(nèi)部注冊信息數(shù)據(jù)庫，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)改變。無論Talker還是Listener，都可以隨時加入或者離開AVB的網(wǎng)絡(luò)，而不會對AVB網(wǎng)絡(luò)的整體功能和狀態(tài)造成不可恢復(fù)的影響。

1722：音視頻橋接傳輸協(xié)議（Audio/Video Bridging Transport Protocol，簡稱AVBTP）

AVBTP定義了局域網(wǎng)內(nèi)提供實時數(shù)據(jù)流服務(wù)所需的二層數(shù)據(jù)格式，實時數(shù)據(jù)流的建立、控制及關(guān)閉協(xié)議。AVBTP為物理上分隔的音、視頻編解碼器之間建立了一條帶有低延遲的虛擬鏈路。

各種壓縮的與非壓縮的原始音頻、視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)由AVBTP協(xié)議進行打包（填充由SRP保留的流ID，打上PTP產(chǎn)生的時間戳以及媒體類型等相關(guān)信息），通過AVBTP專用的以太網(wǎng)幀類型進行組播，從流服務(wù)的提供者（Talker）發(fā)出，由AVB交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)，再被注冊過此實時數(shù)據(jù)流服務(wù)的接收者（Listener）接收并解包、解碼然后輸出。

AVBTP每125μs發(fā)送一次這個幀，它總是相同大小的數(shù)據(jù)流。每個流中可以由1-60個通道組成，最多可支持64個流。

AVB——以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務(wù)組于2005開始制定的一套基于新的以太網(wǎng)架構(gòu)的協(xié)議，用于實時音視頻的傳輸協(xié)議集。除了以上描述的相關(guān)協(xié)議之外，還包括：

802.1BA：音視頻橋接系統(tǒng)（Audio Video Bridging Systems）

AVB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列在生產(chǎn)制造AVB兼容設(shè)備過程中使用的預(yù)設(shè)值和設(shè)定，使得不具備網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗的用戶也能夠去建立、使用AVB網(wǎng)絡(luò)，而不必對其進行繁瑣的配置。

1733：實時傳輸協(xié)議（R e a l-T i m e T r a n s p o r t Protocol，簡稱RTP）

RTP是一種基于三層UDP/IP網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，為了在基于IP的三層應(yīng)用上利用二層AVB的性能，IEEE 1733對RTP進行了擴展，在通過橋接及路由的局域網(wǎng)內(nèi)提供時間同步、延遲保障和帶寬預(yù)留的服務(wù)，以提供實時數(shù)據(jù)頻流的傳輸。其中涉及到封包格式，流的建立、控制、同步及關(guān)閉等協(xié)議。

1722.1：負(fù)責(zé)設(shè)備搜尋、列舉、連接管理、以及基于1722的設(shè)備之間的相互控制。用于AVB設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，枚舉，連接管理，固件升級等。

TSN （Time Sensitive Network）時間敏感網(wǎng)絡(luò)

IEEE 802.1任務(wù)組在2012年11月的時候正式將AVB更名為TSN——Time Sensitive Network時間敏感網(wǎng)絡(luò)。也就是說，AVB只是TSN中的一個應(yīng)用。

此外，TSN還應(yīng)用在汽車控制領(lǐng)域、商用電子領(lǐng)域、實時監(jiān)控或?qū)崟r反饋的工業(yè)領(lǐng)域。如果大家想更多的了解有關(guān)TSN網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，可以瀏覽AVnu聯(lián)盟的網(wǎng)站http：//avnu.org/