《下一代网络音视频实时传输技术 – AVB》

山東男孩

1982年12月IEEE 802.3标准的发布，标志着以太网技术的起步。经过不到30年的发展时间，以太网的传输速度已经从最初的10Mbps发展到100Mbps、1000Mbps、10Gbps，甚至即将出现的100Gbps。以太网低廉的端口价格和优越的性能，使得以太网占据了整个局域网的85%左右，而基于以太网的网桥、集线器、交换机和路由器则构成了互联网体系相当重要的组成部分。

近十几年来，消费者对于以太网上的多媒体应用的需求日益剧增，这对网络的带宽及服务质量都提出了更高的要求。不过，由于以太网原本只设计用于处理纯粹的静态非实时数据和保证其可靠性，至于顺序和包延迟等并非作为重要的考虑因素。尽管传统二层网络已经引入了优先级(Priority)机制，三层网络也已内置了服务质量（QoS）机制，但由于多媒体实时流量与普通异步TCP流量存在着资源竞争，导致了过多的时延（Delay）和抖动（Jitter），使得传统的以太网无法从根本上满足语音、多媒体及其它动态内容等实时数据的传输需要。


IEEE 802.1 AVB工作组正致力于制定一系列的新标准，对现有的以太网进行功能扩展，通过建立高质量、低延迟、时间同步的音视频以太网络，为家庭或企业提供各种普通数据及实时音视频流的局域网配套解决方案。


Ethernet AVB网络的构成


为了在以太网上提供同步化低延迟的实时流媒体服务，需要建立AVB网络，称之为AVB“云”（Cloud）。AVB“云”的建立需要至少速度在100Mbps以上的全双工（Full-duplex）以太链路，这就需要能保障传输延迟的AVB交换机(Switch)和终端设备(End Point)，以及逻辑链路发现协议（IEEE 802.1AB - LLDP），用于设备之间交换支持AVB的协议信息。


如图1所示，在AVB“云”内，由于延迟和服务质量得到保障，能够高质量地提供实时的流媒体服务。同时，AVB网络保持与传统以太网的兼容，也能够连接到传统的交换机、集线器和终端设备。但由于集线器的半双工（Half-duplex）特性，以及传统以太网交换机不具有AVB功能，无法完全保障其流媒体服务的实时性，因此在AVB“云”外，只保障普通的最大交付功能（Best Effort）并与AVB网络相连。






Ethernet AVB解决的问题


流媒体服务在如今的以太网上已经得到广泛应用。虽然通过缓冲（Buffer）及自适应时钟恢复技术(Adaptive Clock Recovery)能够在一定程度上解决网络时延和抖动带来的问题，但这本身又会引入更多的延迟，而超过AV应用本身所允许的误差范围，并且恢复的时钟也没有足够的精度对不同位置的AV信号进行同步。为此，AVB定义了高精度的时钟同步协议（IEEE 802.1AS），为以太网提供完美的低延迟、低抖动的时钟。


为了解决网络中AV实时流量与普通异步TCP流量之间的竞争问题，AVB定义了流预留协议（IEEE 802.1Qat），通过协商机制，在AV流从源设备到不同交换机再到终端设备的整个路径上预留出所需的带宽资源，以提供端到端（End-to-End）的服务质量及延迟保障。


此外，依赖于时间同步的AV流在从源设备、途径不同交换机、再到达目的设备的路径中，还需要指定包转发（Forwarding）及队列（Queuing）的算法，以避免交换机和设备端点中大量TCP等异步流量导致的抖动，并严格保持在250μs的时隙内转发AV流。


AVB规定了A类（Class A）和B类（Class B）两种音视频流，对应的以太网帧率（Frame Rate）分别为125μs和250μs。根据IEEE 802.1D的规定，局域网中最大的网桥直径为7跳（Hops）。所以，在7跳的局域网环境中，每跳250μs的延迟将使得整个数据流量的最大延迟不大于2ms，这无疑使得流服务应用不需要依赖过多的缓存，降低对硬件资源的要求，使得更多资源紧凑的设备也能实现AVB的功能。

IEEE 802.1 AVB标准概览


鉴于以太网的简单、价格低廉及性能优越的特性，使得以太网在如今的计算机网络中占据了主导性的地位。在研究制定AVB的过程中，IEEE标准委员会的目标就是在保持完全兼容现有以太网体系的基础上，对其功能进行扩展，以提供稳定的实时音视频传输。

为此，4个IEEE 802.1 AVB标准形成了AVB的基础体系，它们分别是：

一、精准时间同步协议（Precision Time Protocol ，简称PTP）-- IEEE 802.1AS：“Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks”；

二、流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP） -- IEEE 802.1Qat：“Virtual Bridged Local Area Networks – Amendment 9: Stream Reservation Protocol (SRP)”；

三、队列及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav） -- IEEE 802.1Qav：“Virtual Bridged Local Area Networks – Amendment 11: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams”；

四、音视频桥接系统（Audio/Video Bridging Systems）-- IEEE 802.1BA：“Local and Metropolitan Area Networks—Audio Video Bridging (AVB) Systems”；


此外，还有另外两个使用IEEE 802.1 AVB来提供高质量专业音视频的标准：

一、（二层）音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP） -- IEEE 1722：“Layer 2 Transport Protocol for Time Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks”;

二、（三层）实时传输协议（Real-time Transport Protocol，简称RTP）-- IEEE 1733：“Layer 3 Transport Protocol for Time Sensitive Applications in Local Area Networks”。


关于AVB的详细信息及进展情况，可以访问其官方网址

http://www.ieee802.org/1/pages/avbridges.html


图2为IEEE 802.1 AVB的协议栈框图。






IEEE 802.1AS精准时间同步协议（PTP）：PTP基于IEEE 1588:2002协议，定义了整个网络的时钟同步机制。通过定义主时钟选择与协商算法、路径延迟测算与补偿、以及时钟频率匹配与调节的机制，PTP设备交换标准的以太网消息，将网络各个节点的时间都同步到一个共同的主时钟。作为IEEE 1588协议的一个简化版本，IEEE 802.1AS与1588的最大区别在于PTP是一个完全基于二层网络，非IP路由的协议。与IEEE 1588一样，PTP定义了一个自动协商网络主时钟的方法，即最优主时钟算法（Best Master Clock Algorithm，简称BMCA）。BMCA定义了底层的协商和信令机制，用于标识出AVB局域网内的主时钟（Grandmaster）。一旦主时钟被选定，所有局域网节点的PTP设备将以此主时钟为参考值，如果Grandmaster发生变化，整个AVB网络也能通过BMCA在最短时间确定新的主时钟，确保整个网络保持时间同步。802.1AS的核心在于时间戳机制（Timestamping）。PTP消息在进出具备802.1AS功能的端口时，会根据协议触发对本地实时时钟（RTC）的采样，将自己的RTC值与来自该端口相对应的主时钟（Master）的信息进行比较，利用路径延迟测算和补偿技术，将其RTC时钟值匹配到PTP域的时间。当PTP同步机制覆盖了整个AVB局域网，各网络节点设备间就可以通过周期性的PTP消息的交换精确地实现时钟调整和频率匹配算法。最终，所有的PTP节点都将同步到相同的“挂钟”（Wall Clock）时间，即Grandmaster时间。在最大7跳的网络环境中，理论上PTP能够保证时钟同步误差在1μs以内。


IEEE 802.1Qat流预留协议（SRP）：传统IEEE 802网络标准的特性限制了其无法将普通异步流量与时间敏感的流媒体流量进行优先级划分。为了提供有保障的服务质量（QoS），流预留协议（SRP）确保了AV流设备间端到端的带宽可用性。如果所需的路径带宽可用，整个路径上的所有设备（包括交换机和终端设备）将会对此资源进行锁定。SRP利用IEEE 802.1ak多注册协议（Multiple Registration Protocol，简称MRP）来传递消息，以交换AV流的带宽描述消息并对带宽资源进行预留。符合SRP标准的交换机能够将整个网络可用带宽资源的75%用于AVB链路，剩下25%的带宽留给传统的以太网流量。在SRP中，流服务的提供者叫做Talker，流服务的接收者叫做Listener。同一个Talker提供的流服务可同时被多个Listener接收，SRP允许只保障从Talker到Listener的单向数据流流动。只要从Talker到多个Listener中的任意一条路径上的带宽资源能够协商并锁定，Talker就可以开始提供实时AV服务。SRP内部周期性的状态机维护着Talker及Listener的注册信息，能够动态的对网络节点状态进行监测并更新其内部注册信息数据库，以适应网络拓扑的动态改变。无论Talker还是Listener，都可以随时加入或离开AVB的网络，而不会对AVB网络的整体功能和状态造成不可恢复的影响。SRP包含注册（Registration）和预留（Reservation）两部分，Talker对AV流所需带宽资源进行协商预留，Listener则注册并接收所需的AV流。


IEEE 802.1Qav队列及转发协议（Qav）：Qav队列及转发协议的作用是确保传统的异步以太网数据流量不会干扰到AVB的实时音视频流。时间敏感的AV流转发采用伪同步模式（Pseudo-synchronous），这个机制依赖于SRP提供沿路经的预留带宽以及为PTP提供8Khz的时钟。在每个125us的时隙，包含AVB数据的802.3以太网等时帧（Isochronous）就会被进行转发。同时，为了避免普通数据流量与AVB流量之间的对网络资源的竞争，AVB交换机内对时间敏感的AV流和普通数据流进行了区别处理，将等时帧与异步帧分别进行排队，并且赋予等时帧最高的优先级。在优先保证等时帧传输的条件下，继续提供普通异步传输的服务，这就是Qav的优先级管理（Prioritize）及流量整形（Traffic Shaping）。尽管终端及交换机设备都需要相应机制保障75%的带宽资源用于AVB应用，但802.1Qav的大部分实现将由AVB交换机负责。


IEEE 802.1BA AVB系统标准：AVB系统标准定义了一系列在生产制造AVB兼容设备过程中使用的预设值及设定，使得不具备网络经验的用户也能够去建立、使用AVB网络，而不必对其进行繁琐的配置。目前IEEE 802.1 AVB工作组的主要精力集中在其它三个主要协议上（IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qat和IEEE 802.1Qav），这个标准还处于相当粗略的阶段。


IEEE 1722 音视频传输协议（AVBTP）：AVBTP定义了局域网内提供实时音视频流服务所需的二层包格式，AV流的建立、控制及关闭协议。AVBTP为物理上分隔的音视频编解码器之间建立了一条带有低延迟的虚拟链路，它使用与IEEE 1394同样的流格式进行数据传输及AV同步。 AVBTP所采用的IEC 61883格式如下：

· IEC 61883-2: SD-DVCR data transmission

· IEC 61883-4: MPEG2-TS data transmission

· IEC 61883-6: Audio and music data transmission protocol

· IEC 61883-7: Transmission of ITU-R BO.1294 System B

· IEC 61883-8: Transmission of ITU-R BT.601 style Digital Video Data

· IIDC 1394-based Digital Camera Specification


各种压缩的与非压缩的原始音频视频数据流经由AVBTP协议进行打包（填充由SRP保留的流ID，打上PTP产生的时间戳以及媒体类型等相关信息），通过AVBTP专用的以太网帧类型进行组播，自流媒体服务者（ Talker）发出，由AVB交换机进行转发，再被注册过此AV流服务的接收者（Listener）接收并解包、解码然后输出。


IEEE 1733 实时传输协议（RTP）：RTP是一种目前应用最广泛的实时流媒体协议，与IEEE 802.1 AVB那样完全基于二层的标准不同，RTP是一种基于三层UDP/IP网络的协议。为了在基于IP的三层应用上利用二层AVB的性能，IEEE 1733对RTP进行了扩展，在通过桥接及路由的局域网内提供时间同步、延迟保障和带宽预留的服务，以提供实时音视频流的传输。其中涉及到封包格式，流的建立、控制、同步及关闭等协议。


AVB的历史、现状及未来


最初源于一个802.3的研究小组，于2005年11月转而成立IEEE 802.1AVB工作组（Audio/Video Bridging Task Group），开始着手研究制定一系列的协议，以增强现有802网络的功能，使得基于以太网的实时音视频传输技术从计划逐步走向试验阶段，并即将走向市场。

目前，AVB的每一项标准都仍处于草案或投票阶段，并有望在2010年或2011年完成定稿工作。当前AVB工作组的主要精力专注在802.3以太网上，基于802.11无线网络的AVB细节将会是下一步的重点。

来自两个阵营的力量在推动着以太网AVB的发展，一组是以哈曼(Harman International)和BMW为代表的系统产品厂商，致力于提供一套基于标准的方案来为演播室、影剧院、音乐会现场及汽车娱乐系统等提供稳定可靠的音视频服务；另一组是以博通(Broadcom)、迈威(Marvell)和赛灵思(Xilinx)为代表的芯片厂商，希望提供低延时、供家庭及企业使用的同步音视频网络。

作为以太网AVB技术的领军人物之一，哈曼正与其战略合作伙伴博通、赛灵思紧密合作，投入巨大的研发力量，积极参与到AVB的协议制定及实验工作中。哈曼已于2009年4月在美国旧金山举行的第125界AES大会上展出了哈曼专业系统(Harman Professional)旗下的第一款符合IEEE 802.1 AVB标准草案的产品。该系统由一个dbx SC32数字矩阵处理器(Talker)、一个Crown音频放大器(Listener)和一个内置博通以太网AVB芯片的交换机(Switch)组成，通过网线将3个设备连接起来。模拟音频信号经由dbx SC32输入，进行数字化采样，送入dbx SC32内置的赛灵思以太网AVB卡进行处理并打包送入AVB网络，然后以太网AVB交换机对此AVB音频流进行转发，最终到达Crown音频放大器设备，紧接着Crown音频放大器对此AVB音频流进行解包，最后经解码后输出到外置喇叭。


关于哈曼


哈曼（Harman International Industries, Incorporated.）是总部位于美国康涅狄格州斯坦福(Stamford, Connecticut)的一家集设计、生产和市场一体，专门面向汽车电子、消费和专业音频及娱乐信息系统产品的公司。作为在其行业内的领导者，哈曼在美洲、欧洲和亚洲均有广阔市场及分支机构，全球雇员超过11000人。哈曼国际旗下有众多世界知名品牌，包括AKG, Audioaccess, Becker, BSS, Crown, dbx, DigiTech, Harman Kardon, Infinity, JBL, Lexicon, Mark Levinson, Revel, QNX, Soundcraft 和 Studer。哈曼国际在纽约证券交易所上市交易，其交易代号为“NYSE: HAR”。

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