——Biamp亞太區高級工程師 Kane Zhang
【專業視聽網報道】：[摘要]AVB-Audio Video Bridging(中文“音視頻橋”)是一項新的以太網標準，由IEEE 802.1任務組於2005開始制定。其中包括：帶寬預留(Bandwidth Reservation Protocol)、精準時鐘同步(Precision Time Protocol)、流量控制(Traffic Shaping)以及連接和控制(AVDECC)。此任務組於2012年正式更名爲TSN-Time Sensitive Network即時間敏感網絡。主要應用於各種支持低延時及基於時間同步數據傳輸的以太網協議。本文主要闡述TSN在專業音視頻領域的應用——AVB。
[關鍵詞]AVB - Audio Video Bridging音視頻橋、TSN – Time Sensitive Network時間敏感網絡
前言：
縱覽過去的十年，得益於統一的行業標準，IT行業的技術飛速進步。從最開始的常規10M網到今天隨處可見的10G高速網，網絡幾乎影響着人們日常生活的每個角落。相比之下，音視頻行業的發展卻未盡如人意。爲網絡音頻和視頻傳輸設立技術標準，一直是 AV 行業過去二十年來的目標。迄今爲止，由於缺乏行業公認的網絡標準造成有關空白，令許多製造商各自爲戰，開發專有解決方案試圖填補這一空白。然而付出未必有回報，單一技術無法解決所有數字音視頻網絡的難題。這些解決方案都不可能成爲統一的行業標準。自2005年AVB問世以來爲包括音視頻行業在內的所有具有實時傳輸需要的應用指明瞭方向。2012年，AVB網絡正式更名爲TSN網絡，從此基於以太網絡的局域網技術步入了新紀元，TSN時間敏感網絡正式取代傳統以太網登上了歷史的舞臺。
1) “傳統以太網”的誕生
我們通常認爲以太網是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）於1973年提出的。並於1982年（Ethernet V2）投入商業市場且很快擊敗了與其同期的令牌環、FDDI和ARCNET等其他局域網技術被全球普遍採用。以太網技術從根本上解決了在局域網內的信息互傳/共享的問題。然而在創建之初，以太網只考慮了一些非實時的靜態信息。例如：文字和圖片。即便是共享音頻和視頻，但只限於下載和互傳。
1982年，第一臺CD機在日本問世。這標誌着音視頻從此由純模擬走入了“數字化”。而1996年由互聯網工程任務組(IETF)開發的RTP（Realtime Transport Protocol）則奠定了音視頻在網絡中傳輸的基礎，也就是說音視頻又實現了從“數字化”進化到了“網絡化”。之後的VoIP正是借用了RTP技術實現了在全球互聯網上的“網絡化數字通訊”。
由於本文即將闡述“時間敏感網絡”，因此，爲了加以區別，我們將目前大家所熟知的以太網稱爲“傳統以太網”。那麼究竟“傳統以太網”是如何工作的呢？
2) “傳統以太網”的基本原理
首先我們先要搞清楚以太網的工作原理。以太網是當今現有局域網採用的最廣泛的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及衝突檢測）技術，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進行組網。包括標準的以太網(10Mbit/s)、快速以太網(100Mbit/s)、千兆網(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太網。它們都符合IEEE802.3。(注：bps=bit/s)
以千兆網(1Gbit/s)爲例：假如說交換機的端口帶寬是1Gbps，則說明每秒可傳輸1000,000,000個二進制的“位”。大家一定要注意以太網中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說在網卡的物理端口會在每一個單位時間內“寫入”或是“讀取”一個電位值(0或1)。那麼這個單位時間對於1Gbps帶寬來說就是1÷1000,000,000=1ns。如圖一所示：
圖一
每8個位(bit)相當於1個字節(Byte)。多個字節(Byte)可以組成一個數據幀。以太網傳輸數據是以幀爲單位的。以太網規定每一個數據幀的最小字節是64byte，最大字節是1518byte。實際上每個數據幀之間還會有一個12字節的間隔。如圖二所示：
圖二
3) 如何理解網絡帶寬？
正確理解網絡帶寬是理解“時間敏感網絡”的前提。我們先舉個例子：如果我們有10個數據流（當然每個數據流中會有成千上萬個數據幀），每個數據流的帶寬是100Mbps，那麼這10個數據流可以通過1Gbps的帶寬嗎？我們可以用圖三來表示嗎？
圖三
首先，這種表示方法是錯誤的。因爲正如我們前文所說，網絡是串行的，而上圖所表示的方法是並行的。這個例子的正確答案是“不一定”。
如圖四所示纔是帶寬的正確表示方法。在這裏，你應該把1G的帶寬想象成在理想情況下，可以有包含總數爲109二進制位的數據幀在1秒鐘通過。通常數據幀都不會佔用整個帶寬，每一段數據流（包含很多的數據幀）在單位時間內運行，也就是我們所說的每個數據流所佔用的帶寬。一定要記住，網絡中所有的數據幀都是串行通訊。
圖四
想通了這個問題，我們假設如果這10個100M的數據流能夠頭尾相連，嚴格按時間順序排列如圖五所示，那麼答案是：“可以”。也就是說在理想情況下，這10個100M的數據流可以在1Gbps的帶寬下順利傳到對端。
圖五
但大多數情況下，由於帶寬通常是由多個設備共享的，這也是以太網的優勢所在。而且所有的發送端沒有基於時間的流量控制，那麼這些發送端永遠是盡最大可能發送數據幀。這樣來自不同設備的數據流就會在時間上產生重疊，即我們通常所說的衝突。如圖六所示，在這種情況下，答案就是：“不行”。因爲所有數據流重疊/衝突的部分會遵循QoS優先機制進行轉發，一部分的數據包肯定會被丟棄。
圖六
在IT專業裏有一個不成文的規定。當某個交換機的帶寬佔用率超過40%時就必須得擴容，其目的就是通過提高網絡帶寬來避免擁堵的產生。
4) 什麼是QoS?
QoS（Quality of Service）即服務質量，它提供了針對不同用戶或者不同數據流採用相應不同的優先級，或者是根據應用程序的要求，保證數據流的性能達到一定的水準。
以太網默認的轉發機制叫做“Best Effort”(盡力而爲)。也就是說當數據包抵達端口後，本着先入先出的原則轉發。當網絡的流量稀疏，這本不是一個問題。但在實際環境中，大量的數據包極有可能在一瞬間抵達端口。當然，端口可以在一定程度上緩存並延時轉發，但我們一方面是不能容忍過大的延時轉發，另一方面交換機的物理端口緩存也非常小，不可能有效解決大量數據包瞬間抵達的問題。這種情況下，我們只能對數據中比較重要或是強調實時性的數據包進行優先轉發。這就要依靠QoS來對所有的數據包進行分類和標註，並依據規則來進行較爲智能的轉發。目前市場上較大多數的需要低延時的實時傳輸採用QoS這一技術。但QoS能否徹底解決網絡擁堵的問題嗎？
由於Best Effort的機制，通常具有一定帶寬的一個數據流會在每秒中不同時間段傳輸，儘管所佔用的帶寬相等，但在每個時間段上的時間節點卻不同。如圖七所示，這樣在多個數據流共存的時候，就會很容易產生帶寬重疊的現象，從而導致丟包。
圖七
我們所希望看到的是每一個數據流都儘可能按照時間順序排序從而有效避免不同數據流在同一通道中傳輸時產生重疊，進而提高帶寬的利用率。如圖八所示：
圖八
我們發現實時音視頻流恰好是沿等長的時間間隔發佈數據的。比如說：一個24比特48K採樣的專業音頻通道，每個採樣的時間間隔是20.83 µs。如果我們按照每6個採樣封裝成一個數據包，那麼每個數據包的固定間隔就是125 µs。每個數據包是由兩個部分組成，數據報頭（74字節）+音頻通道採樣數據（24字節X通道數）。
圖九
爲了避免帶寬重疊，我們所需要做的就是將幾個不同的音頻流進行流量整形(Traffic shaping)。以達到提高可靠交付的目的。這裏大家要注意，我指的是流量整形而不是流量控制(Traffic Control)。
比如在一個帶寬裏，有非實時數據和3個實時數據流。未經整形的帶寬，極易產生重疊。
圖十
而經過流量整形每個流所佔的帶寬會在同一個時間節點。所有的非實時流可以見縫插針提高對帶寬的佔用率。這就是AVB的基本原理。
圖十一
AVB不僅可以對發送端比如各種音視頻設備的網絡端口進行流量整形，還可以對交換機中的每個轉發節點進行整形。從而確保每個音視頻流只佔用各自相應的帶寬而不對其他數據產生影響。
由於以太網的發明時間太早，並沒有考慮實時信息的傳輸問題。儘管RTP能在一定程度上保證實時數據的傳輸，但並不能爲按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制。因此，想要對所有的數據包進行排序，就離不開對數據的緩衝（Buffer）。但一旦採用緩衝的機制就又會帶來新的問題—極大的“延時”。換句話說，當數據包在以太網中傳輸的時候從不考慮延時、排序和可靠交付。這時，建立可靠的傳送機制就成了擺在技術人員面前的首要問題。想要解決這些問題，我們可以簡要概括成以下幾點：
1. 必須採用基於MAC地址的傳輸方式即二層傳輸或是基於IP地址UDP的傳輸方式，從而減小數據包的開銷以及降低傳輸延時。
2. 由於二層傳輸和UDP均不屬於可靠交付，因此必須依靠QoS來“儘可能”保障可靠交付。
3. 所有數據包需要有“時間戳”(Time Stamp)，數據抵達後根據數據包頭的“時間戳”進行回放。因此各個網絡終端設備必需進行“時鐘同步”也就是通常所說的時鐘校準。
4. 數據包被轉發時需採用隊列協議按序轉發，從而儘可能做到低延時。
5) 什麼是AVB？
AVB——以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務組於2005開始制定的一套基於新的以太網架構的用於實時音視頻的傳輸協議集。它有效地解決了數據在以太網傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題。同時又保持了100%向後兼容傳統以太網，是極具發展潛力的下一代網絡音視頻實時傳輸技術。其中包括：
1. 802.1AS：精準時間同步協議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）
2. 802.1Qat：流預留協議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）
3. 802.1Qav：排隊及轉發協議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱Qav）
4. 802.1BA：音視頻橋接系統（Audio Video Bridging Systems）
5. 1722：音視頻橋接傳輸協議（Audio/Video Bridging Transport Protocol，簡稱AVBTP）
6. 1733：實時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，簡稱RTP)
7. 1722.1：負責設備搜尋、列舉、連接管理、以及基於1722的設備之間的相互控制。
AVB不僅可以傳輸音頻也可以傳輸視頻。用於音頻傳輸時，在1G的網絡中，AVB會自動通過帶寬預留協議將其中750M的帶寬用來傳輸雙向420通道高質量、無壓縮的專業音頻。而剩下的250M帶寬仍然可以傳輸一些非實時網絡數據。用於視頻傳輸時，可以根據具體應用調節預留帶寬。比如：750M帶寬可以輕鬆傳輸高清full HD視覺無損的視頻信號。並且可以在AVB網絡中任意路由。
AVB中的802.1AS是1588協議在二層架構下一種具體實現。是AVB協議集中最重要的一部分。有關詳細內容，我會在後續的文章中詳細描述。
6) TSN和 AVB
很多人聽說過AVB，但對於TSN卻有些陌生。實際上，IEEE 802.1任務組在2012年11月的時候正式將AVB更名爲TSN – Time Sensitive Network時間敏感網絡。也就是說，AVB只是TSN中的一個應用。那麼TSN究竟有哪些應用呢？
第一個應用就是我們的專業音視頻(Pro AV)。在這個應用領域裏強調的是主時鐘頻率。也就是說，所有的音視頻網絡節點都必須遵循時間同步機制。
第二個應用是在汽車控制領域。目前大多數的汽車控制系統非常複雜。比如說：剎車、引擎、懸掛等採用CAN總線。而燈光、車門、遙控等採用LIN系統。娛樂系統更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網絡。實際上，所有上述系統都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統一管理。可以降低給汽車和專業的A/V設備增加網絡功能的成本及複雜性。
第三個應用是商用電子領域。比如說，你坐在家中，可以通過無線WIFI連接到任何家中的電子設備上，實時瀏覽任何音視頻資料。
最後一個應用也是未來最廣泛的應用。所有需要實時監控或是實時反饋的工業領域都需要TSN網絡。比如：機器人工業、深海石油鑽井以及銀行業等等。TSN還可以用於支持大數據的服務器之間的數據傳輸。全球的工業已經入了物聯網(Internet of Things，IoT)的時代，毫無疑問TSN是改善物聯網的互聯效率的最佳途徑。
圖十二
7) AVnu聯盟(AVnu Alliance)
AVnu是一個行業聯盟，成立於2009年，一直致力於建立和推廣IEEE802.1音視頻橋接 (AVB)網絡標準。Broadcom、Intel、Cisco、Biamp、Harman均屬於該組織的成員。該組織建立了一整套一致性測試流程從而確保所有基於AVB網絡架構的音視頻設備之間的兼容性和互通性。聯盟成員一同致力於將TSN標準應用於Pro AV、Automotive、Consumer Electronics以及Industrial。一旦廠家的產品通過了AVnu的嚴格測試，就可以在其產品上使用AVnu的logo。
如果大家想更多的瞭解有關TSN網絡的問題，可以瀏覽AVnu聯盟的網站http://avnu.org/
參考文獻：
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Audio_Video_Bridging
2. http://avnu.org/faqs/
3. http://www.ieee802.org/1/pages/avbridges.html