這周老師讓我閱讀2013年Rate會議上Wilfried Steiner 做的報告:”Deterministic Ethernet: Standardization in Progress and Beyond”，順便對802.1中的AVB&TSN相關協議內容進行報告，所以正好順便整理一下相關知識。
1982年12月IEEE 802.3標準的發佈，標誌着以太網技術的起步。與以太網不同，確定性以太網（Deterministic
Ethernet）的目標是使以太網能夠更好適用於具有實時性和容錯性的應用。IEEE 802.1爲爲局域網（LAN）和城域網架構（MAN）的一般架構提供了標準。與IEEE 802.3結合起來，他們爲以太網交換機提供了一個工作標準。AVB協議族的出現，使IEEE 802.1跨入了實時通信領域，TSN協議族的產生，使IEEE 802.11走進了硬實時和可靠通信的領域。
AVB相關協議
近十幾年來，消費者對於以太網上的多媒體應用的需求日益劇增，但由於以太網原本只設計用於處理純粹的靜態非實時數據和保證其可靠性，至於順序和包延遲等並非作爲重要的考慮因素。儘管傳統二層網絡已經引入了優先級(Priority)機制，三層網絡也已內置了服務質量（QoS）機制，但由於多媒體實時流量與普通異步TCP流量存在着資源競爭，導致了過多的時延（Delay）和抖動（Jitter），使得傳統的以太網無法從根本上滿足語音、多媒體及其它動態內容等實時數據的傳輸需要。
IEEE 802.1 AVB工作組制定了一系列的新標準，在保持完全兼容現有以太網體系的基礎上，對現有的以太網進行功能擴展，通過保障帶寬（Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），通過建立高質量、低延遲、時間同步的音視頻以太網絡，提供各種普通數據及實時音視頻流的局域網配套解決方案。
AVB體系主要包括四個標準：
- 802.1AS 精準時間同步協議 （Precision Time Protocol ，簡稱PTP）: 提供低延遲、低抖動的時鐘。
Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks: a protocol and technique to synchronize local clocks in the network to each other. - 802.1Qat流預留協議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP） :解決網絡中AV實時流量與普通異步TCP流量之間的競爭問題。通過協商機制，在AV流從源設備到不同交換機再到終端設備的整個路徑上預留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務質量及延遲保障。
a protocol that allows applications to dynamically reserve bandwidth in the network. - 802.1Qav 隊列及轉發協議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱Qav）: 解決網絡中AV實時流量與普通異步TCP流量之間的競爭問題。通過協商機制，在AV流從源設備到不同交換機再到終端設備的整個路徑上預留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務質量及延遲保障。
Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams: an enhancement over strict priority based forwarding and queueing mechanisms that establishes fairness properties for lower priority traffic in the network. - 802.1BA音視頻橋接系統標準（Audio/Video Bridging Systems，簡稱AVB）:definition of profiles for AVB systems.
802.1AS 精準時間同步協議 PTP：
PTP基於IEEE 1588:2002協議，定義了整個網絡的時鐘同步機制。通過定義主時鐘選擇與協商算法、路徑延遲測算與補償、以及時鐘頻率匹配與調節的機制，PTP設備交換標準的以太網消息，將網絡各個節點的時間都同步到一個共同的主時鐘。作爲IEEE 1588協議的一個簡化版本，IEEE 802.1AS與1588的最大區別在於PTP是一個完全基於二層網絡，非IP路由的協議。與IEEE 1588一樣，PTP定義了一個自動協商網絡主時鐘的方法，即最優主時鐘算法（Best Master Clock Algorithm，簡稱BMCA）。BMCA定義了底層的協商和信令機制，用於標識出AVB局域網內的主時鐘（Grandmaster）。一旦主時鐘被選定，所有局域網節點的PTP設備將以此主時鐘爲參考值，如果Grandmaster發生變化，整個AVB網絡也能通過BMCA在最短時間確定新的主時鐘，確保整個網絡保持時間同步。802.1AS的核心在於時間戳機制（Timestamping）。PTP消息在進出具備802.1AS功能的端口時，會根據協議觸發對本地實時時鐘（RTC）的採樣，將自己的RTC值與來自該端口相對應的主時鐘（Master）的信息進行比較，利用路徑延遲測算和補償技術，將其RTC時鐘值匹配到PTP域的時間。當PTP同步機制覆蓋了整個AVB局域網，各網絡節點設備間就可以通過週期性的PTP消息的交換精確地實現時鐘調整和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節點都將同步到相同的“掛鐘”（Wall
Clock）時間，即Grandmaster時間。在最大7跳的網絡環境中，理論上PTP能夠保證時鐘同步誤差在1μs以內。
802.1Qat流預留協議 SRP:
傳統IEEE 802網絡標準的特性限制了其無法將普通異步流量與時間敏感的流媒體流量進行優先級劃分。爲了提供有保障的服務質量（QoS），流預留協議（SRP）確保了AV流設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備（包括交換機和終端設備）將會對此資源進行鎖定。SRP利用IEEE 802.1ak多註冊協議（Multiple Registration Protocol，簡稱MRP）來傳遞消息，以交換AV流的帶寬描述消息並對帶寬資源進行預留。符合SRP標準的交換機能夠將整個網絡可用帶寬資源的75%用於AVB鏈路，剩下25%的帶寬留給傳統的以太網流量。在SRP中，流服務的提供者叫做Talker，流服務的接收者叫做Listener。同一個Talker提供的流服務可同時被多個Listener接收，SRP允許只保障從Talker到Listener的單向數據流流動。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商並鎖定，Talker就可以開始提供實時AV服務。SRP內部週期性的狀態機維護着Talker及Listener的註冊信息，能夠動態的對網絡節點狀態進行監測並更新其內部註冊信息數據庫，以適應網絡拓撲的動態改變。無論Talker還是Listener，都可以隨時加入或離開AVB的網絡，而不會對AVB網絡的整體功能和狀態造成不可恢復的影響。SRP包含註冊（Registration）和預留（Reservation）兩部分，Talker對AV流所需帶寬資源進行協商預留，Listener則註冊並接收所需的AV流。
802.1Qav 隊列及轉發協議 Qav:
Qav隊列及轉發協議的作用是確保傳統的異步以太網數據流量不會干擾到AVB的實時音視頻流。時間敏感的AV流轉發採用僞同步模式（Pseudo-synchronous），這個機制依賴於SRP提供沿路經的預留帶寬以及爲PTP提供8Khz的時鐘。在每個125us的時隙，包含AVB數據的802.3以太網等時幀（Isochronous）就會被進行轉發。同時，爲了避免普通數據流量與AVB流量之間的對網絡資源的競爭，AVB交換機內對時間敏感的AV流和普通數據流進行了區別處理，將等時幀與異步幀分別進行排隊，並且賦予等時幀最高的優先級。在優先保證等時幀傳輸的條件下，繼續提供普通異步傳輸的服務，這就是Qav的優先級管理（Prioritize）及流量整形（Traffic
Shaping）。儘管終端及交換機設備都需要相應機制保障75%的帶寬資源用於AVB應用，但802.1Qav的大部分實現將由AVB交換機負責。
802.1BA音視頻橋接系統標準 AVB:
AVB系統標準定義了一系列在生產製造AVB兼容設備過程中使用的預設值及設定，使得不具備網絡經驗的用戶也能夠去建立、使用AVB網絡，而不必對其進行繁瑣的配置。目前IEEE 802.1 AVB工作組的主要精力集中在其它三個主要協議上（IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qat和IEEE 802.1Qav），這個標準還處於相當粗略的階段。
