了解 IEEE 的確定性 AV 橋接標準

IEEE 802.1 音頻/視頻橋接 (AVB) 任務(wù)組經(jīng)過多年努力，即將完成對傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準的一系列增強，這些標準能夠通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交付時間同步、低延遲的音頻和視頻——具有完美的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)——同時保持與傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò) 100% 的兼容性。

IEEE 1722，即 AVB 傳輸協(xié)議 (AVBTP)，通過采用 IEEE 1394 的媒體格式、封裝和同步機制的綜合套件，進一步建立在 AVB 的發(fā)展之上，以用于以太網(wǎng) AVB 網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在正在推出使用 IEEE 802.1 AVB 和 AVBTP 標準的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠構(gòu)建高度互操作的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，能夠以完美的 QoS 流式傳輸音頻和視頻。

本文概述了低級 IEEE 802.1 AVB 任務(wù)組標準（又名“管道”），以及 AVBTP 如何通過定義媒體交換標準來進一步利用可靠管道的優(yōu)勢，以實現(xiàn)獨立于供應商的互操作性。

了解這些新協(xié)議的目的、交互和使用將為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員提供必要的背景知識，以開始構(gòu)建具有迄今為止無法實現(xiàn)的價格和性能的新一代流式音頻和視頻嵌入式設(shè)備。

遺留以太網(wǎng)的 
演變 連接性是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設(shè)備常見的一個不可避免的、反復出現(xiàn)的主題，而以太網(wǎng)早已被宣布為網(wǎng)絡(luò)的黃金標準。以太網(wǎng)的無處不在可以從找到任何沒有以太網(wǎng)插孔的微處理器供電產(chǎn)品是多么罕見來證明。

那些開發(fā) AVB 的人的目標因其簡單性而引人注目——將以太網(wǎng)無與倫比的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能擴展到可靠的實時音頻/視頻網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

按照設(shè)計，IEEE 標準委員會專注于重新定位現(xiàn)有技術(shù)，而不是發(fā)明更多新的和不兼容的標準。這種對利用現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)注通過利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施加速了 AVB 的開發(fā)。AVBTP 定義階段的一個關(guān)鍵標準是易于在硬件中實現(xiàn)。

IEEE 802.1 AVB 標準 
以下是 IEEE 802.1 AVB 標準的摘要：

IEEE 802.1AS 時間協(xié)議 (PTP)： 1 基于 IEEE 1588:2002，2 PTP 設(shè)備交換標準以太網(wǎng)消息，通過定義主時鐘選擇和協(xié)商算法、鏈路延遲測量和補償以及時鐘速率匹配和調(diào)整機制。

設(shè)計為 IEEE 1588 的簡化配置文件，1588 和 IEEE 802.1AS 之間的主要區(qū)別在于 PTP 是第 2 層——換句話說，是一種非 IP 可路由協(xié)議。與 IEEE 1588 一樣，PTP 定義了一種自動協(xié)商網(wǎng)絡(luò)時鐘主控的方法，即主控時鐘算法 (BMCA)?？梢愿鶕?jù)時鐘質(zhì)量為 PTP 節(jié)點分配八個優(yōu)先級之一。BMCA 定義了底層協(xié)商和信令機制，其目的是識別 AVB LAN 主控。一旦選擇了大師，同步就會自動開始。

802.1AS 同步的是時間戳。簡而言之，在 PTP 消息從支持 802.1AS 的 MAC 傳入/傳出期間，PTP 以太網(wǎng)類型觸發(fā)本地實時計數(shù)器 (RTC) 值的采樣。從節(jié)點將它們的 RTC 值與 PTP Grandmaster 進行比較，并通過使用鏈路延遲測量和補償技術(shù)，將它們的 RTC 值與 AVB LAN PTP 域的時間相匹配。在整個 AVB LAN 的網(wǎng)絡(luò)時間收斂后，周期性的 SYNC 和 FOLLOW_UP 消息提供啟用 PTP 速率匹配調(diào)整算法的信息。結(jié)果是所有 PTP 節(jié)點都同步到相同的“掛鐘”時間。PTP 在七個網(wǎng)絡(luò)躍點上保證 1 μs 的精度。

IEEE 802.1Qat 流預留協(xié)議 (SRP)： 3 傳統(tǒng) IEEE 802 以太網(wǎng)標準的特點和限制是它們無法在傳統(tǒng)異步消息之前確定地確定時間敏感流媒體的優(yōu)先級。為了提供有保證的 QoS，流預留協(xié)議確保在 A/V 流開始之前端到端的帶寬可用性。如果帶寬可用，它將沿著整個路徑“鎖定”，直到隱式或顯式釋放。SRP 使用 IEEE 802.1ak 多重注冊協(xié)議作為消息傳遞協(xié)議來傳遞流描述符和資源預留請求/結(jié)果。

實施 SRP 的交換機可以在 AVB“防御云”中的給定 LAN 鏈路上預留和保護高達 75% 的可用容量。4個

IEEE 802.1Qav 排隊和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議 (Qav)： 5 排隊和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的工作是確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)流量不會也不能干擾流式 AVB 流量。幸運的是，對于產(chǎn)品設(shè)計人員而言，實施 802.1Qav 的大部分負擔直接落在了支持 AVB 的以太網(wǎng)交換機的肩上。

但是，AVB 媒體源必須遵守定義的節(jié)奏要求。為了進一步說明這一點，想象一下實時音頻應用程序中的 AVB“談話者”節(jié)點。當模擬音頻被捕獲、數(shù)字化并呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)時，它本質(zhì)上是等時同步的。此類應用本身適合 AVB 傳輸，不會受到 802.1Qav 的步調(diào)要求的影響。

另一方面，如果允許行為不當?shù)拇鎯γ襟w應用程序（例如 PC）發(fā)送大量不規(guī)則節(jié)奏的音頻/視頻樣本，則可能會出現(xiàn)問題?？梢赃@樣想：您不能通過千兆以太網(wǎng)鏈路發(fā)送超過 1 Gbps 的數(shù)據(jù)。由于 AVB 保證在該鏈路上傳輸（多）750 Mbps 的流數(shù)據(jù)，因此仍有容量用于 250 Mbps 的異步數(shù)據(jù)。802.1Qav 定義了必須如何共享鏈路以及如何在以太網(wǎng) AVB 交換機內(nèi)確定同步和異步數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。

以前解決本質(zhì)上是整形問題的嘗試依賴于使用內(nèi)存來平滑突發(fā)流量，但代價是什么？內(nèi)存緩沖區(qū)是低延遲和低 BOM 成本的敵人。AVB 網(wǎng)絡(luò)通過消除對昂貴緩沖區(qū)的需求來降低成本，同時保證在七個網(wǎng)絡(luò)躍點上低于 2 毫秒的低端到端延遲。

在 IEEE 網(wǎng)站上可以找到 802.1Qav 更的定義：“該標準允許網(wǎng)橋為時間敏感（即有界延遲和交付變化）、丟失敏感的實時音頻視頻 (AV) 數(shù)據(jù)傳輸提供保證（AV 流量）。它指定每個優(yōu)先級的入口計量、優(yōu)先級再生和時間感知隊列排空算法。該標準使用源自 IEEE 802.1AS 的時序。虛擬局域網(wǎng) (VLAN) 標簽編碼的優(yōu)先級值被分配，聚合，以在受控和非受控隊列之間隔離幀，允許同時支持有線和無線局域網(wǎng) (LAN) 上和之間的 AV 流量和其他橋接流量）。6個

多么好的描述！更好的是，這意味著所有艱苦的工作和繁重的工作都在以太網(wǎng)交換機內(nèi)部完成。這些相同的變化已經(jīng)出現(xiàn)在基于標準的以太網(wǎng) AVB 交換機中，并將 AVB 與之前出現(xiàn)的單一、昂貴和專有的利基媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)區(qū)分開來。

AVBTP適合哪里？ 
簡而言之，AVBTP 的目的是充當有延遲的線路，以允許物理距離較遠的編解碼器的邏輯連接。更長遠地說，AVBTP 抽象了底層網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，以實現(xiàn)分布式音頻和視頻編解碼器在可靠以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的虛擬連接。

沒有強制性的網(wǎng)絡(luò)堆棧圖，任何關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的文章都是不完整的。如圖1所示，AVBTP 位于 IEEE 802.1 AVB 管道之上和應用層之下。它充當以太網(wǎng) MAC 和流應用程序之間的管道。

流式樣本連接到 AVBTP 接口的應用程序端。支持的媒體格式包括各種原始和壓縮音頻和視頻，包括 I 2 S 音頻、IEC 60958 SPDIF、MPEG2/4 和 H.264 傳輸流、Bt.601/656 原始視頻等。支持的媒體類型的完整列表和同步機制的概述將在本文后面出現(xiàn)。

在 AVB 傳輸協(xié)議的底部，連接到支持 IEEE 802.1 AVB 的媒體訪問控制器 (MAC)。本質(zhì)上，媒體流被饋送到 AVBTP 的頂部，而 IEEE 1722 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從底部彈出，反之亦然。

獨立于供應商的互操作性是通過定義支持的媒體類型、它們的相關(guān)格式以及媒體樣本在 AVBTP 以太網(wǎng)幀中的位置、組織和方向來提供的。

數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包內(nèi)……）一個完整的 AVBTP 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包 如圖 2
所示。AVBTP 以太網(wǎng)幀由 AVBTP Ethertype 標識。

在 P1722 數(shù)據(jù)包中，內(nèi)容類型由 Payload Info 字段描述。

AVBTP 的初始實施支持 IEC 61883 內(nèi)容，但 AVBTP 的設(shè)計允許未來擴展以支持其他尚未定義的媒體標準。

圖 2 說明了 IEC 61883-6 AM824 未壓縮音頻樣本如何封裝在以太網(wǎng)幀中。

支持的媒體類型 
繼續(xù)利用現(xiàn)有標準的主題，AVBTP 利用 IEC 61883 指定的媒體格式和同步機制，用于 IEEE 1394 FireWire 設(shè)備。

基于 IEC 61883 7 第 1-8 部分的格式是：

? 61883-2 SD-DVCR

? 61883-4 MPEG2-TS 壓縮視頻

? 61883-6 未壓縮音頻

? 61883-7 衛(wèi)星電視 MPEG

? 61883-8 Bt.601/656 視頻

? IIDC 無壓縮工業(yè)相機

以 IEC 61883 為基礎(chǔ)的 AVBTP 的一個顯著的附帶好處是可以相對容易地 實現(xiàn)到 AVB 網(wǎng)絡(luò)的FireWire 網(wǎng)關(guān)8 。

同步 
AVB 網(wǎng)絡(luò)中的同步從時間協(xié)議開始，但以同步的媒體時鐘結(jié)束。PTP 負責將 AVB 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點同步到相同的掛鐘時間；不適用于同步媒體時鐘。換句話說，PTP 實際上并不傳輸同步的媒體時鐘，而是提供了一個對管理分布式媒體同步系統(tǒng)至關(guān)重要的低級構(gòu)建塊。

這種方法的一個重要好處是多個獨立的媒體時鐘域在 AVB 網(wǎng)絡(luò)上共存。不相關(guān)的音頻和視頻流可以同時存在于同一個局域網(wǎng)中。

交叉時間戳和演示時間戳 
AVBTP 假定 AVB 節(jié)點媒體時鐘由自由運行的振蕩器計時。還假設(shè)節(jié)點的掛鐘時間內(nèi)部概念已經(jīng)同步到 PTP Grandmaster。AVBTP 媒體時鐘源在 AVBTP 流數(shù)據(jù)包中嵌入“AVBTP 演示時間戳”。圖 3 說明了 PTP 網(wǎng)絡(luò)時間和 AVBTP 表示時間戳之間的關(guān)系。

并非所有 AVBTP 流數(shù)據(jù)包都包含 AVBTP 演示時間戳。AVBTP 標頭中的 DBC（數(shù)據(jù)塊計數(shù)）定義了生成 AVBTP 演示時間戳的頻率。DBC 的常用值是 8 10。這意味著每八個媒體樣本，本地 PTP RTC 的值被采樣，轉(zhuǎn)換為 32 位值（以納秒為單位），并添加到所需的（如果有）延遲歸一化值。稍后將詳細介紹延遲規(guī)范化。

媒體時鐘恢復 重新 
創(chuàng)建同步媒體時鐘遵循類似但相反的過程。

P1722 標頭中 DBC 字段的值觸發(fā) AVB 媒體時鐘從機應該重新創(chuàng)建媒體時鐘邊沿的頻率。

圖 4 說明了 AVBTP 媒體時鐘恢復機制。圖 5說明了一種實現(xiàn)本質(zhì)上是分布式 PLL 的可能方法。只需少的附加濾波，即可輕松獲得亞納秒級抖動。

延遲歸一化和演示時間 
AVBTP 演示時間戳除了媒體時鐘恢復之外還有另一個用途。它們還向 AVBTP 偵聽器指示何時（在 PTP 網(wǎng)絡(luò)時間）將接收到的媒體樣本呈現(xiàn)給輸出媒體接口。這種簡單但有效的機制可以實現(xiàn)跨多個媒體節(jié)點的媒體同步。

AVBTP 指定 AVB 端點能夠緩沖 2 毫秒的媒體樣本，但是，應用程序可以“調(diào)低”該值以限度地減少延遲。這種緩沖的目的是延遲標準化。圖 6 說明了這個概念。值得注意的是，同樣的機制本身就提供了實現(xiàn)唇對耳音頻/視頻同步的能力。

工程師要做什么？ 
雖然實現(xiàn)具有 AVB 功能的產(chǎn)品的具體細節(jié)取決于所使用的 IC，但一些經(jīng)驗法則正在制定中。例如，具有 AVB 功能的開關(guān)將由制造商提供，隨時可用，無需進一步開發(fā)；在端點中實現(xiàn) AVB 稍微有些細微差別。

PTP 硬件時間戳和速率匹配算法通常完全嵌入到硅片中，使 BMCA 及其優(yōu)先級分配/接口在主機軟件中實現(xiàn)。

AVB 端點的 SRP 通常完全在主機軟件中實現(xiàn)。AVB 交換機內(nèi)部的 SRP 和 Qav 固件負責保衛(wèi)保留。

迄今為止看到的 AVBTP 端點解決方案是使用專用硬件和嵌入式固件的組合實現(xiàn)的，只需要少的主機應用程序交互。

只能有一個…… 
媒體網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟現(xiàn)實決定終只有一種廣泛部署的媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——隨著 AVB 的出現(xiàn)，該技術(shù)顯然是以太網(wǎng)。在范圍內(nèi)，數(shù)以千計的工程師正在積力于增強以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，包括有線和無線物理層設(shè)備、MAC、交換機、冗余、診斷等。例如，IEEE 工作組已經(jīng)在努力將 AVB 擴展到無線 802.11 以太網(wǎng)。

將以太網(wǎng) AVB 技術(shù)用于消費者、和汽車流媒體音頻/視頻網(wǎng)絡(luò)的工作已經(jīng)展開。

在消費者領(lǐng)域，AVB 將允許在整個家庭中共享流媒體設(shè)備。數(shù)字視頻錄像機 (DVR)、媒體服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)附加存儲 (NAS) 盒、AM/FM/衛(wèi)星調(diào)諧器等將位于一個集中式設(shè)備柜中，A/V 流將在整個家庭中提供服務(wù)。UPnP/DLNA 和基于 AV/C 的分布式發(fā)現(xiàn)和控制以太網(wǎng)應用程序已經(jīng)廣為人知，并且憑借 AVB 可靠傳輸?shù)膬?yōu)勢，將得到更廣泛的部署。終，消費設(shè)備背面令人困惑的不兼容插頭將被無處不在的 RJ45 插孔所取代。

的音頻和視頻安裝同樣會受益于單一網(wǎng)絡(luò)。例如，現(xiàn)代禮拜堂通常有不同的音頻 (CobraNet)、視頻 (BNC/同軸電纜) 和數(shù)據(jù) (以太網(wǎng)) 分配解決方案。AVB 只需安裝一個可由音頻、視頻和數(shù)據(jù)節(jié)點共享的網(wǎng)絡(luò)，同時提供集中控制、冗余和增強診斷等額外優(yōu)勢，從而節(jié)省大量成本。

防御云 流媒體 QoS 在 AVB“防御云”內(nèi)部得到保證——一個由支持 AVB 的端點和交換機組成的互連局域網(wǎng)，運行 AVB 協(xié)議：IEEE 802.1AS 時間協(xié)議 (PTP)、IEEE 802.1Qat 流預留協(xié)議 (SRP) 和 IEEE 802.1Qav 排隊和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。 要建立防御云，首先要選出 PTP 大師。接下來，使用 PTP 同步受保護云內(nèi)所有 AVB 設(shè)備的“掛鐘”時間。AVB“談話者”然后通告他們可以提供的音頻/視頻流，，AVB“聽眾”使用 SRP 來預留端到端帶寬。此時，保證的音頻/視頻流開始。 受保護的云建立后，同步（1μS 以內(nèi)）的流式流量保證以小于 2mS 的延遲交付——超過 7 個網(wǎng)絡(luò)躍點。受保護云中任何給定鏈接的高達 75% 可以保留用于流式傳輸。這導致 AVB 云內(nèi)至少有 25% 的網(wǎng)絡(luò)帶寬仍可用于傳統(tǒng)的“盡力而為”流量。 傳統(tǒng)設(shè)備可以使用任何標準以太網(wǎng)協(xié)議通過受保護的云進行通信，但此流量被降級為“盡力而為”狀態(tài)，如本側(cè)邊欄中的圖所示。有保證的協(xié)議（如 TCP/IP）的交付仍然有保證——只有及時性可能受到影響。一個關(guān)鍵要點是，由于 AVB 是由 IEEE 802 工作組開發(fā)的，它與傳統(tǒng)以太網(wǎng)保持 100% 的向后兼容性。