AVB下一代網(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

1、下一代i網(wǎng)絡(luò)音視頻莢時(shí)傳輸技技術(shù)-ethernet avb作者:：何冬（首席工程師,dong.he ） 黃晟（工程師，sheng.huang ）charles wang （技術(shù)總監(jiān)，charles.wang ）哈曼（上海）研發(fā)中心集團(tuán)技術(shù)研究部摘要以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（ethernet audio/video bridging，以下簡(jiǎn)稱(chēng) ethernetavb ）是一項(xiàng)新的ieee 802標(biāo)準(zhǔn)，其在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)保障帶寬（bandwidth ），限制延遲（latency ）和精確時(shí)鐘同步 （time synchronization），提 供完美的服務(wù)質(zhì)量（quality of se

2、rvice,簡(jiǎn)稱(chēng)qos），以支持各種基于音頻、視頻 的網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用。ethernet avb關(guān)注于增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)音視頻性能，同 時(shí)又保持了 100%向后兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí) 時(shí)傳輸技術(shù)。引言1982年12月ieee 802.3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，標(biāo)志著以太網(wǎng)技術(shù)的起步。經(jīng)過(guò)不到30年的發(fā)展時(shí)間，以太網(wǎng)的傳輸速度已經(jīng)從最初的10mbps發(fā)展到100mbps、1000mbps、10gbps，甚至即將出現(xiàn)的100gbps。以太網(wǎng)低廉的端口價(jià)格和優(yōu)越的性能，使得以太網(wǎng)占據(jù)了整個(gè)局域網(wǎng)的85%左右，而基于以太網(wǎng)的網(wǎng)橋、集線器、交換機(jī)和路由器則構(gòu)成了互聯(lián)網(wǎng)體系相當(dāng)重要的組成部

3、分。近十幾年來(lái)，消費(fèi)者對(duì)于以太網(wǎng)上的多媒體應(yīng)用的需求日益劇增，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬及服務(wù)質(zhì)量都提出了更高的要求。不過(guò)，由于以太網(wǎng)原本只設(shè)計(jì)用于處理純粹的靜態(tài)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和保證其可靠性，至于順序和包延遲等并非作為重要的考慮因素。盡管傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引入了優(yōu)先級(jí)（priority）機(jī)制，三層網(wǎng)絡(luò)也已內(nèi)置了服務(wù)質(zhì)量（qos）機(jī)制，但由于多媒體實(shí)時(shí)流量與普通異步tcp流量存在著資源競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致了過(guò)多的時(shí)延（ delay ）和抖動(dòng)（jitter），使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)無(wú)法 從根本上滿足語(yǔ)音、多媒體及其它動(dòng)態(tài)內(nèi)容等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸需要。ieee 802.1 avb工作組正致力于制定一系列的新標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)有的以太網(wǎng)進(jìn)行功能擴(kuò)

4、展，通過(guò)建立高質(zhì)量、低延遲、時(shí)間同步的音視頻以太網(wǎng)絡(luò)，為家庭或企 業(yè)提供各種普通數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)音視頻流的局域網(wǎng)配套解決方案。ethernet a vb網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成為了在以太網(wǎng)上提供同步化低延遲的實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)，需要建立avb網(wǎng)絡(luò),稱(chēng)之為avb “云”（cloud ）。avb “云”的建立需要至少速度在 100mbps以上的 全雙工（full-duplex ）以太鏈路，這就需要能保障傳輸延遲的 avb交換機(jī)（switch） 和終端設(shè)備（end point），以及邏輯鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議（ieee 802.1ab - lldp ），用于 設(shè)備之間交換支持 avb的協(xié)議信息。如圖1所示，在 avb “云”內(nèi)，由于

5、延遲和服務(wù)質(zhì)量得到保障，能夠高質(zhì)量地提供實(shí)時(shí)的流媒體服務(wù)。同時(shí)，avb網(wǎng)絡(luò)保持與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的兼容，也能夠連接到傳統(tǒng)的交換機(jī)、集線器和終端設(shè)備。但由于集線器的半雙工(half-duplex )特性，以及傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)不具有avb功能，無(wú)法完全保障其流媒體服務(wù)的實(shí)時(shí)性，因此在avb “云”夕卜，只保障普通的最大交付功能 (besteffort )并與avb網(wǎng)絡(luò)相連。avb claud19理塔在“云”外 只能實(shí)現(xiàn)昔him緒變莘就墓干1sb協(xié)訛的可赫區(qū)律只鍛*云內(nèi)卯脫現(xiàn)】終端avbavb交換機(jī)avb無(wú)線交換機(jī)av6無(wú)購(gòu)瞬圖1ethernet a vb解決的問(wèn)題流媒體服務(wù)在如今的以太網(wǎng)上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)

6、用。雖然通過(guò)緩沖(buffer)及自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù) (adaptive clock recovery)能夠在一定程度上解決網(wǎng)絡(luò)時(shí) 延和抖動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題，但這本身又會(huì)引入更多的延遲，而超過(guò)av應(yīng)用本身所允許的誤差范圍，并且恢復(fù)的時(shí)鐘也沒(méi)有足夠的精度對(duì)不同位置的av信號(hào)進(jìn)行同步。為此，avb定義了高精度的時(shí)鐘同步協(xié)議(ieee 802.1as )，為以太網(wǎng)提供 完美的低延遲、低抖動(dòng)的時(shí)鐘。為了解決網(wǎng)絡(luò)中 av實(shí)時(shí)流量與普通異步tcp流量之間的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，avb定義了流預(yù)留協(xié)議(ieee 802.1qat)，通過(guò)協(xié)商機(jī)制，在 av流從源設(shè)備到不同 交換機(jī)再到終端設(shè)備的整個(gè)路徑上預(yù)留出所需的帶寬資源，以

7、提供端到端(end-to-end )的服務(wù)質(zhì)量及延遲保障。此外，依賴于時(shí)間同步的av流在從源設(shè)備、途徑不同交換機(jī)、再到達(dá)目的設(shè)備的路徑中，還需要指定包轉(zhuǎn)發(fā)(forwarding )及隊(duì)列(queuing )的算法，以避免交換機(jī)和設(shè)備端點(diǎn)中大量tcp等異步流量導(dǎo)致的抖動(dòng)，并嚴(yán)格保持在250 口 s的時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā) av流。avb規(guī)定了 a類(lèi)(class a)和b類(lèi)(class b)兩種音視頻流，對(duì)應(yīng)的以太 網(wǎng)幀率(frame rate)分別為125 口 s和250 口 s根據(jù)ieee 802.1d的規(guī)定，局域 網(wǎng)中最大的網(wǎng)橋直徑為7跳(hops)。所以，在7跳的局域網(wǎng)環(huán)境中，每跳250 口 s的延遲

8、將使得整個(gè)數(shù)據(jù)流量的最大延遲不大于2ms,這無(wú)疑使得流服務(wù)應(yīng)用不需要依賴過(guò)多的緩存，降低對(duì)硬件資源的要求， 使得更多資源緊湊的設(shè)備也能實(shí)現(xiàn) avb 的功能。ieee 802.1 a vb 標(biāo)準(zhǔn)概覽鑒于以太網(wǎng)的簡(jiǎn)單、 價(jià)格低廉及性能優(yōu)越的特性, 使得以太網(wǎng)在如今的計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)了主導(dǎo)性的地位。 在研究制定 avb 的過(guò)程中, ieee 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的 目標(biāo)就是在保持完全兼容現(xiàn)有以太網(wǎng)體系的基礎(chǔ)上,對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展, 以提供穩(wěn)定的實(shí)時(shí)音視頻傳輸。為此, 4 個(gè) ieee 802.1 avb 標(biāo)準(zhǔn)形成了 avb 的基礎(chǔ)體系,它們分別是：一、精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議( precision time prot

9、ocol ,簡(jiǎn)稱(chēng) ptp)- ieee 802.1as：“timing and synchronization for time-sensitive applicationsin bridged local area networks ”；二、流預(yù)留協(xié)議( stream reservation protocol ,簡(jiǎn)稱(chēng) srp) - ieee 802.1qat: “ virtual bridged local area networks - amendment 9: stream reservation protocol (srp) ”；三、隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(queuing and forwar

10、ding protocol，簡(jiǎn)稱(chēng) qav)-ieee 802.1qav ：“ virtual bridged local area networks- amendment 11:forwarding and queuing enhancements for time-sensitive streams ”；四、音視頻橋接系統(tǒng)(audio/video bridging systems ) - ieee 802.1ba :“l(fā)ocal and metropolitan area networksaudio video bridging (avb)systems”；此外，還有另外兩個(gè)使用 ieee

11、802.1 avb 來(lái)提供高質(zhì)量專(zhuān)業(yè)音視頻的標(biāo)準(zhǔn)：一、 (二層)音視頻橋接傳輸協(xié)議(audio/video bridgi ng tran sport protocol ,簡(jiǎn)稱(chēng) avbtp)- ieee 1722：“l(fā)ayer 2 transport protocol for timesensitive applications in bridged local area networks ”;二、(三層)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議 (real-time tran sport protocol，簡(jiǎn)稱(chēng) rtp) - ieee 1733: “l(fā)ayer 3 transport protocol for time

12、sensitive applications in local area networks ”。關(guān)于 avb 的詳細(xì)信息及進(jìn)展情況，可以訪問(wèn)其官方網(wǎng)址 /1/pages/avbridges.html圖2為ieee 802.1 avb的協(xié)議?？驁D。ieee 802.1as 精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議（ptp ） : ptp基于ieee 1588:2002協(xié)議, 定義了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步機(jī)制。 通過(guò)定義主時(shí)鐘選擇與協(xié)商算法、 路徑延遲測(cè) 算與補(bǔ)償、以及時(shí)鐘頻率匹配與調(diào)節(jié)的機(jī)制， ptp 設(shè)備交換標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)消息， 將網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間都同步到一個(gè)共同的主時(shí)鐘。 作為

13、 ieee 1588 協(xié)議的一個(gè) 簡(jiǎn)化版本，ieee 802.1as與1588的最大區(qū)別在于 ptp是一個(gè)完全基于二層網(wǎng)絡(luò)， 非ip路由的協(xié)議。與ieee 1588 一樣，ptp定義了一個(gè)自動(dòng)協(xié)商網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘的 方法，即最優(yōu)主時(shí)鐘算法（ best master clock algorithm ，簡(jiǎn)稱(chēng) bmca ）。bmca定義了底層的協(xié)商和信令機(jī)制，用于標(biāo)識(shí)出avb局域網(wǎng)內(nèi)的主時(shí)鐘 （grandmaster）。一旦主時(shí)鐘被選定，所有局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的 ptp設(shè)備將以此主時(shí)鐘為參考值，如果 grandmaster發(fā)生變化，整個(gè) avb網(wǎng)絡(luò)也能通過(guò) bmca在最短 時(shí)間確定新的主時(shí)鐘，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持時(shí)間

14、同步。802.1as的核心在于時(shí)間戳機(jī)制（timestamping ）。ptp消息在進(jìn)出具備 802.1as功能的端口時(shí)，會(huì)根據(jù)協(xié) 議觸發(fā)對(duì)本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘（rtc）的采樣，將自己的rtc值與來(lái)自該端口相對(duì)應(yīng)的主時(shí)鐘（master）的信息進(jìn)行比較，利用路徑延遲測(cè)算和補(bǔ)償技術(shù)，將其rtc時(shí)鐘值匹配到 ptp域的時(shí)間。當(dāng)ptp同步機(jī)制覆蓋了整個(gè) avb局域網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)設(shè)備間就可以通過(guò)周期性的ptp消息的交換精確地實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘調(diào)整和頻率匹配算法。最終，所有的 ptp節(jié)點(diǎn)都將同步到相同的“掛鐘”（wall clock ）時(shí)間，即grandmaster時(shí)間。在最大 7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，理論上ptp能夠保證時(shí)鐘

15、同步誤差在1 口s以內(nèi)。avb網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概要控制及應(yīng)用音視頻流媒休標(biāo)準(zhǔn)接口ieee 1722音視頻傳輸協(xié)議（avbtp）eee 302.1asieee 802.1qat流預(yù)留協(xié)議ieee80z1qav 隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議ieee 8023物理層ieee 802.1qat流預(yù)留協(xié)議（srp）:傳統(tǒng)ieee 802網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的特性限制了 其無(wú)法將普通異步流量與時(shí)間敏感的流媒體流量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。為了提供有保障的服務(wù)質(zhì)量（qos），流預(yù)留協(xié)議（srp）確保了 av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(gè)路徑上的所有設(shè)備（包括交換機(jī)和終端設(shè)備）將會(huì)對(duì)此資源進(jìn)行鎖定。srp利用ieee 802

16、.1ak多注冊(cè)協(xié)議（multipleregistration protocol，簡(jiǎn)稱(chēng)mrp）來(lái)傳遞消息，以交換av流的帶寬描述消息并對(duì)帶寬資源進(jìn)行預(yù)留。符合srp標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)能夠?qū)⒄麄€(gè)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(gè)talker提供的流服務(wù)可同時(shí)被多個(gè) listener接收，srp允許只保障從 talker到listener的單向數(shù)(hiqnet, av/c, upnp/dlna,等) 據(jù)流流動(dòng)。 只要從 talker 到多個(gè) listener 中的任意一條路徑

17、上的帶寬資源能夠協(xié) 商并鎖定， talker 就可以開(kāi)始提供實(shí)時(shí) av 服務(wù)。 srp 內(nèi)部周期性的狀態(tài)機(jī)維護(hù) 著 talker 及 listener 的注冊(cè)信息， 能夠動(dòng)態(tài)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并更新其 內(nèi)部注冊(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)改變。無(wú)論 talker 還是 listener ， 都可以隨時(shí)加入或離開(kāi) avb 的網(wǎng)絡(luò)， 而不會(huì)對(duì) avb 網(wǎng)絡(luò)的整體功能和狀態(tài)造成 不可恢復(fù)的影響。 srp 包含注冊(cè)( registration )和預(yù)留( reservation )兩部分， talker 對(duì) av 流所需帶寬資源進(jìn)行協(xié)商預(yù)留， listener 則注冊(cè)并接收所需的 av 流i

18、eee 802.1qav隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(qav) : qav隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的作用是確 保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會(huì)干擾到 avb 的實(shí)時(shí)音視頻流。 時(shí)間敏感的 av 流轉(zhuǎn)發(fā)采用偽同步模式 ( pseudo-synchronous) ，這個(gè)機(jī)制依賴于 srp 提供沿路經(jīng) 的預(yù)留帶寬以及為 ptp提供8khz的時(shí)鐘。在每個(gè) 125us的時(shí)隙，包含 avb數(shù) 據(jù)的802.3以太網(wǎng)等時(shí)幀(isochronous)就會(huì)被進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，為了避免普通 數(shù)據(jù)流量與 avb 流量之間的對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)， avb 交換機(jī)內(nèi)對(duì)時(shí)間敏感的 av 流和普通數(shù)據(jù)流進(jìn)行了區(qū)別處理， 將等時(shí)幀與異步幀分別進(jìn)行排隊(duì)， 并且

19、賦予等 時(shí)幀最高的優(yōu)先級(jí)。 在優(yōu)先保證等時(shí)幀傳輸?shù)臈l件下， 繼續(xù)提供普通異步傳輸?shù)?服務(wù)，這就是 qav 的優(yōu)先級(jí)管理( prioritize )及流量整形( traffic shaping) 。盡管 終端及交換機(jī)設(shè)備都需要相應(yīng)機(jī)制保障75%的帶寬資源用于 avb 應(yīng)用，但802.1qav 的大部分實(shí)現(xiàn)將由 avb 交換機(jī)負(fù)責(zé)。ieee 802.1ba avb 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)： 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(guò)程中使用的預(yù)設(shè)值及設(shè)定，使得不具備網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)的用戶也能夠 去建立、使用 avb 網(wǎng)絡(luò)，而不必對(duì)其進(jìn)行繁瑣的配置。目前 ieee 802.1 avb 工 作組的主要精力集中

20、在其它三個(gè)主要協(xié)議上( ieee 802.1as、ieee 802.1qat 和 ieee 802.1qav)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還處于相當(dāng)粗略的階段。ieee 1722音視頻傳輸協(xié)議(avbtp)： avbtp定義了局域網(wǎng)內(nèi)提供實(shí)時(shí) 音視頻流服務(wù)所需的二層包格式， av 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，它使用與ieee 1394同樣的流格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及av同步。avbtp所采用的iec 61883格式如下：iec 61883-2: sd-dvcr data transmissioniec 61883-4: mpeg2-ts d

21、ata transmissioniec 61883-6: audio and music data transmission protocoliec 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(jìn)行打包(填 充由srp保留的流id，打上ptp產(chǎn)生的時(shí)間戳以及媒體類(lèi)型

22、等相關(guān)信息)，通過(guò)avbtp專(zhuān)用的以太網(wǎng)幀類(lèi)型進(jìn)行組播，自流媒體服務(wù)者(talker)發(fā)出，由avb交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，再被注冊(cè)過(guò)此av流服務(wù)的接收者(listener)接收并解包、解碼然后輸出。ieee 1733實(shí)時(shí)像輸協(xié)議(rtp ) : rtp是一種目前應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)流媒 體協(xié)議，與 ieee 802.1 a vb 那樣完全基于二層的標(biāo)準(zhǔn)不同， 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(duì)rtp進(jìn)行了擴(kuò)展，在通過(guò)橋接及路由的局域網(wǎng)內(nèi)提供時(shí)間同步、延遲保 障和帶寬預(yù)留的服務(wù)， 以提供實(shí)時(shí)音視頻流的傳輸。 其中涉及到封包

23、格式， 流的 建立、控制、同步及關(guān)閉等協(xié)議。avb 的歷史、 現(xiàn)狀及未來(lái)最初源于一個(gè) 802.3的研究小組，于 2005年1 1 月轉(zhuǎn)而成立 ieee 802.1 a vb 工作組( audio/video bridging task group )，開(kāi)始著手研究制定一系列的協(xié)議， 以增強(qiáng)現(xiàn)有 802 網(wǎng)絡(luò)的功能， 使得基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)音視頻傳輸技術(shù)從計(jì)劃逐步 走向試驗(yàn)階段，并即將走向市場(chǎng)。目前，avb的每一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都仍處于草案或投票階段， 并有望在2010年或2011 年完成定稿工作。 當(dāng)前 avb 工作組的主要精力專(zhuān)注在 802.3以太網(wǎng)上， 基于 802.11 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的 avb 細(xì)節(jié)將會(huì)是下一步的重點(diǎn)。來(lái)自兩個(gè)陣營(yíng)的力量在推動(dòng)著以太網(wǎng) avb 的發(fā)展，一組是以哈曼 (harman international) 和 bmw 為代表的系統(tǒng)產(chǎn)品廠商，致力于提供一套基于標(biāo)準(zhǔn)的方案 來(lái)為演播室、 影劇院、音樂(lè)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)及汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)等提供穩(wěn)定可靠的音視頻服務(wù)； 另一組是以博通 (broadcom) 、邁威 (marvell) 和賽靈思 (xilinx) 為代表的芯片廠商， 希望提供低延時(shí)、供家庭及企業(yè)使用的同步音視頻網(wǎng)絡(luò)。作為以太網(wǎng) avb 技術(shù)的領(lǐng)軍人物之一，哈曼正與其戰(zhàn)略合作伙伴博通、賽 靈思緊密合作，投入巨大的研發(fā)力量，積極參與