了解 IEEE 的确定性 AV 桥接标准

IEEE 802.1 音频/视频桥接 (AVB) 任务组经过多年努力，即将完成对传统以太网标准的一系列增强，这些标准能够通过以太网网络交付时间同步、低延迟的音频和视频——具有完美的服务质量 (QoS)——同时保持与传统以太网网络 100% 的兼容性。

IEEE 1722，即 AVB 传输协议 (AVBTP)，通过采用 IEEE 1394 的媒体格式、封装和同步机制的综合套件，进一步建立在 AVB 的发展之上，以用于以太网 AVB 网络。现在正在推出使用 IEEE 802.1 AVB 和 AVBTP 标准的产品，这些产品能够构建高度互操作的以太网网络，能够以完美的 QoS 流式传输音频和视频。

本文概述了低级 IEEE 802.1 AVB 任务组标准（又名“管道”），以及 AVBTP 如何通过定义媒体交换标准来进一步利用可靠管道的优势，以实现独立于供应商的互操作性。

了解这些新协议的目的、交互和使用将为嵌入式系统设计人员提供必要的背景知识，以开始构建具有迄今为止无法实现的价格和性能的新一代流式音频和视频嵌入式设备。

遗留以太网的 
演变 连接性是现代嵌入式系统设备常见的一个不可避免的、反复出现的主题，而以太网早已被宣布为网络的黄金标准。以太网的无处不在可以从找到任何没有以太网插孔的微处理器供电产品是多么罕见来证明。

那些开发 AVB 的人的目标因其简单性而引人注目——将以太网无与伦比的数据网络功能扩展到可靠的实时音频/视频网络领域。

按照设计，IEEE 标准委员会专注于重新定位现有技术，而不是发明更多新的和不兼容的标准。这种对利用现有技术的关注通过利用现有基础设施加速了 AVB 的开发。AVBTP 定义阶段的一个关键标准是易于在硬件中实现。

IEEE 802.1 AVB 标准 
以下是 IEEE 802.1 AVB 标准的摘要：

IEEE 802.1AS 时间协议 (PTP)： 1 基于 IEEE 1588:2002，2 PTP 设备交换标准以太网消息，通过定义主时钟选择和协商算法、链路延迟测量和补偿以及时钟速率匹配和调整机制。

设计为 IEEE 1588 的简化配置文件，1588 和 IEEE 802.1AS 之间的主要区别在于 PTP 是第 2 层——换句话说，是一种非 IP 可路由协议。与 IEEE 1588 一样，PTP 定义了一种自动协商网络时钟主控的方法，即主控时钟算法 (BMCA)。可以根据时钟质量为 PTP 节点分配八个优先级之一。BMCA 定义了底层协商和信令机制，其目的是识别 AVB LAN 主控。一旦选择了大师，同步就会自动开始。

802.1AS 同步的是时间戳。简而言之，在 PTP 消息从支持 802.1AS 的 MAC 传入/传出期间，PTP 以太网类型触发本地实时计数器 (RTC) 值的采样。从节点将它们的 RTC 值与 PTP Grandmaster 进行比较，并通过使用链路延迟测量和补偿技术，将它们的 RTC 值与 AVB LAN PTP 域的时间相匹配。在整个 AVB LAN 的网络时间收敛后，周期性的 SYNC 和 FOLLOW_UP 消息提供启用 PTP 速率匹配调整算法的信息。结果是所有 PTP 节点都同步到相同的“挂钟”时间。PTP 在七个网络跃点上保证 1 μs 的精度。

IEEE 802.1Qat 流预留协议 (SRP)： 3 传统 IEEE 802 以太网标准的特点和限制是它们无法在传统异步消息之前确定地确定时间敏感流媒体的优先级。为了提供有保证的 QoS，流预留协议确保在 A/V 流开始之前端到端的带宽可用性。如果带宽可用，它将沿着整个路径“锁定”，直到隐式或显式释放。SRP 使用 IEEE 802.1ak 多重注册协议作为消息传递协议来传递流描述符和资源预留请求/结果。

实施 SRP 的交换机可以在 AVB“防御云”中的给定 LAN 链路上预留和保护高达 75% 的可用容量。4个

IEEE 802.1Qav 排队和转发协议 (Qav)： 5 排队和转发协议的工作是确保传统的异步以太网流量不会也不能干扰流式 AVB 流量。幸运的是，对于产品设计人员而言，实施 802.1Qav 的大部分负担直接落在了支持 AVB 的以太网交换机的肩上。

但是，AVB 媒体源必须遵守定义的节奏要求。为了进一步说明这一点，想象一下实时音频应用程序中的 AVB“谈话者”节点。当模拟音频被捕获、数字化并呈现给网络时，它本质上是等时同步的。此类应用本身适合 AVB 传输，不会受到 802.1Qav 的步调要求的影响。

另一方面，如果允许行为不当的存储媒体应用程序（例如 PC）发送大量不规则节奏的音频/视频样本，则可能会出现问题。可以这样想：您不能通过千兆以太网链路发送超过 1 Gbps 的数据。由于 AVB 保证在该链路上传输（多）750 Mbps 的流数据，因此仍有容量用于 250 Mbps 的异步数据。802.1Qav 定义了必须如何共享链路以及如何在以太网 AVB 交换机内确定同步和异步数据的优先级。

以前解决本质上是整形问题的尝试依赖于使用内存来平滑突发流量，但代价是什么？内存缓冲区是低延迟和低 BOM 成本的敌人。AVB 网络通过消除对昂贵缓冲区的需求来降低成本，同时保证在七个网络跃点上低于 2 毫秒的低端到端延迟。

在 IEEE 网站上可以找到 802.1Qav 更的定义：“该标准允许网桥为时间敏感（即有界延迟和交付变化）、丢失敏感的实时音频视频 (AV) 数据传输提供保证（AV 流量）。它指定每个优先级的入口计量、优先级再生和时间感知队列排空算法。该标准使用源自 IEEE 802.1AS 的时序。虚拟局域网 (VLAN) 标签编码的优先级值被分配，聚合，以在受控和非受控队列之间隔离帧，允许同时支持有线和无线局域网 (LAN) 上和之间的 AV 流量和其他桥接流量）。6个

多么好的描述！更好的是，这意味着所有艰苦的工作和繁重的工作都在以太网交换机内部完成。这些相同的变化已经出现在基于标准的以太网 AVB 交换机中，并将 AVB 与之前出现的单一、昂贵和专有的利基媒体网络技术区分开来。

AVBTP适合哪里？ 
简而言之，AVBTP 的目的是充当有延迟的线路，以允许物理距离较远的编解码器的逻辑连接。更长远地说，AVBTP 抽象了底层网络传输通道，以实现分布式音频和视频编解码器在可靠以太网网络上的虚拟连接。

没有强制性的网络堆栈图，任何关于网络的文章都是不完整的。如图1所示，AVBTP 位于 IEEE 802.1 AVB 管道之上和应用层之下。它充当以太网 MAC 和流应用程序之间的管道。

流式样本连接到 AVBTP 接口的应用程序端。支持的媒体格式包括各种原始和压缩音频和视频，包括 I 2 S 音频、IEC 60958 SPDIF、MPEG2/4 和 H.264 传输流、Bt.601/656 原始视频等。支持的媒体类型的完整列表和同步机制的概述将在本文后面出现。

在 AVB 传输协议的底部，连接到支持 IEEE 802.1 AVB 的媒体访问控制器 (MAC)。本质上，媒体流被馈送到 AVBTP 的顶部，而 IEEE 1722 以太网数据包从底部弹出，反之亦然。

独立于供应商的互操作性是通过定义支持的媒体类型、它们的相关格式以及媒体样本在 AVBTP 以太网帧中的位置、组织和方向来提供的。

数据包中的数据包（数据包内……）一个完整的 AVBTP 以太网数据包 如图 2
所示。AVBTP 以太网帧由 AVBTP Ethertype 标识。

在 P1722 数据包中，内容类型由 Payload Info 字段描述。

AVBTP 的初始实施支持 IEC 61883 内容，但 AVBTP 的设计允许未来扩展以支持其他尚未定义的媒体标准。

图 2 说明了 IEC 61883-6 AM824 未压缩音频样本如何封装在以太网帧中。

支持的媒体类型 
继续利用现有标准的主题，AVBTP 利用 IEC 61883 指定的媒体格式和同步机制，用于 IEEE 1394 FireWire 设备。

基于 IEC 61883 7 第 1-8 部分的格式是：

? 61883-2 SD-DVCR

? 61883-4 MPEG2-TS 压缩视频

? 61883-6 未压缩音频

? 61883-7 卫星电视 MPEG

? 61883-8 Bt.601/656 视频

? IIDC 无压缩工业相机

以 IEC 61883 为基础的 AVBTP 的一个显着的附带好处是可以相对容易地 实现到 AVB 网络的FireWire 网关8 。

同步 
AVB 网络中的同步从时间协议开始，但以同步的媒体时钟结束。PTP 负责将 AVB 网络中的所有节点同步到相同的挂钟时间；不适用于同步媒体时钟。换句话说，PTP 实际上并不传输同步的媒体时钟，而是提供了一个对管理分布式媒体同步系统至关重要的低级构建块。

这种方法的一个重要好处是多个独立的媒体时钟域在 AVB 网络上共存。不相关的音频和视频流可以同时存在于同一个局域网中。

交叉时间戳和演示时间戳 
AVBTP 假定 AVB 节点媒体时钟由自由运行的振荡器计时。还假设节点的挂钟时间内部概念已经同步到 PTP Grandmaster。AVBTP 媒体时钟源在 AVBTP 流数据包中嵌入“AVBTP 演示时间戳”。图 3 说明了 PTP 网络时间和 AVBTP 表示时间戳之间的关系。

并非所有 AVBTP 流数据包都包含 AVBTP 演示时间戳。AVBTP 标头中的 DBC（数据块计数）定义了生成 AVBTP 演示时间戳的频率。DBC 的常用值是 8 10。这意味着每八个媒体样本，本地 PTP RTC 的值被采样，转换为 32 位值（以纳秒为单位），并添加到所需的（如果有）延迟归一化值。稍后将详细介绍延迟规范化。

媒体时钟恢复 重新 
创建同步媒体时钟遵循类似但相反的过程。

P1722 标头中 DBC 字段的值触发 AVB 媒体时钟从机应该重新创建媒体时钟边沿的频率。

图 4 说明了 AVBTP 媒体时钟恢复机制。图 5说明了一种实现本质上是分布式 PLL 的可能方法。只需少的附加滤波，即可轻松获得亚纳秒级抖动。

延迟归一化和演示时间 
AVBTP 演示时间戳除了媒体时钟恢复之外还有另一个用途。它们还向 AVBTP 侦听器指示何时（在 PTP 网络时间）将接收到的媒体样本呈现给输出媒体接口。这种简单但有效的机制可以实现跨多个媒体节点的媒体同步。

AVBTP 指定 AVB 端点能够缓冲 2 毫秒的媒体样本，但是，应用程序可以“调低”该值以限度地减少延迟。这种缓冲的目的是延迟标准化。图 6 说明了这个概念。值得注意的是，同样的机制本身就提供了实现唇对耳音频/视频同步的能力。

工程师要做什么？ 
虽然实现具有 AVB 功能的产品的具体细节取决于所使用的 IC，但一些经验法则正在制定中。例如，具有 AVB 功能的开关将由制造商提供，随时可用，无需进一步开发；在端点中实现 AVB 稍微有些细微差别。

PTP 硬件时间戳和速率匹配算法通常完全嵌入到硅片中，使 BMCA 及其优先级分配/接口在主机软件中实现。

AVB 端点的 SRP 通常完全在主机软件中实现。AVB 交换机内部的 SRP 和 Qav 固件负责保卫保留。

迄今为止看到的 AVBTP 端点解决方案是使用专用硬件和嵌入式固件的组合实现的，只需要少的主机应用程序交互。

只能有一个…… 
媒体网络的经济现实决定终只有一种广泛部署的媒体网络技术——随着 AVB 的出现，该技术显然是以太网。在范围内，数以千计的工程师正在积力于增强以太网基础设施，包括有线和无线物理层设备、MAC、交换机、冗余、诊断等。例如，IEEE 工作组已经在努力将 AVB 扩展到无线 802.11 以太网。

将以太网 AVB 技术用于消费者、和汽车流媒体音频/视频网络的工作已经展开。

在消费者领域，AVB 将允许在整个家庭中共享流媒体设备。数字视频录像机 (DVR)、媒体服务器、网络附加存储 (NAS) 盒、AM/FM/卫星调谐器等将位于一个集中式设备柜中，A/V 流将在整个家庭中提供服务。UPnP/DLNA 和基于 AV/C 的分布式发现和控制以太网应用程序已经广为人知，并且凭借 AVB 可靠传输的优势，将得到更广泛的部署。终，消费设备背面令人困惑的不兼容插头将被无处不在的 RJ45 插孔所取代。

的音频和视频安装同样会受益于单一网络。例如，现代礼拜堂通常有不同的音频 (CobraNet)、视频 (BNC/同轴电缆) 和数据 (以太网) 分配解决方案。AVB 只需安装一个可由音频、视频和数据节点共享的网络，同时提供集中控制、冗余和增强诊断等额外优势，从而节省大量成本。

防御云 流媒体 QoS 在 AVB“防御云”内部得到保证——一个由支持 AVB 的端点和交换机组成的互连局域网，运行 AVB 协议：IEEE 802.1AS 时间协议 (PTP)、IEEE 802.1Qat 流预留协议 (SRP) 和 IEEE 802.1Qav 排队和转发协议。 要建立防御云，首先要选出 PTP 大师。接下来，使用 PTP 同步受保护云内所有 AVB 设备的“挂钟”时间。AVB“谈话者”然后通告他们可以提供的音频/视频流，，AVB“听众”使用 SRP 来预留端到端带宽。此时，保证的音频/视频流开始。 受保护的云建立后，同步（1μS 以内）的流式流量保证以小于 2mS 的延迟交付——超过 7 个网络跃点。受保护云中任何给定链接的高达 75% 可以保留用于流式传输。这导致 AVB 云内至少有 25% 的网络带宽仍可用于传统的“尽力而为”流量。 传统设备可以使用任何标准以太网协议通过受保护的云进行通信，但此流量被降级为“尽力而为”状态，如本侧边栏中的图所示。有保证的协议（如 TCP/IP）的交付仍然有保证——只有及时性可能受到影响。一个关键要点是，由于 AVB 是由 IEEE 802 工作组开发的，它与传统以太网保持 100% 的向后兼容性。