AVB下一代网络音视频实时传输技术

1、下一代i网络音视频荚时传输技技术-ethernet avb作者:：何冬（首席工程师,dong.he ） 黄晟（工程师，sheng.huang ）charles wang （技术总监，charles.wang ）哈曼（上海）研发中心集团技术研究部摘要以太网音视频桥接技术（ethernet audio/video bridging，以下简称 ethernetavb ）是一项新的ieee 802标准，其在传统以太网络的基础上，通过保障带宽（bandwidth ），限制延迟（latency ）和精确时钟同步 （time synchronization），提 供完美的服务质量（quality of se

2、rvice,简称qos），以支持各种基于音频、视频 的网络多媒体应用。ethernet avb关注于增强传统以太网的实时音视频性能，同 时又保持了 100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实 时传输技术。引言1982年12月ieee 802.3标准的发布，标志着以太网技术的起步。经过不到30年的发展时间，以太网的传输速度已经从最初的10mbps发展到100mbps、1000mbps、10gbps，甚至即将出现的100gbps。以太网低廉的端口价格和优越的性能，使得以太网占据了整个局域网的85%左右，而基于以太网的网桥、集线器、交换机和路由器则构成了互联网体系相当重要的组成部

3、分。近十几年来，消费者对于以太网上的多媒体应用的需求日益剧增，这对网络的带宽及服务质量都提出了更高的要求。不过，由于以太网原本只设计用于处理纯粹的静态非实时数据和保证其可靠性，至于顺序和包延迟等并非作为重要的考虑因素。尽管传统二层网络已经引入了优先级（priority）机制，三层网络也已内置了服务质量（qos）机制，但由于多媒体实时流量与普通异步tcp流量存在着资源竞争，导致了过多的时延（ delay ）和抖动（jitter），使得传统的以太网无法 从根本上满足语音、多媒体及其它动态内容等实时数据的传输需要。ieee 802.1 avb工作组正致力于制定一系列的新标准，对现有的以太网进行功能扩

4、展，通过建立高质量、低延迟、时间同步的音视频以太网络，为家庭或企 业提供各种普通数据及实时音视频流的局域网配套解决方案。ethernet a vb网络的构成为了在以太网上提供同步化低延迟的实时流媒体服务，需要建立avb网络,称之为avb “云”（cloud ）。avb “云”的建立需要至少速度在 100mbps以上的 全双工（full-duplex ）以太链路，这就需要能保障传输延迟的 avb交换机（switch） 和终端设备（end point），以及逻辑链路发现协议（ieee 802.1ab - lldp ），用于 设备之间交换支持 avb的协议信息。如图1所示，在 avb “云”内，由于

5、延迟和服务质量得到保障，能够高质量地提供实时的流媒体服务。同时，avb网络保持与传统以太网的兼容，也能够连接到传统的交换机、集线器和终端设备。但由于集线器的半双工(half-duplex )特性，以及传统以太网交换机不具有avb功能，无法完全保障其流媒体服务的实时性，因此在avb “云”夕卜，只保障普通的最大交付功能 (besteffort )并与avb网络相连。avb claud19理塔在“云”外 只能实现昔him绪變莘就墓干1sb协讹的可赫区律只锻*云内卯脱现】终端avbavb交换机avb无线交换机av6无購瞬图1ethernet a vb解决的问题流媒体服务在如今的以太网上已经得到广泛应

6、用。虽然通过缓冲(buffer)及自适应时钟恢复技术 (adaptive clock recovery)能够在一定程度上解决网络时 延和抖动带来的问题，但这本身又会引入更多的延迟，而超过av应用本身所允许的误差范围，并且恢复的时钟也没有足够的精度对不同位置的av信号进行同步。为此，avb定义了高精度的时钟同步协议(ieee 802.1as )，为以太网提供 完美的低延迟、低抖动的时钟。为了解决网络中 av实时流量与普通异步tcp流量之间的竞争问题，avb定义了流预留协议(ieee 802.1qat)，通过协商机制，在 av流从源设备到不同 交换机再到终端设备的整个路径上预留出所需的带宽资源，以

7、提供端到端(end-to-end )的服务质量及延迟保障。此外，依赖于时间同步的av流在从源设备、途径不同交换机、再到达目的设备的路径中，还需要指定包转发(forwarding )及队列(queuing )的算法，以避免交换机和设备端点中大量tcp等异步流量导致的抖动，并严格保持在250 口 s的时隙内转发 av流。avb规定了 a类(class a)和b类(class b)两种音视频流，对应的以太 网帧率(frame rate)分别为125 口 s和250 口 s根据ieee 802.1d的规定，局域 网中最大的网桥直径为7跳(hops)。所以，在7跳的局域网环境中，每跳250 口 s的延迟

8、将使得整个数据流量的最大延迟不大于2ms,这无疑使得流服务应用不需要依赖过多的缓存，降低对硬件资源的要求， 使得更多资源紧凑的设备也能实现 avb 的功能。ieee 802.1 a vb 标准概览鉴于以太网的简单、 价格低廉及性能优越的特性, 使得以太网在如今的计算 机网络中占据了主导性的地位。 在研究制定 avb 的过程中, ieee 标准委员会的 目标就是在保持完全兼容现有以太网体系的基础上,对其功能进行扩展, 以提供稳定的实时音视频传输。为此, 4 个 ieee 802.1 avb 标准形成了 avb 的基础体系,它们分别是：一、精准时间同步协议( precision time prot

9、ocol ,简称 ptp)- ieee 802.1as：“timing and synchronization for time-sensitive applicationsin bridged local area networks ”；二、流预留协议( stream reservation protocol ,简称 srp) - ieee 802.1qat: “ virtual bridged local area networks - amendment 9: stream reservation protocol (srp) ”；三、队列及转发协议(queuing and forwar

10、ding protocol，简称 qav)-ieee 802.1qav ：“ virtual bridged local area networks- amendment 11:forwarding and queuing enhancements for time-sensitive streams ”；四、音视频桥接系统(audio/video bridging systems ) - ieee 802.1ba :“local and metropolitan area networksaudio video bridging (avb)systems”；此外，还有另外两个使用 ieee

11、802.1 avb 来提供高质量专业音视频的标准：一、 (二层)音视频桥接传输协议(audio/video bridgi ng tran sport protocol ,简称 avbtp)- ieee 1722：“layer 2 transport protocol for timesensitive applications in bridged local area networks ”;二、(三层)实时传输协议 (real-time tran sport protocol，简称 rtp) - ieee 1733: “layer 3 transport protocol for time

12、sensitive applications in local area networks ”。关于 avb 的详细信息及进展情况，可以访问其官方网址 /1/pages/avbridges.html图2为ieee 802.1 avb的协议栈框图。ieee 802.1as 精准时间同步协议（ptp ） : ptp基于ieee 1588:2002协议, 定义了整个网络的时钟同步机制。 通过定义主时钟选择与协商算法、 路径延迟测 算与补偿、以及时钟频率匹配与调节的机制， ptp 设备交换标准的以太网消息， 将网络各个节点的时间都同步到一个共同的主时钟。 作为

13、 ieee 1588 协议的一个 简化版本，ieee 802.1as与1588的最大区别在于 ptp是一个完全基于二层网络， 非ip路由的协议。与ieee 1588 一样，ptp定义了一个自动协商网络主时钟的 方法，即最优主时钟算法（ best master clock algorithm ，简称 bmca ）。bmca定义了底层的协商和信令机制，用于标识出avb局域网内的主时钟 （grandmaster）。一旦主时钟被选定，所有局域网节点的 ptp设备将以此主时钟为参考值，如果 grandmaster发生变化，整个 avb网络也能通过 bmca在最短 时间确定新的主时钟，确保整个网络保持时间

14、同步。802.1as的核心在于时间戳机制（timestamping ）。ptp消息在进出具备 802.1as功能的端口时，会根据协 议触发对本地实时时钟（rtc）的采样，将自己的rtc值与来自该端口相对应的主时钟（master）的信息进行比较，利用路径延迟测算和补偿技术，将其rtc时钟值匹配到 ptp域的时间。当ptp同步机制覆盖了整个 avb局域网，各网络 节点设备间就可以通过周期性的ptp消息的交换精确地实现时钟调整和频率匹配算法。最终，所有的 ptp节点都将同步到相同的“挂钟”（wall clock ）时间，即grandmaster时间。在最大 7跳的网络环境中，理论上ptp能够保证时钟

15、同步误差在1 口s以内。avb网络协议概要控制及应用音视频流媒休标准接口ieee 1722音视频传输协议（avbtp）eee 302.1asieee 802.1qat流预留协议ieee80z1qav 队列及转发协议ieee 8023物理层ieee 802.1qat流预留协议（srp）:传统ieee 802网络标准的特性限制了 其无法将普通异步流量与时间敏感的流媒体流量进行优先级划分。为了提供有保障的服务质量（qos），流预留协议（srp）确保了 av流设备间端到端的带宽可 用性。如果所需的路径带宽可用，整个路径上的所有设备（包括交换机和终端设备）将会对此资源进行锁定。srp利用ieee 802

16、.1ak多注册协议（multipleregistration protocol，简称mrp）来传递消息，以交换av流的带宽描述消息并对带宽资源进行预留。符合srp标准的交换机能够将整个网络可用带宽资源的75%用于avb链路，剩下25%的带宽留给传统的以太网流量。在srp中，流服务的提供者叫做 talker，流服务的接收者叫做listener。同一个talker提供的流服务可同时被多个 listener接收，srp允许只保障从 talker到listener的单向数(hiqnet, av/c, upnp/dlna,等) 据流流动。 只要从 talker 到多个 listener 中的任意一条路径

17、上的带宽资源能够协 商并锁定， talker 就可以开始提供实时 av 服务。 srp 内部周期性的状态机维护 着 talker 及 listener 的注册信息， 能够动态的对网络节点状态进行监测并更新其 内部注册信息数据库，以适应网络拓扑的动态改变。无论 talker 还是 listener ， 都可以随时加入或离开 avb 的网络， 而不会对 avb 网络的整体功能和状态造成 不可恢复的影响。 srp 包含注册( registration )和预留( reservation )两部分， talker 对 av 流所需带宽资源进行协商预留， listener 则注册并接收所需的 av 流i

18、eee 802.1qav队列及转发协议(qav) : qav队列及转发协议的作用是确 保传统的异步以太网数据流量不会干扰到 avb 的实时音视频流。 时间敏感的 av 流转发采用伪同步模式 ( pseudo-synchronous) ，这个机制依赖于 srp 提供沿路经 的预留带宽以及为 ptp提供8khz的时钟。在每个 125us的时隙，包含 avb数 据的802.3以太网等时帧(isochronous)就会被进行转发。同时，为了避免普通 数据流量与 avb 流量之间的对网络资源的竞争， avb 交换机内对时间敏感的 av 流和普通数据流进行了区别处理， 将等时帧与异步帧分别进行排队， 并且

19、赋予等 时帧最高的优先级。 在优先保证等时帧传输的条件下， 继续提供普通异步传输的 服务，这就是 qav 的优先级管理( prioritize )及流量整形( traffic shaping) 。尽管 终端及交换机设备都需要相应机制保障75%的带宽资源用于 avb 应用，但802.1qav 的大部分实现将由 avb 交换机负责。ieee 802.1ba avb 系统标准： avb 系统标准定义了一系列在生产制造avb 兼容设备过程中使用的预设值及设定，使得不具备网络经验的用户也能够 去建立、使用 avb 网络，而不必对其进行繁琐的配置。目前 ieee 802.1 avb 工 作组的主要精力集中

20、在其它三个主要协议上( ieee 802.1as、ieee 802.1qat 和 ieee 802.1qav)，这个标准还处于相当粗略的阶段。ieee 1722音视频传输协议(avbtp)： avbtp定义了局域网内提供实时 音视频流服务所需的二层包格式， av 流的建立、控制及关闭协议。 avbtp 为物 理上分隔的音视频编解码器之间建立了一条带有低延迟的虚拟链路，它使用与ieee 1394同样的流格式进行数据传输及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各种压缩的与非压缩的原始音频视频数据流经由 avbtp 协议进行打包(填 充由srp保留的流id，打上ptp产生的时间戳以及媒体类型

22、等相关信息)，通过avbtp专用的以太网帧类型进行组播，自流媒体服务者(talker)发出，由avb交换机进行转发，再被注册过此av流服务的接收者(listener)接收并解包、解码然后输出。ieee 1733实时像输协议(rtp ) : rtp是一种目前应用最广泛的实时流媒 体协议，与 ieee 802.1 a vb 那样完全基于二层的标准不同， rtp 是一种基于三 层udp/ip网络的协议。为了在基于ip的三层应用上利用二层 avb的性能，ieee 1733对rtp进行了扩展，在通过桥接及路由的局域网内提供时间同步、延迟保 障和带宽预留的服务， 以提供实时音视频流的传输。 其中涉及到封包

23、格式， 流的 建立、控制、同步及关闭等协议。avb 的历史、 现状及未来最初源于一个 802.3的研究小组，于 2005年1 1 月转而成立 ieee 802.1 a vb 工作组( audio/video bridging task group )，开始着手研究制定一系列的协议， 以增强现有 802 网络的功能， 使得基于以太网的实时音视频传输技术从计划逐步 走向试验阶段，并即将走向市场。目前，avb的每一项标准都仍处于草案或投票阶段， 并有望在2010年或2011 年完成定稿工作。 当前 avb 工作组的主要精力专注在 802.3以太网上， 基于 802.11 无线网络的 avb 细节将会是下一步的重点。来自两个阵营的力量在推动着以太网 avb 的发展，一组是以哈曼 (harman international) 和 bmw 为代表的系统产品厂商，致力于提供一套基于标准的方案 来为演播室、 影剧院、音乐会现场及汽车娱乐系统等提供稳定可靠的音视频服务； 另一组是以博通 (broadcom) 、迈威 (marvell) 和赛灵思 (xilinx) 为代表的芯片厂商， 希望提供低延时、供家庭及企业使用的同步音视频网络。作为以太网 avb 技术的领军人物之一，哈曼正与其战略合作伙伴博通、赛 灵思紧密合作，投入巨大的研发力量，积极参与