AVB——让以太网适应专业AV

2011-11-24  InfoAV China  屈竹杰  
简述:在过去十年中,以太网和Wi-Fi已成为最重要的网络技术,通过RJ45插孔或Wi-Fi将电脑、手机等终端设备接入以太网已经成为家常便饭。随着时代的进步,这两种技术在速度方面不断...……

    在过去十年中,以太网和Wi-Fi已成为最重要的网络技术,通过RJ45插孔或Wi-Fi将电脑、手机等终端设备接入以太网已经成为家常便饭。随着时代的进步,这两种技术在速度方面不断突飞猛进,如今最先进的以太网已经演化到100Gb/s。与此同时,AV设备在这十余年间也得到大规模部署,而AV与IT融合的深入,让AV成为了重要的网络设备组成。虽然AV系统利用IT基础设施进行传输、控制、管理的好处显而易见,但由于IT本身并非专为专业AV而建立,因此也难以满足专业级的严苛要求。融合过程中,很多问题随之而来,例如高昂的每节点成本和令人望而生畏的部署网络AV系统的专业技术要求。这就是为什么联网的音视频在过去并未如我们所期望的那样得以广泛应用。为了解决这些问题,IEEE 802.1 AVB工作组正致力于制定和推广一系列的新标准,通过对现有的以太网进行功能扩展,建立高质量、低延迟、时间同步的音视频以太网络。

    融合的困境

    过去AV设备之间的连接是模拟单目标点对点单向连接,即使当AV流媒体传输进入了数字化时代也经常会重新用到点对点的单向连接结构。这些年来,音频连接从模拟演化为I2S或SPDIF/AES;专业视频从模拟时代的RS-170A到标志数字制作开始的SDI,再到今天的HD-SDI;而消费视频也经历了从模拟复合到模拟分量再到HDMI的转变。这其中有些仍然需要预留点对点单向连接,因为当这些特殊连接首次部署的时候,使用本地局域网络成本高且无法保障可靠性。(例如,当I2S/SPDIF连接首次用于音频系统中时,即使单个I2S流都无法被10Mb/s CSMA/CD以太网可靠传输。) 但是这种专用的点对点的连接模式,在不论专业还是高端消费类应用中都会导致一堆庞杂线缆的头疼问题。

    因此,业界也针对这些问题进行了若干尝试,包括:

    1、专门针对专业AV的技术,例如IEEE1394/火线。

    2、针对家庭影院的多种非标准无线数字音频传输分配系统。

    3、标准IT类型演变而来的网络,例如CobraNet。

    由于针对专业、家庭和汽车使用的专用A/V技术太过专业化,因而不能与像以太网这样的常规IT网络进行轻松的互操作。而视频摄像机或者专业音频设备这些需要特殊服务保障的应用,其市场也会受到限制。

    而标准IT网络在演进过程中同样面临着一些问题:它们最初是为日常设备建立的网络,但是在专业的应用当中,要得到专业级的服务就需要对如何使用和管理设备进行严格的控制。所谓专业级服务意味着非常低的、确定的时延,无丢包,能够实现流媒体的终端播放同步。

    其中,A/V流媒体对网络的要求,包括:

    1、首先要能够实现多个流媒体的同步。最简单的情况就是保证“唇同步”,这样电影或电视里的音频和视频就不会出现声音和口型不一致。更加严格的要求包括保持多个数字扬声器的同步相位,在专业环境中,这意味着保持媒体流的几乎1微秒内的同步。

    2、网络中一路媒体流在最差状况下的时延,包括信号源和终点的缓冲时延,必须是低且确定的。对于几乎所有的消费类应用来说,这意味着网络必须没有显著造成用户界面的延迟:这个时间是从用户请求一个动作(例如按下控制器的按钮)直到动作被用户轻易感知到(例如“播放”、“停止”、“前进”、“倒退”),这大约需要50毫秒响应。而现场演出、录音室或游戏应用对此要求更加严格,大约为2毫秒。

    3、最后,应用必须达到高度的置信度,这样才能保证有所需要的网络资源可用,并且只要有应用需要就可保持可用性。这种情况有时被称为“预留”,有时又被称为“进入控制”。其目的是在应用中提前通知网络某一路媒体流的需要,并让网络锁定那个媒体流所需要的资源,如果是不可用的,便通知应用方。AV媒体流所需的典型资源包括吞吐量和具体的时延范围。

    目前几乎所有网络设备都是基于IT要求的:在整个网络上尽可能快地移动数据,以及最低的成本和最少的管理。

    只要没有对于时延和同步的硬性限制,这是一个很好的方式。面向IT的网络并不总是能够满足上述的要求,因为:

    1、在一般的IT网络中没有“时间”的概念,其网络架构本身并不提供有助同步或任何精确时间的机制。

    2、时延可能太高——通过一个网络的平均时延水平可能不高,但是几乎不会对限制时延有所帮助。在IT网络中,可靠地传输数据远比在规定时间内传输数据显得更为重要。

    3、网络本身并不能预防网络堵塞,所以如果缓冲不足或没有足够的链路带宽用于流量,数据就可能丢失。IT网络依赖更高层的协议通过传输节流和重新发送丢包来处理堵塞(例如TCP)。这种方式适合于可接受长时间时延的情况,但是在要求低确定性时延的地方则不适用。

    解决最后两个问题的典型方式是缓冲,但是过多的缓冲会导致时延,这会成为消费级环境的困扰,而在专业领域更是不可接受。另一个方式是让现在面向IT的网络在用于AV媒体流时,在更高的层管理网络或实施严格的界定和固定的配置。例如,在专业市场,很少有系统可以提供适当的时延和带宽保证,但是他们可以提供一个单一的专用解决方案, CobraNet就是这种架构的一个例子。

    技术概览

    AVB技术最初源于一个802.3的研究小组,在2005年11月正式成立了IEEE 802.1AVB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。AVnu联盟是一个行业论坛,致力于在各网络链路层推行采纳IEEE 802.1音频视频桥接技术和相关标准,以经济的成本实现具有专业品质的音频视频传输,并联合其他组织和企业在各自的尝试中利用这一技术。

    目前有来自两个阵营的力量在推动着以太网AVB的发展,一方面是系统产品厂商,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;另一方面是芯片厂商,希望提供低延时、供家庭及企业使用的同步音视频网络。

    AVB于2009年7月颁布草案,并在2010年和2011年陆续完成,以下为它的四个基础标准:

    IEEE 802.1AS(PTP):“针对桥接局域网上的时间敏感应用的时序和同步”。自动选择一个设备作为主时钟,然后通过桥接的LAN/IP子网分配时间到所有其他节点。802.1AS时钟不能用作媒体时钟。相反,802.1AS时间可被用做节点间共享的时钟参照,用作从讲话者到听众的媒体时钟端口。有了这样的参照,当估算在大量网络抖动的情况下发射器的实际媒体速率时,就无需确定数据包发送的时延或者计算连续运行的平均值。IEEE802.1AS是基于获批的IEEE1588-2008标准。

    IEEE 802.1Qat (SRP):“虚拟桥接局域网——修正案9:媒体流预留协议(SRP)”,允许在桥接的LAN/IP子网上的讲话者与听众之间建立媒体流预留。传统IEEE802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),SRP确保了AV媒体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(包括切换器和终端设备)将会对此资源进行锁定。

    IEEE 802.1Qav (Qav):“虚拟桥接局域网——修正案11:时间敏感的媒体流的转发和排队。描述了一种整形网络流量的令牌桶算法①,让预留了时延和带宽的流媒体可以被控制,确保了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。

    IEEE802.1BA:“音频/视频桥接(AVB)系统”,这同样是基于IEEE 802.1AVB草案的标准,提供专业质量的音视频。

    另外还有两个建立于多种网络链路层上的相关标准:

    IEEE 1722(AVBTP):“时间敏感媒体流的第二层传输协议”,可实现目前使用IEEE 1394(火线)到AVB应用的转移。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。

    IEEE 1733(RTP):“实时传输协议”,扩展的RTCP,使AVB可以支持网络上的RTP流媒体。RTP是一种目前应用最广泛的实时流媒体协议,与IEEE 802.1 AVB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。 上一页 1 2 下一页


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