IEEE 802.1 AVB 相关协议简介
本周老师布置了阅读关于Deterministic Ethernet及其相关协议的报告，并要求整理IEEE 802.1中的AVB与TSN技术。该技术旨在提升局域网中实时性和可靠性通信质量。AVB（音频视频桥接）通过精确时间同步（PTP）、流预留（SRP）、队列及转发（Qav）和音视频桥接（AVB）等协议实现了高质量音视频传输与普通以太网流量的区分管理。这些协议不仅保障了低延迟和高带宽资源分配，还通过自动协商机制确保网络时钟同步与资源预留效率。当前AVB系统标准仍在完善中，主要精力集中在其他三个关键协议上。
最近一周里,老师安排我阅读了Wilfried Steiner在2013 Rate会议上所做的关于'Deterministic Ethernet: Standardization in Progress and Beyond'的报告。为了帮助我更好地理解802.1中的AVB及TSN协议的相关内容而进行了详细讲解。因此也正好帮我梳理了这些技术领域的相关知识结构。
1982年12月发布的 IEEE 802.3 标准标志着以太网技术的发展新纪元。不同于以往的技术, 确定性以太网 (Deterministic Ethernet) 的目标是使网络更好地适应实时性和高可靠性需求的应用场景。为此, IEEE 802.1 标准则为局域网 (LAN) 和城域网 (MAN) 的一般架构提供了标准化解决方案, 并结合 IEEE 802.3 标准, 则为 Ethernet交换机提供了一个工作规范。随着 AVB 协议族的成功应用, IEEE 802.1 成为了实时通信领域的基石; 而 TSN 协议族的到来, 则让 IEEE 802.11 系统迈入了硬实时与可靠通信的新时代。
AVB相关协议
近年来
IEEE 802.1 AVB工作组发布了系列新标准，在确保与现有以太网体系完全兼容的前提下进行了功能拓展。该组织通过支持稳定的带宽并降低了延迟及实现了精确的时间同步，并构建了高质量、低延迟且具备精确时间同步的音视频以太网络。这些创新措施提供了适用于普通数据传输和实时音视频流的局域网解决方案。
AVB体系主要包括四个标准：
802.1AS 准确时间同步协议（Precision Time Protocol缩写为PTP）：支持小延迟和小抖动的时钟系统。
在桥式局域网中为时间敏感的应用提供精确的时间同步服务。
该协议不仅包括同步机制本身（protocol），还包括实现该机制的技术手段（technique）。
该协议主要用于解决网络中的实时视频流与其他数据传输之间的冲突。它通过协商机制，在所有交换机之间建立连续的通路，并动态地分配带宽资源。从而保证了从源设备到终端设备的端到端服务质量及延迟保障
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802.1QAV队列及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol, 简称QAV）旨在解决网络中实时视频流与普通异步TCP流量之间的竞争问题。基于协商机制，在AV流从源设备经过多个交换机最终到达终端设备的全路径上预留必要的带宽资源以保证端到端的服务质量和延迟保障。
Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams: An enhancement over strict priority-based forwarding and queuing mechanisms that ensures fair distribution of lower-priority traffic within the network. -
802.1BA音频视频桥接系统的技术规范（简称AVB）：定义该技术规范中与AVB系统相关的配置文件。
802.1AS 精准时间同步协议 PTP：
基于IEEE 1588:2002协议的PTP（网络时间同步协议）中明确规定了网络时间同步的整体机制。通过建立主时钟选择与协商算法、路径延迟测算与补偿机制以及时钟频率匹配与调节等子系统，在PTP设备间实现标准以太网消息的交换过程，在所有网络节点的时间均被同步至同一个主时钟参考值。作为IEEE 1588协议的一个简化版本，在其设计中完全摒弃了传统的IP路由方式这一显著特点与IEEE 1588存在本质区别在于PTP采用了二层网络架构而非依赖IP地址的路由机制。无论是采用何种方法实现主时钟协商均遵循相同的自动协商流程即最优主时钟算法（Best Master Clock Algorithm BMCA）。BMCA不仅包含了底层的基础协商和信令逻辑用于确定AVB局域网内的主时钟Grandmaster）还特别强调当Grandmaster发生变更时整个AVB网络能够在最短时间内重新确定新的主时钟从而保证整个网络持续稳定的同步状态。作为核心功能之一的时间戳机制Timestamping）在PTP通信过程中发挥着关键作用：每当带有时间戳功能的端口发送或接收数据包时都会触发本地实时时钟RTC采样并将其值与相对应的主时钟信息进行对比利用路径延迟测算和补偿技术使得本地RTC值与当前运行环境下的PTP域时间达到精确匹配状态。当PTP同步机制覆盖整个AVB局域网后各节点设备间即可通过定期发送接收带有时间戳的数据包来进行精确的时间校准和频率调节操作最终所有参与同步的节点都能收敛到同一个统一的时间参考点即Grandmaster时间点在最多七跳的距离内理论上可确保每微秒（μs）内的最大累积同步误差不超过理想状态下的理论水平
802.1Qat流预留协议 SRP:
传统IEEE 802网络标准具有一定的局限性，在区分普通异步流量与时间敏感的流媒体流量的优先级方面存在不足。为了保障服务质量（QoS），流预留协议（SRP）通过机制确保AV流设备间的端到端带宽可用性。当所需路径带宽资源可分配时，则该路径上的所有设备（包括交换机和终端设备）将对该资源实现锁定。SRP采用多注册协议（Multiple Registration Protocol, MRP）来进行消息传递，在实现带宽资源预留的同时传输AV流的相关描述信息。符合SRP标准的交换机能够有效利用网络可用带宽资源中的75%，而剩余25%则用于处理传统的以太网流量。在SRP框架中担任提供服务角色的是Talker端点，在接收数据流的是Listener端点。一个Talker提供的AV流服务可同时被多个Listener接收到，并且SRP允许单向的数据流动得到保障。只要任意一条从Talker到Listener的数据传输通道具备可协商并锁定带宽的能力，则Talker便可以开始提供实时AV视频服务支持。SRP内部的状态机采用周期性更新机制来维护Talker及Listener的相关注册信息，并动态监测并更新网络节点状态数据库以适应拓扑结构的变化需求。无论是作为发送方还是接收方的角色参与AVB网络通信都不会影响其整体功能与运行状态的有效性表现良好
802.1Qav 队列及转发协议 Qav:
Qav队列及转发协议的主要作用是确保传统的异步以太网数据流量不会影响到AVB的实时音视频流传输质量。对于时间敏感的AV流而言，在采用伪同步模式（Pseudo-synchronous）进行转发过程中，默认依赖于SRP提供必要的预留带宽，并为PTP提供固定的8Khz时钟频率支持。在每个125us的时间片周期内，包含AVB数据的802.3以太网 isochronous 时隙就会被主动转发出去。为了防止普通数据流量与AVB流量在争夺网络资源上造成竞争，在Qav交换机内部会对时间敏感的AV流和普通数据流进行了专门的区别处理：分别对等时帧和异步帧进行独立排队操作，并赋予等时帧最高的服务优先级保障其快速传输通道的存在性。即使在保证所有等时帧能够优先传输的基础上继续维持正常的异步数据服务供给功能这也是Qav系统中的核心机制即优先级管理（Prioritize）配合流量整形（Traffic Shaping）所实现的功能机制之一尽管如此终端设备与交换机都需要各自具备相应的机制来确保至少75%的网络带宽资源能够被分配用于满足AVB应用的需求但大部分实现工作将由专门配置好的AVB交换机系统来完成
802.1BA音视频桥接系统标准 AVB:
该系统标准列出了用于生产制造AVB兼容设备过程中的预设参数与设置方案，并提供了相应的指导说明以帮助无网络专业知识的人员轻松构建与使用AVB网络而不需进行复杂的配置操作。当前该工作组的主要研究焦点集中在其他三项关键协议上（如IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qat以及IEEE 802.1Qav），而目前该标准仍处于初步研发阶段。