AVB网络协议概述

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IEEE802.1 AVB标准形成了AVB的基础体系，它们分别是：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，PTP）；流预留协议（Stream Reservation Protocol，SRP）；队列及转发协议（Queuing and Forward-ing Protocol，Qav）；音视频桥接系统（Audio/Video Bridging Systems）。此外，还有另外两个使用IEEE802.1 AVB来提供高质量专业音视频的标准：（二层）音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，AVBTP）；（三层）实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）。

图5-15为IEEE802.1 AVB协议栈框图。

图5-15 IEEE802.1 AVB协议栈框图

1.IEEE802.1AS精准时间同步协议（PTP）

AVB定义了高精度的时钟同步协议（IEEE802.1AS），PTP为流媒体实时传输提供完美的低延迟、低抖动的时钟。

基于IEEE1588：2002协议，PTP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，将PTP设备交换标准的以太网消息，网络各个节点的时间都同步到一个共同的主时钟（Master）。作为IEEE1588协议的一个简化版本，IEEE802.1AS与IEEE1588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IEEE1588一样，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（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。一旦主时钟（Master）被选定，所有局域网节点的PTP设备将以此主时钟为参考值，如果主时钟发生变化，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）的取样，将自己的RTC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局域网时，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Master时间。在最大7跳的网络环境中，理论上PTP能够保证时钟同步误差在1μs以内。

2.IEEE802.1Qat流预留协议（SRP）

为了解决网络中AV（音视频信号）实时流量与普通异步TCP流量之间的竞争问题，AVB定义了数据流预留协议（IEEE802.1Qat），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，以提供端到端（End-to-End）的服务质量及延迟保障。

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），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IEEE802.1ak多注册协议（简称MRP）来传递消息，以交换AV（音视频）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，流服务的提供者叫作Talker，流服务的接收者叫作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的单向数据流流动。只要从Talker到多个Listener中的任意一条路径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，维护着Talker及Listener的注册信息，能够动态地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。(www.xing528.com)

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。

3.IEEE802.1Qav队列及转发协议（Qav）

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250μs的时隙内转发AV流。Qav的作用是确保传统的异步以太网数据流量不会干扰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提供沿路径的预留带宽以及为PTP提供8kHz的时钟。在每个125μs的时隙，包含AVB数据的IEEE802.3以太网等时帧就会被进行转发。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（音视频）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 Sha-ping）。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IEEE802.1Qav的大部分实现将由AVB交换机负责。

4.IEEE802.1BA 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。

AVB规定了A类和B类两种音视频流，对应的以太网帧率分别为125μs和250μs。根据IEEE802.1D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250μs的延迟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。

5.IEEE1722音视频传输协议（AVBTP）

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IEEE1394同样的流格式进行数据传输及AV同步。

AVBTP定义了局域网内提供实时音视频数据流服务所需的二层包格式，AV流的建立、控制及关闭协议。

各种压缩与非压缩的原始音视频数据流经由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等相关信息），通过AVBTP专用的以太网帧类型进行组播，从流媒体服务者（Talker）发出，由AVB交换机进行转发，再被接收者（Listener）接收并解包、解码然后输出。

6.IEEE1733实时传输协议（RTP）

RTP是一种目前应用最广泛的实时流媒体协议，它是一种基于三层UDP/IP网络的协议。为了在基于IP的三层应用上利用两层AVB的性能，IEEE1733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。其中涉及封包格式，流的建立、控制、同步及关闭等协议。