IEEE 802.1 AVB 相关协议简介

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这周老师让我阅读2013年Rate会议上Wilfried Steiner 做的报告:”Deterministic Ethernet: Standardization in Progress and Beyond”，顺便对802.1中的AVB&TSN相关协议内容进行报告，所以正好顺便整理一下相关知识。

1982年12月IEEE 802.3标准的发布，标志着以太网技术的起步。与以太网不同，确定性以太网（Deterministic Ethernet）的目标是使以太网能够更好适用于具有实时性和容错性的应用。IEEE 802.1为为局域网（LAN）和城域网架构（MAN）的一般架构提供了标准。与IEEE 802.3结合起来，他们为以太网交换机提供了一个工作标准。AVB协议族的出现，使IEEE 802.1跨入了实时通信领域，TSN协议族的产生，使IEEE 802.11走进了硬实时和可靠通信的领域。

AVB相关协议

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，但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工作组制定了一系列的新标准，在保持完全兼容现有以太网体系的基础上，对现有的以太网进行功能扩展，通过保障带宽（Bandwidth），限制延迟（Latency）和精确时钟同步（Time synchronization），通过建立高质量、低延迟、时间同步的音视频以太网络，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。

AVB体系主要包括四个标准：

1. 802.1AS 精准时间同步协议 （Precision Time Protocol ，简称PTP）: 提供低延迟、低抖动的时钟。
   Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks: a protocol and technique to synchronize local clocks in the network to each other.
2. 802.1Qat流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP） :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。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。
   a protocol that allows applications to dynamically reserve bandwidth in the network.
3. 802.1Qav 队列及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）: 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。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。
   Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams: an enhancement over strict priority based forwarding and queueing mechanisms that establishes fairness properties for lower priority traffic in the network.
4. 802.1BA音视频桥接系统标准（Audio/Video Bridging Systems，简称AVB）:definition of profiles for AVB systems.

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能够保证时钟同步误差在1μs以内。

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 802.1ak多注册协议（Multiple Registration 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。

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。

802.1BA音视频桥接系统标准 AVB:

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。