通過橋接網(wǎng)絡進行的面向數(shù)據(jù)包的通信已經(jīng)確立起了的世界性標準。然而，原來的以太網(wǎng)不是確定性的，不適合實時應用。改善以太網(wǎng)實時性的一個解決方案是AVB/TSN。

以太網(wǎng)幀或IP包可以在不同的物理介質(zhì)上透明地傳輸，因為以太網(wǎng)是與物理層解耦的。這意味著，通過不同網(wǎng)絡類型連接的設(shè)備可以毫無問題地相互通信，例如，在汽車中使用無線連接的移動電話和使用INICnet網(wǎng)絡（ISO21806）的控制單元（通過車輛的Telematic處理單元或網(wǎng)關(guān)）。IP數(shù)據(jù)包從發(fā)送方路由到接收方。

但傳輸時間、延遲、抖動和丟失的數(shù)據(jù)包怎么辦？最初的以太網(wǎng)不是確定性的，也就是說，無法控制設(shè)備何時和多少數(shù)據(jù)被允許發(fā)送，也無法控制數(shù)據(jù)包的傳輸路線。兩個設(shè)備之間的傳輸時間不斷變化，如果網(wǎng)絡過載，數(shù)據(jù)包就會丟失。這種行為與必須保證低延遲的關(guān)鍵應用是不相容的。

提供低延遲和確定性的專有總線和網(wǎng)絡技術(shù)只是一個有限的解決方案。所有市場的趨勢是走向標準化和開放的技術(shù)，不與特定的制造商相聯(lián)系。此外，標準技術(shù)既不需要特殊的專業(yè)知識，也不需要復雜和昂貴的網(wǎng)關(guān)。

圖1. AVB系統(tǒng)通常基于不同標準和協(xié)議的組合

?AVB解決方案?

各界對以太網(wǎng)的弱點已經(jīng)研究了很多年。隨著時間的推移，已經(jīng)開發(fā)了各種解決方案來改善以太網(wǎng)的實時性，其中之一是AVB/TSN。AVB（音視頻橋接）的話題是在2008年的一個IEEE工作組中開始的。當時，目標是改善以太網(wǎng)上時間關(guān)鍵的音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸，通過以太網(wǎng)提供時間關(guān)鍵的音頻和視頻數(shù)據(jù)。AVB不僅包括IEEE 802.1BA標準，還包括以下標準（圖1）：

- 用于時間同步的IEEE 802.1AS

- 用于交換機中傳輸控制和幀的中間緩沖的IEEE 802.1Qav

- 用于音頻和視頻流的動態(tài)帶寬分配的IEEE 802.1Qat - IEEE 1722傳輸協(xié)議

- 用于動態(tài)配置支持AVB的網(wǎng)絡和設(shè)備的IEEE 1722.1

該標準已于2011年完成并發(fā)布。

它首先被用于各種多媒體應用，后來也被用于工業(yè)部門，特別是用于傳輸時間緊迫的命令或傳感器數(shù)據(jù)。隨著人們對非多媒體應用的AVB興趣的增加，在IEEE成立了時間敏感網(wǎng)絡（TSN）工作組。TSN繼承了AVB的標準，并在專業(yè)音視頻、工業(yè)、汽車和航空航天等領(lǐng)域涉及更廣泛的應用。

在汽車領(lǐng)域，最初的AVB標準至今仍在使用，但在某些情況下，TSN的修訂版本已經(jīng)在使用。本文主要涉及AVB標準，它相當于TSN。 ?

用gPTP進行時間同步?

通用精確時間協(xié)議（gPTP - IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統(tǒng)的共同基礎(chǔ)。其目的類似于計算機行業(yè)的網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）。NTP確保計算機時鐘與一個參考時鐘同步，精度為毫秒。這樣的精度對于計算機和服務器來說是絕對夠用的，但對于同步或時間緊迫的應用來說就太不準確了。gPTP在以太網(wǎng)設(shè)備中提供了更精確的時間基礎(chǔ)，通常在微秒范圍內(nèi)，最好甚至是納秒。



圖2. 在時間同步過程中，gPTP基準和gPTP客戶端之間的流程

gPTP基本上由兩個機制組成：參考時間的分配和傳輸時間的計算（圖2）。時間從一個或多個時間參考節(jié)點（根據(jù)IEEE標準的gPTP主節(jié)點）分配給一個或多個客戶（根據(jù)IEEE標準的gPTP從節(jié)點）。

與IEEE 1588的兩階段程序類似，gPTP總是連續(xù)發(fā)送兩個幀："SYNC "和 "Follow Up"。根據(jù)所包含的時間戳，客戶機將其本地時鐘重置為參考時間，這樣網(wǎng)絡中的所有設(shè)備就能以完全相同的時間為基礎(chǔ)工作。

然而，只有同時考慮到網(wǎng)絡上所需的傳輸時間，才能實現(xiàn)非常準確的時間基礎(chǔ)。

為此，所謂的對等延遲測量總是在直接相鄰節(jié)點之間成對進行的。然后，每個節(jié)點測量的傳輸時間的總和導致對等延遲值，通過該值修正gPTP時間。 ?

傳輸協(xié)議?

IEEE 1722-AVTP：音頻視頻傳輸協(xié)議是通過以太網(wǎng)AVB傳輸音頻/視頻數(shù)據(jù)以及時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的標準傳輸協(xié)議。它是一個精簡的ISO/OSI第二層協(xié)議，通過MAC地址對設(shè)備進行尋址。因此，沒有必要集成一個完整的IP協(xié)議棧。這有助于最大限度地減少項目和設(shè)計的規(guī)模、成本和復雜性。

IEEE 1733-RTP/RTCP：RTP和RTCP（IETF RFC 3550）是基于IP的網(wǎng)絡協(xié)議，用于通過以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。它們已經(jīng)在所有工業(yè)和消費設(shè)備中使用了多年，如視頻監(jiān)控攝像機或InterCom設(shè)備。IEEE 1733是對RTP/RTCP的改進，用于與AVB同步傳輸，因此是基于IP的IEEE 1722的替代品。 ?

流量整形?

一個以太網(wǎng)網(wǎng)絡通常由大量的終端（計算機、電子設(shè)備）和橋接器（交換機、網(wǎng)關(guān)等）組成。與所選擇的傳輸協(xié)議無關(guān)，數(shù)據(jù)被封裝在以太網(wǎng)幀中，從發(fā)送方通過幾個橋接（hop）到接收方。幀的傳輸方式是不確定的。路由內(nèi)的網(wǎng)橋以更快或更慢的速度轉(zhuǎn)發(fā)幀（存儲轉(zhuǎn)發(fā)、直通）。在網(wǎng)絡擁堵的情況下，幀有時會被緩沖一定的時間。在最壞的情況下，它們甚至可能丟失。

工業(yè)以及汽車系統(tǒng)需要低的、確定的延遲，最重要的是需要可靠的傳輸，沒有幀丟失的風險。流量整形（IEEE 802.1Q--服務質(zhì)量的一部分）被用于此目的。流量整形定義了網(wǎng)橋應如何根據(jù)優(yōu)先級處理幀的策略。例如，有幾個關(guān)于流量整形的標準，例如：

- IEEE 802.1Qav, 時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊增強（FQTSS），也常被稱為基于信用的整形（CBS）

- IEEE 802.1Qbv, 增強預定流量，通常也被稱為時間感知整形（TAS）

- IEEE 802.1Qch, 循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)

- IEEE 802.1Qcr, 異步流量整形

其中CBS和TAS主要應用于汽車領(lǐng)域。 通過基于信用的整形，每個以太網(wǎng)設(shè)備收到一個信用，用于發(fā)送幀。只要信用仍然是正數(shù)，設(shè)備就可以繼續(xù)傳輸。

之后，它必須等待，直到信用被補充。這種策略能夠有效地利用帶寬。沒有預先定義的時間槽。需要不定期發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點可以收集他們的信用并一次性用完。

用CBS配置AVB網(wǎng)絡是相對簡單的。相比之下，時間感知整形TAS策略是基于時隙模型的。它不再基于要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，而是基于傳輸?shù)念l率。節(jié)點不再被允許在任何長度的時間內(nèi)發(fā)送，但它們被保證允許非常有規(guī)律地發(fā)送。因此，可以實現(xiàn)一個明顯更低和更確定的延遲。

然而，Qbv的缺點是網(wǎng)絡帶寬并不總是被有效利用。如果節(jié)點不使用他們的時間槽，這些槽以及帶寬就會丟失。 ?

與AVNU的互操作性?

對于AVB的實施，系統(tǒng)架構(gòu)師可以利用各種可用的組件。根據(jù)系統(tǒng)要求，可以實現(xiàn)AVB的不同子集。一方面，這對硬件組件是有幫助的，但另一方面，它可能會導致互操作性問題，因為不同供應商的設(shè)備不支持完全相同的AVB功能。由于IEEE標準有時會被工程師們做出不同的解釋，這使得情況更加復雜。

AVNU聯(lián)盟，即所謂的以太網(wǎng)AVB功能和互操作性規(guī)范定義了汽車領(lǐng)域的AVB子集和相關(guān)參數(shù)的參考，這些參數(shù)應在每個設(shè)備中實現(xiàn)，以確保供應商之間的互操作性。具備AVB功能的設(shè)備可以由測試公司進行外部測試，或在內(nèi)部用特殊的測試設(shè)備進行AVNU兼容性測試。 ?

AVB實踐應用?

在實踐中，支持AVB的網(wǎng)絡由幾個部分組成：交換機、PHY和節(jié)點。為了達到預期的性能，所有的交換機和節(jié)點都必須支持AVB。通過IEEE標準、AVNU和OpenAlliance規(guī)范，來自不同制造商的PHY和交換機等組件現(xiàn)在可以高度互操作。

然而，在終端節(jié)點實現(xiàn)音視頻橋接仍然是一項復雜而漫長的開發(fā)任務。系統(tǒng)通常是在SoC或高端微控制器的基礎(chǔ)上開發(fā)的，其中必須集成大量的軟件：實時操作系統(tǒng)、Autosar和AVB協(xié)議棧，這往往還需要許可。

一種替代方案是使用特殊芯片的AVB節(jié)點。這是一種集成了AVB協(xié)議的智能以太網(wǎng)控制器。因此，AVB作為一個基于硬件的解決方案立即變得簡便，不再需要軟件開發(fā)。 ? ?

審核編輯：劉清