縱覽過(guò)去的十年，得益于統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，IT行業(yè)的技術(shù)飛速進(jìn)步。從最開始的常規(guī)10M網(wǎng)到今天隨處可見的10G高速網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)幾乎影響著人們?nèi)粘Ｉ畹拿總€(gè)角落。相比之下，音視頻行業(yè)的發(fā)展卻未盡如人意。為網(wǎng)絡(luò)音頻和視頻傳輸設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一直是 AV 行業(yè)過(guò)去二十年來(lái)的目標(biāo)。迄今為止，由于缺乏行業(yè)公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)造成有關(guān)空白，令許多制造商各自為戰(zhàn)，開發(fā)專有解決方案試圖填補(bǔ)這一空白。然而付出未必有回報(bào)，單一技術(shù)無(wú)法解決所有數(shù)字音視頻網(wǎng)絡(luò)的難題。這些解決方案都不可能成為統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。自2005年AVB問(wèn)世以來(lái)為包括音視頻行業(yè)在內(nèi)的所有具有實(shí)時(shí)傳輸需要的應(yīng)用指明了方向。2012年，AVB網(wǎng)絡(luò)正式更名為TSN網(wǎng)絡(luò)，從此基于以太網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)技術(shù)步入了新紀(jì)元，TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)正式取代傳統(tǒng)以太網(wǎng)登上了歷史的舞臺(tái)。
1） “傳統(tǒng)以太網(wǎng)”的誕生
我們通常認(rèn)為以太網(wǎng)是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的。并于1982年（Ethernet V2）投入商業(yè)市場(chǎng)且很快擊敗了與其同期的令牌環(huán)、FDDI和ARCNET等其他局域網(wǎng)技術(shù)被全球普遍采用。以太網(wǎng)技術(shù)從根本上解決了在局域網(wǎng)內(nèi)的信息互傳/共享的問(wèn)題。然而在創(chuàng)建之初，以太網(wǎng)只考慮了一些非實(shí)時(shí)的靜態(tài)信息。例如：文字和圖片。即便是共享音頻和視頻，但只限于下載和互傳。
1982年，第一臺(tái)CD機(jī)在日本問(wèn)世。這標(biāo)志著音視頻從此由純模擬走入了“數(shù)字化”。而1996年由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）開發(fā)的RTP（Realtime Transport Protocol）則奠定了音視頻在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)幕A(chǔ)，也就是說(shuō)音視頻又實(shí)現(xiàn)了從“數(shù)字化”進(jìn)化到了“網(wǎng)絡(luò)化”。之后的VoIP正是借用了RTP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在全球互聯(lián)網(wǎng)上的“網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字通訊”。
由于本文即將闡述“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”，因此，為了加以區(qū)別，我們將目前大家所熟知的以太網(wǎng)稱為“傳統(tǒng)以太網(wǎng)”。那么究竟“傳統(tǒng)以太網(wǎng)”是如何工作的呢？
2） “傳統(tǒng)以太網(wǎng)”的基本原理
首先我們先要搞清楚以太網(wǎng)的工作原理。以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最廣泛的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進(jìn)行組網(wǎng)。包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆網(wǎng)（1Gbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)。它們都符合IEEE802.3。（注：bps=bit/s）
以千兆網(wǎng)（1Gbit/s）為例：假如說(shuō)交換機(jī)的端口帶寬是1Gbps，則說(shuō)明每秒可傳輸1000,000,000個(gè)二進(jìn)制的“位”。大家一定要注意以太網(wǎng)中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說(shuō)在網(wǎng)卡的物理端口會(huì)在每一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)“寫入”或是“讀取”一個(gè)電位值（0或1）。那么這個(gè)單位時(shí)間對(duì)于1Gbps帶寬來(lái)說(shuō)就是1÷1000,000,000=1ns。如圖一所示：
圖一
每8個(gè)位（bit）相當(dāng)于1個(gè)字節(jié)（Byte）。多個(gè)字節(jié)（Byte）可以組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)是以幀為單位的。以太網(wǎng)規(guī)定每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的最小字節(jié)是64byte，最大字節(jié)是1518byte。實(shí)際上每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間還會(huì)有一個(gè)12字節(jié)的間隔。如圖二所示：
圖二
3） 如何理解網(wǎng)絡(luò)帶寬？
正確理解網(wǎng)絡(luò)帶寬是理解“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”的前提。我們先舉個(gè)例子：如果我們有10個(gè)數(shù)據(jù)流（當(dāng)然每個(gè)數(shù)據(jù)流中會(huì)有成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)幀），每個(gè)數(shù)據(jù)流的帶寬是100Mbps，那么這10個(gè)數(shù)據(jù)流可以通過(guò)1Gbps的帶寬嗎？我們可以用圖三來(lái)表示嗎？
圖三
首先，這種表示方法是錯(cuò)誤的。因?yàn)檎缥覀兦拔乃f(shuō)，網(wǎng)絡(luò)是串行的，而上圖所表示的方法是并行的。這個(gè)例子的正確答案是“不一定”。
如圖四所示才是帶寬的正確表示方法。在這里，你應(yīng)該把1G的帶寬想象成在理想情況下，可以有包含總數(shù)為109二進(jìn)制位的數(shù)據(jù)幀在1秒鐘通過(guò)。通常數(shù)據(jù)幀都不會(huì)占用整個(gè)帶寬，每一段數(shù)據(jù)流（包含很多的數(shù)據(jù)幀）在單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，也就是我們所說(shuō)的每個(gè)數(shù)據(jù)流所占用的帶寬。一定要記住，網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)幀都是串行通訊。
圖四
想通了這個(gè)問(wèn)題，我們假設(shè)如果這10個(gè)100M的數(shù)據(jù)流能夠頭尾相連，嚴(yán)格按時(shí)間順序排列如圖五所示，那么答案是：“可以”。也就是說(shuō)在理想情況下，這10個(gè)100M的數(shù)據(jù)流可以在1Gbps的帶寬下順利傳到對(duì)端。
圖五
但大多數(shù)情況下，由于帶寬通常是由多個(gè)設(shè)備共享的，這也是以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)所在。而且所有的發(fā)送端沒有基于時(shí)間的流量控制，那么這些發(fā)送端永遠(yuǎn)是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這樣來(lái)自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流就會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生重疊，即我們通常所說(shuō)的沖突。如圖六所示，在這種情況下，答案就是：“不行”。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會(huì)遵循QoS優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，一部分的數(shù)據(jù)包肯定會(huì)被丟棄。
圖六
在IT專業(yè)里有一個(gè)不成文的規(guī)定。當(dāng)某個(gè)交換機(jī)的帶寬占用率超過(guò)40%時(shí)就必須得擴(kuò)容，其目的就是通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)避免擁堵的產(chǎn)生。
4） 什么是QoS?
QoS（Quality of Service）即服務(wù)質(zhì)量，它提供了針對(duì)不同用戶或者不同數(shù)據(jù)流采用相應(yīng)不同的優(yōu)先級(jí)，或者是根據(jù)應(yīng)用程序的要求，保證數(shù)據(jù)流的性能達(dá)到一定的水準(zhǔn)。
以太網(wǎng)默認(rèn)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制叫做“Best Effort”（盡力而為）。也就是說(shuō)當(dāng)數(shù)據(jù)包抵達(dá)端口后，本著先入先出的原則轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的流量稀疏，這本不是一個(gè)問(wèn)題。但在實(shí)際環(huán)境中，大量的數(shù)據(jù)包極有可能在一瞬間抵達(dá)端口。當(dāng)然，端口可以在一定程度上緩存并延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，但我們一方面是不能容忍過(guò)大的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，另一方面交換機(jī)的物理端口緩存也非常小，不可能有效解決大量數(shù)據(jù)包瞬間抵達(dá)的問(wèn)題。這種情況下，我們只能對(duì)數(shù)據(jù)中比較重要或是強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。這就要依靠QoS來(lái)對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類和標(biāo)注，并依據(jù)規(guī)則來(lái)進(jìn)行較為智能的轉(zhuǎn)發(fā)。目前市場(chǎng)上較大多數(shù)的需要低延時(shí)的實(shí)時(shí)傳輸采用QoS這一技術(shù)。但QoS能否徹底解決網(wǎng)絡(luò)擁堵的問(wèn)題嗎？
由于Best Effort的機(jī)制，通常具有一定帶寬的一個(gè)數(shù)據(jù)流會(huì)在每秒中不同時(shí)間段傳輸，盡管所占用的帶寬相等，但在每個(gè)時(shí)間段上的時(shí)間節(jié)點(diǎn)卻不同。如圖七所示，這樣在多個(gè)數(shù)據(jù)流共存的時(shí)候，就會(huì)很容易產(chǎn)生帶寬重疊的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致丟包。
圖七
我們所希望看到的是每一個(gè)數(shù)據(jù)流都盡可能按照時(shí)間順序排序從而有效避免不同數(shù)據(jù)流在同一通道中傳輸時(shí)產(chǎn)生重疊，進(jìn)而提高帶寬的利用率。如圖八所示：
圖八
我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)音視頻流恰好是沿等長(zhǎng)的時(shí)間間隔發(fā)布數(shù)據(jù)的。比如說(shuō)：一個(gè)24比特48K采樣的專業(yè)音頻通道，每個(gè)采樣的時(shí)間間隔是20.83 ?s。如果我們按照每6個(gè)采樣封裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包的固定間隔就是125 ?s。每個(gè)數(shù)據(jù)包是由兩個(gè)部分組成，數(shù)據(jù)報(bào)頭（74字節(jié)）+音頻通道采樣數(shù)據(jù)（24字節(jié)X通道數(shù)）。
圖九
為了避免帶寬重疊，我們所需要做的就是將幾個(gè)不同的音頻流進(jìn)行流量整形（Traffic shaping）。以達(dá)到提高可靠交付的目的。這里大家要注意，我指的是流量整形而不是流量控制（Traffic Control）。
比如在一個(gè)帶寬里，有非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和3個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。未經(jīng)整形的帶寬，極易產(chǎn)生重疊。
圖十
而經(jīng)過(guò)流量整形每個(gè)流所占的帶寬會(huì)在同一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。所有的非實(shí)時(shí)流可以見縫插針提高對(duì)帶寬的占用率。這就是AVB的基本原理。
圖十一
AVB不僅可以對(duì)發(fā)送端比如各種音視頻設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行流量整形，還可以對(duì)交換機(jī)中的每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整形。從而確保每個(gè)音視頻流只占用各自相應(yīng)的帶寬而不對(duì)其他數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。
由于以太網(wǎng)的發(fā)明時(shí)間太早，并沒有考慮實(shí)時(shí)信息的傳輸問(wèn)題。盡管RTP能在一定程度上保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，但并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制。因此，想要對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，就離不開對(duì)數(shù)據(jù)的緩沖（Buffer）。但一旦采用緩沖的機(jī)制就又會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題—極大的“延時(shí)”。換句話說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臅r(shí)候從不考慮延時(shí)、排序和可靠交付。這時(shí)，建立可靠的傳送機(jī)制就成了擺在技術(shù)人員面前的首要問(wèn)題。想要解決這些問(wèn)題，我們可以簡(jiǎn)要概括成以下幾點(diǎn)：
1. 必須采用基于MAC地址的傳輸方式即二層傳輸或是基于IP地址UDP的傳輸方式，從而減小數(shù)據(jù)包的開銷以及降低傳輸延時(shí)。
2. 由于二層傳輸和UDP均不屬于可靠交付，因此必須依靠QoS來(lái)“盡可能”保障可靠交付。
3. 所有數(shù)據(jù)包需要有“時(shí)間戳”（Time Stamp），數(shù)據(jù)抵達(dá)后根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的“時(shí)間戳”進(jìn)行回放。因此各個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備必需進(jìn)行“時(shí)鐘同步”也就是通常所說(shuō)的時(shí)鐘校準(zhǔn)。
4. 數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需采用隊(duì)列協(xié)議按序轉(zhuǎn)發(fā)，從而盡可能做到低延時(shí)。
5） 什么是AVB？
AVB——以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務(wù)組于2005開始制定的一套基于新的以太網(wǎng)架構(gòu)的用于實(shí)時(shí)音視頻的傳輸協(xié)議集。它有效地解決了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸中的時(shí)序性、低延時(shí)和流量整形問(wèn)題。同時(shí)又保持了100%向后兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。其中包括：
1. 802.1AS：精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，簡(jiǎn)稱PTP）
2. 802.1Qat：流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡(jiǎn)稱SRP）
3. 802.1Qav：排隊(duì)及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Queuing and Forwarding Protocol，簡(jiǎn)稱Qav）
4. 802.1BA：音視頻橋接系統(tǒng)（Audio Video Bridging Systems）
5. 1722：音視頻橋接傳輸協(xié)議（Audio/Video Bridging Transport Protocol，簡(jiǎn)稱AVBTP）
6. 1733：實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real-Time Transport Protocol，簡(jiǎn)稱RTP）
7. 1722.1：負(fù)責(zé)設(shè)備搜尋、列舉、連接管理、以及基于1722的設(shè)備之間的相互控制。
AVB不僅可以傳輸音頻也可以傳輸視頻。用于音頻傳輸時(shí)，在1G的網(wǎng)絡(luò)中，AVB會(huì)自動(dòng)通過(guò)帶寬預(yù)留協(xié)議將其中750M的帶寬用來(lái)傳輸雙向420通道高質(zhì)量、無(wú)壓縮的專業(yè)音頻。而剩下的250M帶寬仍然可以傳輸一些非實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。用于視頻傳輸時(shí)，可以根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)節(jié)預(yù)留帶寬。比如：750M帶寬可以輕松傳輸高清full HD視覺無(wú)損的視頻信號(hào)。并且可以在AVB網(wǎng)絡(luò)中任意路由。
AVB中的802.1AS是1588協(xié)議在二層架構(gòu)下一種具體實(shí)現(xiàn)。是AVB協(xié)議集中最重要的一部分。有關(guān)詳細(xì)內(nèi)容，我會(huì)在后續(xù)的文章中詳細(xì)描述。
6） TSN和 AVB
很多人聽說(shuō)過(guò)AVB，但對(duì)于TSN卻有些陌生。實(shí)際上，IEEE 802.1任務(wù)組在2012年11月的時(shí)候正式將AVB更名為TSN – Time Sensitive Network時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。也就是說(shuō)，AVB只是TSN中的一個(gè)應(yīng)用。那么TSN究竟有哪些應(yīng)用呢？
第一個(gè)應(yīng)用就是我們的專業(yè)音視頻（Pro AV）。在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域里強(qiáng)調(diào)的是主時(shí)鐘頻率。也就是說(shuō)，所有的音視頻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都必須遵循時(shí)間同步機(jī)制。
第二個(gè)應(yīng)用是在汽車控制領(lǐng)域。目前大多數(shù)的汽車控制系統(tǒng)非常復(fù)雜。比如說(shuō)：剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線。而燈光、車門、遙控等采用LIN系統(tǒng)。娛樂(lè)系統(tǒng)更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，所有上述系統(tǒng)都可以用支持低延時(shí)且具有實(shí)時(shí)傳輸機(jī)制的TSN進(jìn)行統(tǒng)一管理?？梢越档徒o汽車和專業(yè)的A/V設(shè)備增加網(wǎng)絡(luò)功能的成本及復(fù)雜性。
第三個(gè)應(yīng)用是商用電子領(lǐng)域。比如說(shuō)，你坐在家中，可以通過(guò)無(wú)線WIFI連接到任何家中的電子設(shè)備上，實(shí)時(shí)瀏覽任何音視頻資料。
最后一個(gè)應(yīng)用也是未來(lái)最廣泛的應(yīng)用。所有需要實(shí)時(shí)監(jiān)控或是實(shí)時(shí)反饋的工業(yè)領(lǐng)域都需要TSN網(wǎng)絡(luò)。比如：機(jī)器人工業(yè)、深海石油鉆井以及銀行業(yè)等等。TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。全球的工業(yè)已經(jīng)入了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的時(shí)代，毫無(wú)疑問(wèn)TSN是改善物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)效率的最佳途徑。
圖十二
7） AVnu聯(lián)盟（AVnu Alliance）
AVnu是一個(gè)行業(yè)聯(lián)盟，成立于2009年，一直致力于建立和推廣IEEE802.1音視頻橋接 （AVB）網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。Broadcom、Intel、Cisco、Biamp、Harman均屬于該組織的成員。該組織建立了一整套一致性測(cè)試流程從而確保所有基于AVB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的音視頻設(shè)備之間的兼容性和互通性。聯(lián)盟成員一同致力于將TSN標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于Pro AV、Automotive、Consumer Electronics以及Industrial。一旦廠家的產(chǎn)品通過(guò)了AVnu的嚴(yán)格測(cè)試，就可以在其產(chǎn)品上使用AVnu的logo。