下一代下一代网络网络网络音视频音视频音视频实时传输实时传输实时传输技术技术 -- Ethernet AVB

作者作者：：何冬（首席工程师, Dong.He@harman.com）

黄晟（工程师, Sheng.Huang@harman.com）

Charles Wang（技术总监, Charles.Wang@harman.com）

哈曼哈曼（（上海上海））研发中心集团技术研究部

摘要

以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio/Video Bridging，以下简称Ethernet

AVB）是一项新的IEEE 802标准，其在传统以太网络的基础上，通过保障带宽

（Bandwidth），限制延迟（Latency）和精确时钟同步(Time synchronization)，提

供完美的服务质量（Quality of Service, 简称QoS），以支持各种基于音频、视频

的网络多媒体应用。Ethernet AVB关注于增强传统以太网的实时音视频性能，同

时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实

时传输技术。

引言

1982年12月IEEE 802.3标准的发布，标志着以太网技术的起步。经过不到

30年的发展时间，以太网的传输速度已经从最初的10Mbps发展到100Mbps、

1000Mbps、10Gbps，甚至即将出现的100Gbps。以太网低廉的端口价格和优越

的性能，使得以太网占据了整个局域网的85%左右，而基于以太网的网桥、集线

器、交换机和路由器则构成了互联网体系相当重要的组成部分。

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，这对网络

的带宽及服务质量都提出了更高的要求。不过，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工作组正致力于制定一系列的新标准，对现有的以太网进行

功能扩展，通过建立高质量、低延迟、时间同步的音视频以太网络，为家庭或企

业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。

Ethernet AVB网络的构成

为了在以太网上提供同步化低延迟的实时流媒体服务，需要建立AVB网络，

称之为AVB“云”（Cloud）。AVB“云”的建立需要至少速度在100Mbps以上的

全双工（Full-duplex）以太链路，这就需要能保障传输延迟的AVB交换机(Switch)

和终端设备(End Point)，以及逻辑链路发现协议（IEEE 802.1AB - LLDP），用于

设备之间交换支持AVB的协议信息。

如图1所示，在AVB“云”内，由于延迟和服务质量得到保障，能够高质量地提供实时的流媒体服务。同时，AVB网络保持与传统以太网的兼容，也能

够连接到传统的交换机、集线器和终端设备。但由于集线器的半双工

（Half-duplex）特性，以及传统以太网交换机不具有AVB功能，无法完全保障

其流媒体服务的实时性，因此在AVB“云”外，只保障普通的最大交付功能（Best

Effort）并与AVB网络相连。

图1

Ethernet AVB解决的问题

流媒体服务在如今的以太网上已经得到广泛应用。虽然通过缓冲（Buffer）

及自适应时钟恢复技术(Adaptive Clock Recovery)能够在一定程度上解决网络时

延和抖动带来的问题，但这本身又会引入更多的延迟，而超过AV应用本身所允

许的误差范围，并且恢复的时钟也没有足够的精度对不同位置的AV信号进行同

步。为此，AVB定义了高精度的时钟同步协议（IEEE 802.1AS），为以太网提供

完美的低延迟、低抖动的时钟。

为了解决网络中AV实时流量与普通异步TCP流量之间的竞争问题，AVB

定义了流预留协议（IEEE 802.1Qat），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。

此外，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。

AVB规定了A类（Class A）和B类（Class B）两种音视频流，对应的以太

网帧率（Frame Rate）分别为125µs和250µs。根据IEEE 802.1D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，使得更多资源紧凑的设备也能实现

AVB的功能。

IEEE 802.1 AVB标准概览

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IEEE 802.1 AVB标准形成了AVB的基础体系，它们分别是：

一、 精准时间同步协议（Precision Time Protocol ，简称PTP）-- IEEE

802.1AS：“Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications

in Bridged Local Area Networks”；

二、 流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP） -- IEEE

802.1Qat：“Virtual Bridged Local Area Networks – Amendment 9:

Stream Reservation Protocol (SRP)”；

三、 队列及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav） --

IEEE 802.1Qav：“Virtual Bridged Local Area Networks – Amendment 11:

Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams”；

四、 音视频桥接系统（Audio/Video Bridging Systems）-- IEEE 802.1BA：

“Local and Metropolitan Area Networks—Audio Video Bridging (AVB)

Systems”；

此外，还有另外两个使用IEEE 802.1 AVB来提供高质量专业音视频的标准：

一、（二层）音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，

简称AVBTP） -- IEEE 1722：“Layer 2 Transport Protocol for Time

Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks”;

二、（三层）实时传输协议（Real-time Transport Protocol，简称RTP）-- IEEE

1733：“Layer 3 Transport Protocol for Time Sensitive Applications in Local

Area Networks”。

关于AVB的详细信息及进展情况，可以访问其官方网址

http://www.ieee802.org/1/pages/avbridges.html

图2为IEEE 802.1 AVB的协议栈框图。

IEEE 802.1AS精准时间同步协议精准时间同步协议（（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。

图2

IEEE 802.1Qat流预留协议流预留协议（（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