Audio Video Bridging (AVB) ist die gängige Bezeichnung für eine Reihe technischer Standards , die eine verbesserte Synchronisierung, geringe Latenz und Zuverlässigkeit für vermittelte Ethernet- Netzwerke gewährleisten. [ 3 ] AVB umfasst die folgenden Technologien und Standards:

  • IEEE 802.1AS -2011: Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications (gPTP);
  • IEEE 802.1Qav -2009: Weiterleitung und Warteschlangenverwaltung für zeitkritische Datenströme (FQTSS);
  • IEEE 802.1Qat -2010: Stream Reservation Protocol (SRP);
  • IEEE 802.1BA-2011 : [ 4 ] Audio Video Bridging (AVB)-Systeme;
  • IEEE 1722-2011 Layer 2 Transport Protocol for Time-Sensitive Applications (AV Transport Protocol, AVTP); und
  • IEEE 1722.1-2013 Device Discovery, Enumeration, Connection Management and Control Protocol (AVDECC).

Die Änderungen IEEE 802.1Qat und 802.1Qav wurden in das Basisdokument IEEE 802.1Q -2011 aufgenommen , das den Betrieb von Media Access Control (MAC) Bridges und Virtual Bridged Local Area Networks spezifiziert .

AVB wurde ursprünglich von der IEEE -Arbeitsgruppe „Audio Video Bridging“ des IEEE-802.1- Standardisierungskomitees entwickelt . Im November 2012 wurde diese Arbeitsgruppe in „Time-Sensitive Networking“ ( TSN) umbenannt , um ihren erweiterten Aufgabenbereich widerzuspiegeln. Dieser besteht nun darin, „Spezifikationen bereitzustellen, die zeitsynchronisierte Streaming-Dienste mit geringer Latenz über IEEE-802- Netzwerke ermöglichen“ [ 5 ] . Die Standardisierungsbemühungen werden in der IEEE-802.1-TSN-Arbeitsgruppe fortgesetzt.

Um die Interoperabilität zwischen Geräten, die die AVB- und TSN-Standards implementieren, zu gewährleisten, entwickelt die AVnu Alliance Gerätezertifizierungen für die Märkte Automobil, Unterhaltungselektronik sowie professionelle Audio- und Videogeräte. [ 6 ]

Hintergrund

Analoge Audio-Video-Geräte (AV-Geräte) verwendeten traditionell unidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für einen einzigen Zweck. Selbst digitale AV-Standards wie S/PDIF für Audio und die serielle digitale Schnittstelle (SDI) für Video behalten diese Eigenschaften bei. Dieses Verbindungsmodell führt zu einem hohen Kabelverbrauch, insbesondere in professionellen Anwendungen und im High-End-Audiobereich. [ 7 ]

Verkabelung eines Patchfelds eines Ü-Wagens

Lösungsversuche für diese Probleme basierten auf Mehrpunkt-Netzwerktopologien wie IEEE 1394 (FireWire) und umfassten die Anpassung gängiger Technologien für vermittelte Computernetzwerke wie Audio over Ethernet (Aover-Ethernet) und Audio over IP (Aover-IP) . Professionelle AV-Lösungen für Privatanwender, Privathaushalte und Fahrzeuge nutzten spezialisierte Protokolle, die weder untereinander noch mit Standard-IT-Protokollen kompatibel waren, während Standard-Computernetzwerke keine hohe Dienstgüte mit präziser Zeitsteuerung und vorhersehbarer oder begrenzter Latenz boten. [ 7 ]

Um diese Einschränkungen zu überwinden, übertragen Audio-Video-Bridging-Netzwerke mehrere audiovisuelle Datenströme über Standard- Ethernet-Switches (d. h. MAC-Bridges ), die in einer hierarchischen Baumtopologie verbunden sind . AVB beinhaltet Layer-2- Protokolle, um Verbindungsbandbreite zu reservieren und den Netzwerkverkehr zu priorisieren, wodurch ein präziser Synchronisationstakt und eine geringe Übertragungslatenz für jeden Datenstrom gewährleistet werden. [ 7 ]

Eine präzise Synchronisierung mehrerer AV-Streams ist erforderlich, um die Lippensynchronisation zwischen Video- und zugehörigen Audiostreams zu gewährleisten, mehrere digital verbundene Lautsprecher in einer professionellen Umgebung phasengleich zu halten (was eine Präzision von 1 µs erfordert) und zu verhindern, dass Audio- oder Videopakete verspätet am Endpunkt eintreffen und dadurch Bildausfälle oder unerwünschte Audiostörungen wie Knackgeräusche oder Stille verursachen. Die maximale Verzögerung, einschließlich Quell- und Zielpufferung, muss gering und deterministisch sein: Die Verzögerung der Benutzeroberfläche sollte etwa 50 ms betragen, damit das Drücken einer Taste und die daraus resultierende Aktion als unmittelbar wahrgenommen werden, und 2 ms für Live-Auftritte oder Studioaufnahmen. [ 7 ]

Zusammenfassung

Abbildung 2 – AVB-Verbindungen

Audio-Video-Bridging (AVB) wird als vermitteltes Ethernet-Netzwerk implementiert, das einen Teil des verfügbaren Ethernet-Speichers für AV-Datenverkehr reserviert. Die AVB-Architektur weist drei wesentliche Unterschiede auf:

Der IEEE 802.1BA ist ein übergeordneter Standard für diese drei Haupttechnologien, der anwendungsspezifische Konfigurationen und Betriebsabläufe für Geräte in vermittelten Audio-Video-Netzwerken definiert.

Die neuen Layer-2 -Konfigurationsprotokolle arbeiten mit abwärtskompatiblen Erweiterungen des Ethernet 802.1-Frame-Formats; solche minimalen Änderungen ermöglichen es AVB-Geräten, in Standard-IT-Netzwerken zu koexistieren und zu kommunizieren. Allerdings können nur AVB-fähige Switches und Endpunkte Netzwerkressourcen mit Admission Control reservieren und die lokale Zeit mit einer Masteruhr synchronisieren, was für zeitkritischen Datenverkehr mit niedriger Latenz erforderlich ist.

Der AVB-Datenverkehr wird per Multicast repliziert, mit einem Sender (Stream-Initiator) und mehreren Empfängern. AVB-Pakete werden in regelmäßigen Abständen in den zugewiesenen Zeitschlitzen gesendet, wodurch Kollisionen vermieden werden. AVB garantiert eine Latenz von 2 ms für Klasse-A-Datenverkehr und 50 ms für Klasse-B-Datenverkehr über maximal 7 Hops, bei einer Übertragungsperiode von 125 µs für Klasse-A- und 250 µs für Klasse-B-Datenverkehr.

Eine IEEE 802.1AS-Netzwerk-Timingdomäne umfasst alle Geräte, die über das gPTP-Protokoll kommunizieren. Der Grandmaster ist ein Gerät, das als Referenzuhr dient; die 802.1BA-Spezifikation schreibt vor, dass jeder Talker und jede Netzwerkbrücke Grandmaster-fähig sein muss.

Die Protokolle für das 802.3-Linkmanagement und die 802.1AS-Linkverzögerungsmessung berechnen die Round-Trip-Verzögerung zum AVB-Endpunkt; diese muss besser sein als die Worst-Case-Leitungsverzögerung aus dem 802.1AS-Peer-Verzögerungsalgorithmus.

Höherwertige Protokolle können 802.1AS-Taktinformationen verwenden, um die genaue Präsentationszeit für jeden AV-Stream festzulegen.

AV-Transport und Konfiguration

IEEE 1722 AVTP

Der IEEE-Standard 1722-2011 [ 8 ] für ein Layer-2 -Audio-Video-Transportprotokoll (AVTP) definiert Details für die Übertragung von IEEE 1394 / IEC 61883 -Streams und anderen AV-Formaten, die Festlegung der Präsentationszeit für jeden AV-Stream und die Verwaltung von Latenzen aus der durch das gPTP-Protokoll berechneten Worst-Case-Verzögerung.

IEEE 1722.1 AVDECC

IEEE Std 1722.1-2013 [ 9 ] ist ein Standard, der die AVB-Erkennung, -Aufzählung, -Verbindungsverwaltung und -Steuerung (AVDECC) von Geräten unter Verwendung von IEEE Std 1722-2011 bereitstellt. AVDECC definiert Operationen zum Erkennen des Hinzufügens und Entfernens von Geräten, zum Abrufen des Geräteentitätsmodells, zum Verbinden und Trennen von Datenströmen, zum Verwalten des Geräte- und Verbindungsstatus sowie zur Fernsteuerung von Geräten.

Interoperabilität

Dienste höherer Schichten können die Synchronisierung und Latenz der Medienübertragung verbessern, indem sie die AVB-Stream-ID internen Stream-Kennungen zuordnen und interne Zeitstempel auf der gPTP-Masteruhr basieren.

IEEE 1733

IEEE Std 1733-2011 [ 10 ] definiert ein Layer-3- Protokollprofil für Echtzeit-Transportprotokoll- Anwendungen (RTP) mit einem RTCP- Nutzdatenformat, das die Stream-ID vom SRP dem Synchronization Source Identifier (SSRC) des RTP zuweist und die RTP-Zeitstempel für die Präsentationszeit mit der 802.1AS gPTP-Masteruhr korreliert.

AES67

AES67 basiert auf dem Standard-RTP über UDP/IP und dem IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTPv2) für die Zeitmessung; Interoperabilität mit AVB/TSN wird durch die Verknüpfung von IEEE 802.1AS-Zeitinformationen mit den AES67-PTPv2-Nutzdaten erreicht. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Die Implementierung von AES67 mit AVB-Interoperabilität wurde auf der InfoComm 2016 demonstriert. [ 15 ] [ 16 ]

Mailand

Im Jahr 2018 kündigte die Avnu Alliance die Mailänder Initiative an, um die Interoperabilität von AVB-Geräten zu fördern und Produktzertifizierungen und -tests anzubieten. [ 17 ]

Die Spezifikation erfordert eine Medientaktung basierend auf dem AVTP CRF (Clock Reference Format) und einer Abtastrate von 48 kHz (optional 96 und 192 kHz). Das Audiostream-Format basiert auf dem AVTP IEC 61883-6 32-Bit Standard AAF Audio Format mit 1 bis 8 Audiokanälen pro Stream (optional 24- und 32-Bit High Capacity Format mit 56 und 64 Kanälen). Redundanz wird durch zwei unabhängige logische Netzwerke für jeden Endpunkt und einen nahtlosen Umschaltmechanismus gewährleistet. [ 17 ]

DetNet

Die IETF -Arbeitsgruppe für deterministische Netzwerke (DetNet) arbeitet an der Definition deterministischer Datenpfade mit begrenzten Latenz-, Paketverlust- und Jittergrenzen sowie hoher Zuverlässigkeit. DetNet soll sowohl über Layer-2-Bridged-Segmente als auch über Layer-3-Routing-Segmente funktionieren und nach Möglichkeit Interoperabilität mit AVB/TSN-Switches nutzen. [ 18 ]

Eine mögliche Anwendung von DetNet ist die professionelle Audio-/Videotechnik, beispielsweise für Musik- und Filmproduktionen, Rundfunk, Kino, Live-Sound und Systeme für große Veranstaltungsorte (Stadien, Hallen, Konferenzzentren, Freizeitparks, Flughäfen, Bahnhöfe usw.) zur Beschallung, zum Medienstreaming und für Notfalldurchsagen. Ziel ist es, ein geografisch verteiltes, campus- oder unternehmensweites Intranet für die Inhaltsbereitstellung mit begrenzter, niedriger Latenz (10–15 ms) zu ermöglichen. Ein einziges Netzwerk soll sowohl den A/V- als auch den IT-Datenverkehr verarbeiten. Layer-3-Routing auf Basis von AVB-QoS-Netzwerken ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Inhalten zwischen Layer-2-AVB-Segmenten und bietet, wo möglich, die Integration von IntServ und DiffServ mit AVB. Nicht genutzte reservierte Bandbreite wird für Best-Effort-Datenverkehr freigegeben. Der Protokollstapel ist durchgängig Plug-and-Play-fähig, um manuelle Einrichtung und Administration zu reduzieren und schnelle Änderungen an Netzwerkgeräten und der Netzwerktopologie zu ermöglichen. [ 19 ]

Großflächige AVB-Netzwerke, wie sie beispielsweise vom ESPN SportsCenter „Digital Center 2“ mit seinen zahlreichen Studios genutzt werden, bestehen aus kilometerlangen Glasfaserleitungen und verfügen über eine Bandbreite von zehn Terabit/s für die gleichzeitige Übertragung von hunderttausend Signalen. Da es keine standardbasierte Lösung zur Verbindung einzelner AVB-Segmente gibt, ist ein kundenspezifischer softwaredefinierter Netzwerkrouter erforderlich. [ 20 ] [ 21 ]

Standardisierung

Die Arbeiten zum Thema A/V-Streaming begannen im Juli 2004 in der IEEE 802.3re „Residential Ethernet “-Studiengruppe. [ 22 ] Im November 2005 wurden sie an das IEEE 802.1- Komitee übertragen, das für netzwerkübergreifende Brückenstandards zuständig ist. [ 23 ]

Audio Video Bridging Standards Suite
StandardTitelStatusVeröffentlichungsdatum
Audio Video Bridging (AVB) Spezifikationen
IEEE 802.1BA-2011Audio-Video-Bridging-Systeme (AVB)Ersetzt durch IEEE 802.1BA-202130. September 2011
IEEE 802.1Qav-2009Weiterleitungs- und Warteschlangenverbesserungen für zeitkritische Datenströme (FQTSS)Eingebettet in IEEE 802.1Q-2011 Abschnitt 345. Januar 2010
IEEE 802.1Qat-2010Stream Reservation Protocol (SRP)Eingearbeitet in IEEE 802.1Q-2011 Klausel 3530. September 2010
IEEE 802.1Q -2011Media Access Control (MAC)-Bridges und virtuelle gebrückte lokale Netzwerke (einschließlich der IEEE 802.1Qav- und 802.1Qat-Änderungen)Ersetzt durch IEEE 802.1Q-2014/2018/202231. August 2011
IEEE 802.1AS-2011Zeitsteuerung und Synchronisierung für zeitkritische Anwendungen in gebrückten lokalen Netzwerken ( gPTP )Ersetzt durch IEEE 802.1AS-202030. März 2011
Spezifikationen für zeitkritische Netzwerke (TSN)
IEEE 802.1AS-2020Zeitsteuerung und Synchronisierung für zeitkritische Anwendungen ( gPTP )Aktuell, [ 24 ] [ 25 ] geändert durch 802.1AS-2020/Cor1-2021 [ 26 ]30. Januar 2020
IEEE 802.1BA-2021TSN-Profil für Audio-Video-Bridging-Systeme (AVB)Aktuell [ 27 ]12. Dezember 2021
IEEE 802.1Q -2022Brücken und BrückennetzwerkeAktuell [ 28 ]22. Dezember 2022
Audio Video Transport Protocol (AVTP) und AVDECC-Spezifikationen
IEEE 1733-2011Layer-3-Transportprotokoll für zeitkritische Anwendungen in lokalen Netzwerken (RTP)Aktuell25. April 2011
IEEE 1722-2011Layer-2-Transportprotokoll für zeitkritische Anwendungen in einem gebrückten lokalen Netzwerk (AVTP)Ersetzt durch IEEE 1722-20166. Mai 2011
IEEE 1722-2016Layer-2-Transportprotokoll für zeitkritische Anwendungen in einem gebrückten lokalen Netzwerk (AVTP)Aktuell16. Dezember 2016
IEEE P1722bAVTP - Änderung: Neue und erweiterte Streaming-FormateVorbereitung-
IEEE 1722.1-2013Geräteerkennungs-, Aufzählungs-, Verbindungsmanagement- und Steuerungsprotokoll (AVDECC)Aktuell23. August 2013

Referenzen

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  27. ^ "IEEE 802.1BA-2021 - IEEE-Standard für lokale und städtische Netzwerke – Audio-Video-Bridging-Systeme (AVB)" .
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