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AVB基礎(chǔ)內(nèi)容介紹

2020-10-15 20:53:32·  來源：車載以太網(wǎng)小L  
　
本文主要介紹Audio Video Bridging，又稱音頻視頻橋接技術(shù)，簡稱AVB，用于汽車多媒體傳輸，AVB是基于車載以太網(wǎng)通信，處理音頻和視頻流比較常用的一種方式。首先
本文主要介紹Audio Video Bridging，又稱音頻視頻橋接技術(shù)，簡稱AVB，用于汽車多媒體傳輸，AVB是基于車載以太網(wǎng)通信，處理音頻和視頻流比較常用的一種方式。
首先，我們來看一個汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從圖中可知以太網(wǎng)將用作主干網(wǎng)來連接車外，比如OBD，同時也連接車內(nèi)不同域，未來將會應(yīng)用更廣泛，這里AVB主要用于抬頭顯示Head Unit和音視頻節(jié)點(diǎn)間的通信。
 
AVB最主要的特性就是確定性延時，必須通過傳輸時間策略，確保每個音頻和視頻流在確切的時間到達(dá)對端，這一特性對時間敏感通信極其重要，這里音頻設(shè)備麥克風(fēng)和抬頭顯示的播放器之間的音頻流傳輸就是時間敏感通信。
對于ISO OSI七層參考模型，想必大家都不陌生了，而AVB所處位置如下圖所示。
 
AVB協(xié)議是一個系列的協(xié)議，如上圖中綠色和橘色框所示。因此在AVB的下層是以太網(wǎng)物理層，圖中未體現(xiàn)， 其實(shí)還應(yīng)該包括部分以太網(wǎng)MAC層內(nèi)容，AVB協(xié)議上層為音視頻傳輸協(xié)議1722，簡稱AVTP，AVTP協(xié)議主要用于封裝音視頻流，而AVB系統(tǒng)協(xié)議為AVTP提供基礎(chǔ)架構(gòu)，確保AVTP流的確定性傳輸。
 
AVTP報文格式
上面介紹AVB協(xié)議是一系列AVB協(xié)議組成，主要協(xié)議有：
1.AVB系統(tǒng)協(xié)議
簡稱IEEE 802.1BA，定義AVB系統(tǒng)內(nèi)容。
2.流預(yù)留協(xié)議
簡稱IEEE802.1Qat，定義AVB網(wǎng)絡(luò)相關(guān)通信路徑可以為Talker和Listener這對通信對象預(yù)留多少帶寬。
3.時間同步協(xié)議
簡稱IEEE802.1AS，AS協(xié)議為了確保網(wǎng)絡(luò)中所有AVB節(jié)點(diǎn)在同一個時間基準(zhǔn)下，當(dāng)多個Listener播放器需要播放同一個音頻時，必須采用時間同步機(jī)制來保證大家的時間是同步的。
4.交換機(jī)流整形協(xié)議
簡稱IEEE802.1Qav，在流量帶寬預(yù)留成功之后，必須保證從Talker到Listener之間幀的傳輸不能超出最大延時。
AVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括端節(jié)點(diǎn)和AVB交換機(jī)，終端節(jié)點(diǎn)如下圖白色框所示，既可以做Talker，也可以是Listener，甚至同時是Talker和Listener角色，這些都沒有限制，終端節(jié)點(diǎn)本身就是可以為時間敏感數(shù)據(jù)流的源點(diǎn)和終點(diǎn)，而AVB交換機(jī)，如圖中所示AVB Bridge，除了提供整車交換機(jī)功能外，還提供時間敏感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。
 
2
AVB系列協(xié)議詳細(xì)介紹
接下來，詳細(xì)介紹AVB四種系列協(xié)議：
1.系統(tǒng)協(xié)議
BA協(xié)議定義了一些AVB系統(tǒng)的配置方式以便快速創(chuàng)建AVB網(wǎng)絡(luò)，可以配置的選項(xiàng)有協(xié)議選擇，配置參數(shù)和流程配置，但因?yàn)樵搮f(xié)議暫時還不成熟，因此未得到廣泛應(yīng)用。
2.流預(yù)留協(xié)議
為了管理通信路徑預(yù)留的資源，保證局域網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量QoS，Qat協(xié)議最重要的工作由多流屬性注冊協(xié)議，多流屬性注冊協(xié)議是基于多注冊協(xié)議，多注冊協(xié)議用于在局域網(wǎng)中傳遞確定的屬性。
 
該協(xié)議允許流端點(diǎn)注冊是否需要talk或者listen特定流，如下圖所示紅色箭頭表示talker宣貫消息，此時talker以廣播的形式發(fā)送，以詢問網(wǎng)絡(luò)中所有端點(diǎn)，當(dāng)有端點(diǎn)需要偵聽時，綠色箭頭所示通信路徑代表應(yīng)答者已經(jīng)做好偵聽AVB云的準(zhǔn)備，其中AVB云由AVB交換機(jī)或者網(wǎng)橋組成，一旦listener希望接收流，必須保證流預(yù)留的資源和所希望達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。
 
如下圖所示，AVB網(wǎng)絡(luò)由很多AVB節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)橋組成，當(dāng)左上角的AVB節(jié)點(diǎn)需要提供一個數(shù)據(jù)流給網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)作為talker通過Talker advertise消息來廣播有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如下圖(Talker Advertise)，在收到talker advertise后左下角的終端節(jié)點(diǎn)需要偵聽數(shù)據(jù)流，該節(jié)點(diǎn)作為Listener通過Listener ready消息來單播告訴Talker已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)流，如下圖(Listener Ready)。
如果所需帶寬可用，AVB系統(tǒng)關(guān)于該流通信的整個路徑的交換機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)都將會對帶寬資源進(jìn)行鎖定。
 
Talker Advertise
 
Listener Ready
3.時間同步協(xié)議
AS協(xié)議目標(biāo)是建立通用的時間基準(zhǔn)，以確保多個播放器同時播放同一個音頻sample，而時間同步協(xié)議包含兩部分內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)中最佳時鐘選擇和最佳時鐘時間信息的分發(fā)，而在車輛系統(tǒng)中AVB系統(tǒng)比較簡單，節(jié)點(diǎn)比較單一并且固定，因此主時鐘的選擇是靜態(tài)定義不支持動態(tài)選擇，那主時鐘是如何在網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)自己的時鐘信息的呢？在AVB系統(tǒng)中基于時間同步信息是從主時鐘發(fā)送給時鐘樹的其他設(shè)備，已達(dá)到共享自己的時鐘信息。
AVB系統(tǒng)中有四個設(shè)備，如下圖所示，左邊設(shè)備為主時鐘Grandmaster，GM直連TimeAwareSystem以便在時間20發(fā)送synchronization同步消息，經(jīng)過link delay = 2之后synchronization消息被系統(tǒng)2接收，之后主時鐘GM發(fā)送第二個消息給time aware system這個消息叫Follow-up，跟隨消息包含三個字段：
  • 第一個字段為Synchronization消息的發(fā)送時間20；
  • 第二個字段為synchronization消息相對于主時鐘的延時這里為0；
  • 第三個字段為rate ratio用來表示主時鐘速率和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時鐘速率的比率，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時鐘即為主時鐘所以該值為1；
經(jīng)過一段駐留時間5之后同步消息會被發(fā)送到系統(tǒng)3，現(xiàn)在的問題是系統(tǒng)2發(fā)出同步消息的時間是多少？這個時間需要通過跟隨消息來傳遞以便系統(tǒng)3計算時間，一旦主時鐘GM發(fā)送完同步消息那就需要在20基礎(chǔ)上加鏈路延時2，還要加上消息在系統(tǒng)2中的駐留時間5，但是鏈路延時和駐留時間的參考時鐘是系統(tǒng)2的，而系統(tǒng)2的時鐘比率是1.01，因此將鏈路延時和駐留時間乘以系統(tǒng)2的速率比率以換算成主時鐘時間，最終系統(tǒng)2發(fā)送的同步消息時間是27.07，這樣在跟蹤消息中第一個字段仍為主時鐘源時間20，第二個字段為系統(tǒng)2中相對于主時鐘時間的延時7.07，第三個字段需要傳輸系統(tǒng)2的時鐘速率比率1.01，以便系統(tǒng)3來計算自己的速率比率。
系統(tǒng)3的處理完全等同于系統(tǒng)2，系統(tǒng)3發(fā)送同步消息之后也同樣需要發(fā)送跟隨消息，F(xiàn)ollow-up中第一個字段仍為主時鐘源時間20，第二個字段為系統(tǒng)3中相對于主時鐘時間的延時，第三個字段需要傳輸系統(tǒng)2的時鐘速率。
 
3.流量整形協(xié)議
流量整形協(xié)議Qav是實(shí)施在交換機(jī)系統(tǒng)中避免包堆積和保證不超出鏈路的最大允許傳輸延時，如圖僅為舉例說明，圖中有2個端口分別是交換機(jī)流量的進(jìn)端口Ingress Port和出端口Egress Port，交換機(jī)有2個主要任務(wù)，一個是為隊列分配幀，另一個是從隊列中選擇幀來發(fā)送。圖中，在出端口前面定義了3個隊列，分別對應(yīng)三種類型的數(shù)據(jù)。
 
正常情況下有三種流量類型：
  • 有很強(qiáng)的時間需求的嚴(yán)格時間流量類型A，對應(yīng)隊列2；
  • 有較強(qiáng)的時間需求的嚴(yán)格時間流量類型B，對應(yīng)隊列1；
  • 無時間需求的盡力而為數(shù)據(jù)類型，對應(yīng)隊列0；
 
如何判斷輸入幀是哪一種流量類型，主要依賴于輸入幀中VLAN Tag中3比特表達(dá)的優(yōu)先級，其中優(yōu)先級和流量類型或者隊列有一一對應(yīng)關(guān)系，如果流量類型設(shè)置為類型B則表示對該流量進(jìn)行隊列選擇是會選擇隊列1。
 
之后發(fā)送選擇會優(yōu)先選擇更高隊列的幀轉(zhuǎn)發(fā)給出端口，這里只有隊列1和隊列2沒有AVB幀要發(fā)送的情況下，采用嚴(yán)格優(yōu)先級策略發(fā)送隊列0中非AVB幀。
 
綜上隊列的發(fā)送選擇策略有嚴(yán)格優(yōu)先級和基于信用流量整形，嚴(yán)格優(yōu)先級算法用于無AVB流量的隊列0，基于信用流量整形算法用于隊列1和隊列2。
 
基于信用流量整形算法的具體機(jī)制如下：
  • 開始一個橘色非AVB幀正在發(fā)送，如果這個時候隊列1有幾個AVB幀需要發(fā)送，此時它不能打斷正在發(fā)送的非AVB幀，另外一個重要的點(diǎn)AVB發(fā)送的條件是信用credit必須大于0，因此綠色AVB幀的發(fā)送必須等到信用大于0。
  • 發(fā)送完綠色AVB幀后，導(dǎo)致信用下降為負(fù)數(shù)，雖然還有更多幀等待發(fā)送但還是要等待信用大于0，之后紅色AVB幀得以被發(fā)送。
  • 剩余紅色，黃色，藍(lán)色AVB幀均遵循以上規(guī)則發(fā)送，必須嚴(yán)格基于信用。
 
 
 
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