การเชื่อมต่อเสียงและวิดีโอ
การเชื่อมต่อเสียงและวิดีโอ (AVB)เป็นชื่อทั่วไปของชุดมาตรฐานทางเทคนิคที่ให้การซิงโครไนซ์ที่ดีขึ้น ความหน่วงต่ำ และความน่าเชื่อถือสำหรับเครือข่ายอีเธอร์เน็ตแบบสวิตช์[ 3 ] AVB ประกอบด้วยเทคโนโลยีและมาตรฐานดังต่อไปนี้:
- IEEE 802.1AS -2011: การกำหนดเวลาและการซิงโครไนซ์สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลา (gPTP)
- IEEE 802.1Qav -2009: การส่งต่อและการจัดคิวสำหรับสตรีมที่มีความไวต่อเวลา (FQTSS)
- IEEE 802.1Qat -2010: โปรโตคอลการจองสตรีม (SRP);
- IEEE 802.1BA-2011 : [ 4 ]ระบบเชื่อมต่อเสียงและวิดีโอ (AVB)
- โปรโตคอลการขนส่งเลเยอร์ 2 ของ IEEE 1722-2011 สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลา (โปรโตคอลการขนส่ง AV, AVTP); และ
- IEEE 1722.1-2013 โปรโตคอลการค้นหาอุปกรณ์ การแจงนับ การจัดการการเชื่อมต่อ และการควบคุม (AVDECC)
การแก้ไขเพิ่มเติม IEEE 802.1Qat และ 802.1Qav ได้ถูกรวมเข้าไว้ในเอกสารพื้นฐานIEEE 802.1Q -2011 ซึ่งระบุถึงการทำงานของMedia Access Control (MAC) BridgesและVirtual Bridged Local Area Networks
AVB ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย กลุ่มงาน Audio Video Bridging ของ สถาบันวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (IEEE) ของ คณะกรรมการมาตรฐาน IEEE 802.1ในเดือนพฤศจิกายน 2012 กลุ่มงาน Audio Video Bridging ได้เปลี่ยนชื่อเป็น กลุ่มงาน Time-Sensitive Networkingเพื่อสะท้อนขอบเขตงานที่ขยายออกไป ซึ่งก็คือ "การจัดทำข้อกำหนดที่จะอนุญาตให้บริการสตรีมมิ่งที่มีความหน่วงต่ำและซิงโครไนซ์เวลาผ่าน เครือข่าย IEEE 802 " [ 5 ]ความพยายามในการกำหนดมาตรฐานเพิ่มเติมยังคงดำเนินต่อไปในกลุ่มงาน IEEE 802.1 TSN
เพื่อช่วยให้มั่นใจถึงความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างอุปกรณ์ที่ใช้มาตรฐาน AVB และ TSN พันธมิตร AVnu จึงพัฒนาการรับรองอุปกรณ์สำหรับตลาดรถยนต์ ผู้บริโภค และตลาดเครื่องเสียงและวิดีโอระดับมืออาชีพ[ 6 ]
พื้นหลัง
อุปกรณ์เสียงและวิดีโอแบบอนาล็อก (AV) ในอดีตใช้การเชื่อมต่อแบบทางเดียว วัตถุประสงค์เดียว และจุดต่อจุด แม้แต่มาตรฐาน AV ดิจิทัล เช่นS/PDIFสำหรับเสียงและอินเทอร์เฟซดิจิทัลแบบอนุกรม (SDI) สำหรับวิดีโอ ก็ยังคงคุณสมบัติเหล่านี้ไว้ รูปแบบการเชื่อมต่อนี้ส่งผลให้มีสายเคเบิลจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานระดับมืออาชีพและเสียงระดับไฮเอนด์[ 7 ]
ความพยายามในการแก้ปัญหาเหล่านี้ขึ้นอยู่กับโทโพโลยีเครือข่ายแบบหลายจุด เช่นIEEE 1394 (FireWire) และรวมถึงการปรับใช้ เทคโนโลยี เครือข่ายคอมพิวเตอร์ แบบสวิตช์มาตรฐาน เช่นAudio over EthernetและAudio over IPโซลูชัน AV ระดับมืออาชีพ สำหรับบ้าน และยานยนต์ ต้องใช้โปรโตคอลเฉพาะที่ไม่สามารถทำงานร่วมกันได้ หรือไม่สามารถทำงานร่วมกับโปรโตคอล IT มาตรฐานได้ ในขณะที่เครือข่ายคอมพิวเตอร์มาตรฐานไม่ได้ให้คุณภาพการบริการ ที่เข้มงวด พร้อมเวลาที่แน่นอน และความหน่วงแฝงที่คาดการณ์ได้หรือมีขอบเขตจำกัด[ 7 ]
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ เครือข่าย Audio Video Bridging จะส่งสตรีมภาพและเสียงหลายรายการผ่านสวิตช์อีเธอร์เน็ต มาตรฐาน (เช่นบริดจ์ MAC ) ที่เชื่อมต่อกันในโทโพโลยีแบบลำดับชั้น AVB ประกอบด้วย โปรโตคอล เลเยอร์ 2เพื่อสำรองแบนด์วิดท์การเชื่อมต่อและจัดลำดับความสำคัญของการรับส่งข้อมูลเครือข่าย ซึ่งรับประกันนาฬิกาซิงค์ที่แม่นยำและความหน่วงแฝงในการส่งต่ำสำหรับแต่ละสตรีม[ 7 ]
จำเป็นต้องมีการซิงค์ที่แม่นยำระหว่างสตรีม AV หลายรายการเพื่อให้การซิงค์ริมฝีปากระหว่างวิดีโอและสตรีมเสียงที่เกี่ยวข้องเป็นไปอย่างราบรื่น เพื่อรักษาให้ลำโพงที่เชื่อมต่อแบบดิจิทัลหลายตัวอยู่ในเฟสเดียวกันในสภาพแวดล้อมระดับมืออาชีพ (ซึ่งต้องการความแม่นยำ 1 μs) และเพื่อป้องกันไม่ให้แพ็กเก็ตเสียงหรือวิดีโอมาถึงปลายทางช้า ส่งผลให้เฟรมวิดีโอหายไปและเกิดความผิดพลาดทางเสียงที่ไม่ต้องการ เช่น เสียงป๊อปหรือความเงียบ ความล่าช้าในกรณีที่เลวร้ายที่สุด รวมถึงการบัฟเฟอร์แหล่งที่มาและปลายทาง จะต้องต่ำและกำหนดได้: ความล่าช้าของอินเทอร์เฟซผู้ใช้ควรอยู่ที่ประมาณ 50 มิลลิวินาที เพื่อให้การกดปุ่มและการกระทำที่เกิดขึ้นนั้นรับรู้ว่าเกิดขึ้นทันที และ 2 มิลลิวินาทีสำหรับการแสดงสดหรือการทำงานในสตูดิโอ[ 7 ]
สรุป
ระบบ Audio Video Bridging (AVB) ถูกนำมาใช้ในรูปแบบเครือข่ายอีเธอร์เน็ตแบบสวิตช์ โดยจะสงวนส่วนหนึ่งของอีเธอร์เน็ตที่มีอยู่สำหรับรับส่งข้อมูล AV สถาปัตยกรรม AVB มีความแตกต่างหลักๆ สามประการดังนี้:
- การซิงโครไนซ์ที่แม่นยำโดยใช้โปรไฟล์ Generalized Precision Time Protocol (gPTP) ( IEEE 802.1AS )
- การควบคุมการรับส่งข้อมูลสำหรับสตรีม AV โดยใช้ลำดับความสำคัญของเฟรม ( IEEE 802.1Qav ) และ แท็ก VLAN ( IEEE 802.1Q ) และ
- การควบคุมการเข้าถึงด้วยโปรโตคอลการจองสตรีม (IEEE 802.1Qat)
มาตรฐาน IEEE 802.1BA เป็นมาตรฐานหลักที่ครอบคลุมเทคโนโลยีหลักทั้งสามนี้ โดยกำหนดค่าการกำหนดค่าเฉพาะแอปพลิเคชันและขั้นตอนการทำงานสำหรับอุปกรณ์ในเครือข่ายเสียงและวิดีโอแบบสวิตช์
โปรโตคอลการกำหนดค่า เลเยอร์ 2ใหม่ทำงานร่วมกับส่วนขยายที่เข้ากันได้กับรูปแบบเฟรม Ethernet 802.1 รุ่นก่อนหน้า การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์ AVB สามารถทำงานร่วมกันและสื่อสารในเครือข่าย IT มาตรฐานได้ อย่างไรก็ตาม เฉพาะสวิตช์และอุปกรณ์ปลายทางที่รองรับ AVB เท่านั้นที่สามารถจองทรัพยากรเครือข่ายด้วยการควบคุมการเข้าถึงและซิงโครไนซ์เวลาท้องถิ่นกับนาฬิกาหลัก ซึ่งจำเป็นสำหรับทราฟฟิกที่ไวต่อเวลาและมีความหน่วงต่ำ
การรับส่งข้อมูล AVB จะถูกส่งแบบมัลติแคสต์ โดยมีผู้ส่งหนึ่งราย (ผู้เริ่มต้นสตรีม) และผู้รับฟังหลายราย แพ็กเก็ต AVB จะถูกส่งในช่วงเวลาปกติในช่องเวลาที่จัดสรรไว้ เพื่อป้องกันการชนกันของข้อมูล AVB รับประกันความหน่วงแฝง 2 มิลลิวินาทีสำหรับข้อมูลคลาส A และ 50 มิลลิวินาทีสำหรับข้อมูลคลาส B โดยมีระยะทางสูงสุด 7 ฮอป และระยะเวลาการส่ง 125 ไมโครวินาทีสำหรับข้อมูลคลาส A และ 250 ไมโครวินาทีสำหรับข้อมูลคลาส B
โดเมนเวลาเครือข่าย IEEE 802.1AS ประกอบด้วยอุปกรณ์ทั้งหมดที่สื่อสารโดยใช้โปรโตคอล gPTP โดยอุปกรณ์แกรนด์มาสเตอร์คืออุปกรณ์ที่ถูกเลือกให้เป็นนาฬิกาอ้างอิง ข้อกำหนด 802.1BA กำหนดให้ทอล์กเกอร์และบริดจ์เครือข่ายทุกตัวต้องสามารถเป็นแกรนด์มาสเตอร์ได้
โปรโตคอลการจัดการลิงก์ 802.3 และการวัดความล่าช้าของลิงก์ 802.1AS จะคำนวณความล่าช้าแบบไปกลับไปยังปลายทาง AVB ซึ่งจะต้องดีกว่าความล่าช้าของสายสัญญาณในกรณีที่เลวร้ายที่สุดจากอัลกอริทึมความล่าช้าของคู่ค้า 802.1AS
โปรโตคอลระดับสูงกว่าอาจใช้ข้อมูลนาฬิกา 802.1AS เพื่อกำหนดเวลาการนำเสนอที่แน่นอนสำหรับแต่ละสตรีม AV
การขนส่ง AV และการกำหนดค่า
IEEE 1722 AVTP
IEEE Std 1722-2011 [ 8 ]สำหรับโปรโตคอลการขนส่งเสียงและวิดีโอเลเยอร์ 2 (AVTP) กำหนดรายละเอียดสำหรับการส่งสตรีม IEEE 1394 / IEC 61883และรูปแบบ AV อื่นๆ ตั้งค่าเวลาการนำเสนอสำหรับแต่ละสตรีม AV และจัดการความหน่วงจากความล่าช้ากรณีที่เลวร้ายที่สุดที่คำนวณโดยโปรโตคอล gPTP
IEEE 1722.1 AVDECC
IEEE Std 1722.1-2013 [ 9 ]เป็นมาตรฐานที่ให้การค้นหา AVB การแจงนับ การจัดการการเชื่อมต่อ และการควบคุม (AVDECC) ของอุปกรณ์โดยใช้ IEEE Std 1722-2011 AVDECC กำหนดการดำเนินการเพื่อค้นหาการเพิ่มและการลบอุปกรณ์ ดึงโมเดลเอนทิตีอุปกรณ์ เชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อสตรีม จัดการสถานะอุปกรณ์และการเชื่อมต่อ และควบคุมอุปกรณ์จากระยะไกล
ความสามารถในการทำงานร่วมกัน
บริการระดับสูงกว่าสามารถปรับปรุงการซิงโครไนซ์และความหน่วงแฝงของการส่งข้อมูลสื่อได้ โดยการแมป AVB Stream ID กับตัวระบุสตรีมภายใน และใช้มาสเตอร์คล็อก gPTP เป็นตัวอ้างอิงเวลาภายใน
อีอีอีอี 1733
IEEE Std 1733-2011 [ 10 ]กำหนด โปรไฟล์โปรโตคอล เลเยอร์ 3สำหรับ แอปพลิเคชัน Real-time Transport Protocol (RTP) ด้วย รูปแบบเพย์โหลด RTCPซึ่งกำหนด Stream ID จาก SRP ให้กับตัวระบุแหล่งที่มาของการซิงโครไนซ์ของ RTP (SSRC) และเชื่อมโยงการประทับเวลา RTP สำหรับเวลาการนำเสนอด้วยนาฬิกาหลัก 802.1AS gPTP
เอเอส67
AES67ใช้มาตรฐาน RTP ผ่านUDP/IPและ IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTPv2) สำหรับการกำหนดเวลา การทำงานร่วมกันกับ AVB/TSN สามารถทำได้โดยการเชื่อมโยงข้อมูลการกำหนดเวลา IEEE 802.1AS กับข้อมูลเพย์โหลด AES67 PTPv2 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
การใช้งาน AES67 ร่วมกับการทำงานร่วมกันของ AVB ได้รับการสาธิตในงาน InfoComm 2016 [ 15 ] [ 16 ]
มิลาน
ในปี 2018 Avnu Allianceได้ประกาศโครงการ Milan เพื่อส่งเสริมความสามารถในการทำงานร่วมกันของอุปกรณ์ AVB และจัดให้มีการรับรองผลิตภัณฑ์และการทดสอบ[ 17 ]
ข้อกำหนดกำหนดให้ใช้การกำหนดจังหวะสัญญาณสื่อตาม AVTP CRF (Clock Reference Format) และอัตราการสุ่มตัวอย่าง 48 kHz (หรือ 96 และ 192 kHz) รูปแบบสตรีมเสียงเป็นไปตาม AVTP IEC 61883 -6 32-bit Standard AAF Audio Format ที่มี 1 ถึง 8 ช่องสัญญาณเสียงต่อสตรีม (หรือรูปแบบความจุสูง 24 และ 32 บิต ที่มี 56 และ 64 ช่องสัญญาณ) มีการสำรองข้อมูลโดยใช้เครือข่ายตรรกะอิสระสองเครือข่ายสำหรับแต่ละปลายทางและกลไกการสลับแบบไร้รอยต่อ[ 17 ]
เดทเน็ต
กลุ่มงาน เครือข่ายเชิงกำหนด (DetNet) ของ IETF กำลังดำเนินการเพื่อกำหนดเส้นทางข้อมูลเชิงกำหนดที่มีขอบเขตของความหน่วงแฝง การสูญเสีย และความผันแปรของความล่าช้าของแพ็กเก็ต (jitter) และความน่าเชื่อถือสูง DetNet จะต้องทำงานบนทั้งเซ็กเมนต์บริดจ์เลเยอร์ 2 และเซ็กเมนต์เราเตอร์เลเยอร์ 3 โดยอาศัยความสามารถในการทำงานร่วมกันกับสวิตช์ AVB/TSN เมื่อเป็นไปได้[ 18 ]
หนึ่งในแอปพลิเคชันที่เป็นไปได้ของ DetNet คือระบบเสียง/วิดีโอระดับมืออาชีพ เช่น การผลิตเพลงและภาพยนตร์ การออกอากาศ โรงภาพยนตร์ ระบบเสียงสด และระบบสำหรับสถานที่ขนาดใหญ่ (สนามกีฬา ห้องโถง ศูนย์การประชุม สวนสนุก สนามบิน สถานีรถไฟ ฯลฯ) สำหรับการประกาศสาธารณะ การสตรีมสื่อ และการประกาศฉุกเฉิน เป้าหมายที่ระบุไว้คือการเปิดใช้งานIntranet ที่กระจายตัวทางภูมิศาสตร์ทั่วทั้งวิทยาเขตหรือองค์กร สำหรับการส่งมอบเนื้อหาด้วยความหน่วงต่ำที่จำกัด (10-15 มิลลิวินาที) เครือข่ายเดียวจะจัดการทั้งทราฟฟิก A/V และ IT โดยมีการกำหนดเส้นทางเลเยอร์ 3 บนเครือข่าย AVB QoS เพื่อให้สามารถแชร์เนื้อหาระหว่างเซ็กเมนต์ AVB เลเยอร์ 2 และให้ การรวม IntServและDiffServกับ AVB เท่าที่จะเป็นไปได้ แบนด์วิดท์ที่สงวนไว้ที่ไม่ได้ใช้จะถูกปล่อยสำหรับทราฟฟิกแบบ best-effort สแต็กโปรโตคอลจะต้องมีคุณสมบัติ Plug-and-play ตั้งแต่ต้นจนจบเพื่อลดการตั้งค่าและการดูแลระบบด้วยตนเอง อนุญาตให้เปลี่ยนอุปกรณ์เครือข่ายและโทโพโลยีเครือข่ายได้อย่างรวดเร็ว[ 19 ]
เครือข่าย AVB ขนาดใหญ่ เช่นที่ใช้โดย สถานีออกอากาศ ESPN SportsCenter "Digital Center 2" ซึ่งมีสตูดิโอหลายแห่งนั้น วางด้วยใยแก้วนำแสงหลายไมล์และมีแบนด์วิดท์ 10 Tbit/s สำหรับการส่งสัญญาณพร้อมกัน 100,000 สัญญาณ ในกรณีที่ไม่มีโซลูชันตามมาตรฐานในการเชื่อมต่อส่วน AVB แต่ละส่วนเข้าด้วยกันจำเป็นต้องใช้เราเตอร์เครือข่ายแบบกำหนดเองที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์[ 20 ] [ 21 ]
การกำหนดมาตรฐาน
งานเกี่ยวกับการสตรีม A/V เริ่มต้นที่กลุ่มศึกษา'Residential Ethernet ' ของ IEEE 802.3re ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2547 [ 22 ]ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2548 ได้มีการย้ายไปยัง คณะกรรมการ IEEE 802.1ซึ่งรับผิดชอบมาตรฐานการเชื่อมต่อข้ามเครือข่าย[ 23 ]
| มาตรฐาน | ชื่อ | สถานะ | วันที่เผยแพร่ |
|---|---|---|---|
| ข้อกำหนดการเชื่อมต่อเสียงและวิดีโอ (AVB) | |||
| IEEE 802.1BA-2011 | ระบบเชื่อมต่อภาพและเสียง (AVB) | ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐาน IEEE 802.1BA-2021 | 30 กันยายน 2554 |
| IEEE 802.1Qav-2009 | การปรับปรุงการส่งต่อและการจัดคิวสำหรับสตรีมที่มีความไวต่อเวลา (FQTSS) | รวมอยู่ในข้อ 34 ของ IEEE 802.1Q-2011 | 5 มกราคม 2553 |
| IEEE 802.1Qat-2010 | โปรโตคอลการจองสตรีม (SRP) | รวมอยู่ในข้อ 35 ของ IEEE 802.1Q-2011 | 30 กันยายน 2553 |
| IEEE 802.1Q -2011 | บริดจ์ควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC)และเครือข่ายบริเวณท้องถิ่นเสมือนแบบบริดจ์(รวมการแก้ไขเพิ่มเติมของ IEEE 802.1Qav และ 802.1Qat) | ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐาน IEEE 802.1Q-2014/2018/2022 | 31 สิงหาคม 2554 |
| IEEE 802.1AS-2011 | การกำหนดเวลาและการซิงโครไนซ์สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลาในเครือข่ายท้องถิ่นแบบบริดจ์ ( gPTP ) | ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐาน IEEE 802.1AS-2020 | 30 มีนาคม 2554 |
| ข้อกำหนดเครือข่ายที่ไวต่อเวลา (TSN) | |||
| IEEE 802.1AS-2020 | การกำหนดเวลาและการซิงโครไนซ์สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลา ( gPTP ) | ปัจจุบัน[ 24 ] [ 25 ]แก้ไขโดย 802.1AS-2020/Cor1-2021 [ 26 ] | 30 มกราคม 2563 |
| IEEE 802.1BA-2021 | โปรไฟล์ TSN สำหรับระบบเชื่อมต่อเสียงและวิดีโอ (AVB) | ปัจจุบัน[ 27 ] | 12 ธันวาคม 2021 |
| IEEE 802.1Q -2022 | สะพานและเครือข่ายสะพาน | ปัจจุบัน[ 28 ] | 22 ธันวาคม 2022 |
| ข้อกำหนดของ Audio Video Transport Protocol (AVTP) และ AVDECC | |||
| IEEE 1733-2011 | โปรโตคอลการขนส่งระดับเลเยอร์ 3 สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความรวดเร็วในเครือข่ายท้องถิ่น (RTP) | ปัจจุบัน | 25 เมษายน 2554 |
| IEEE 1722-2011 | โปรโตคอลการขนส่งระดับเลเยอร์ 2 สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลาในเครือข่ายท้องถิ่นแบบบริดจ์ (AVTP) | ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐาน IEEE 1722-2016 | 6 พฤษภาคม 2554 |
| IEEE 1722-2016 | โปรโตคอลการขนส่งระดับเลเยอร์ 2 สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลาในเครือข่ายท้องถิ่นแบบบริดจ์ (AVTP) | ปัจจุบัน | 16 ธันวาคม 2559 |
| IEEE P1722b | AVTP - การแก้ไขเพิ่มเติม: รูปแบบการสตรีมมิ่งใหม่และเพิ่มเติม | การตระเตรียม | - |
| IEEE 1722.1-2013 | โปรโตคอลการค้นหาอุปกรณ์ การแจงนับ การจัดการการเชื่อมต่อ และการควบคุม (AVDECC) | ปัจจุบัน | 23 สิงหาคม 2556 |
ลิงก์ภายนอก
- กลุ่มงานเครือข่ายที่ต้องดำเนินการอย่างเร่งด่วน
- กลุ่มงานเชื่อมต่อเสียง/วิดีโอ 802.1 (เก็บถาวร)
- กลุ่มทำงานโปรโตคอลการขนส่งเลเยอร์ 2 IEEE 1722 สำหรับสตรีมที่ไวต่อเวลา
- กลุ่มทำงาน IEEE 1722.1 สำหรับการค้นหาอุปกรณ์ การแจงนับ การจัดการการเชื่อมต่อ และโปรโตคอลควบคุมสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ P1722
- IEEE 1733 AVB กลุ่มงานการขนส่งเลเยอร์ 3