01

以太網(wǎng)的誕生

行業(yè)一般認(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)運(yùn)行且很快擊敗了同期的令牌環(huán)、FDDI和ARCNET等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被全球認(rèn)可。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”。

02

以太網(wǎng)的基本原理

以太網(wǎng)是目前現(xiàn)有局域網(wǎng)中使用的最廣泛的通信標(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。

以千兆網(wǎng)為例：假如說(shuō)交換機(jī)帶寬是1Gbps，則說(shuō)明每秒可傳輸1000,000,000個(gè)二進(jìn)制的“bit位”。要注意的是以太網(wǎng)中所有的傳輸都是串行方式傳輸，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：

1個(gè)字節(jié)(Byte)有8個(gè)bit位。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：

03

網(wǎng)絡(luò)帶寬是什么？

網(wǎng)絡(luò)帶寬是理解“TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”的前提。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？

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)例子的正確答案則是“未必”。

如下圖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。

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。

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(méi)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。

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。

04

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(jué)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。

05

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。可以降低給汽車和專業(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。