Audio Video Bridging（AVB）网络可调度流数目计算

　

avb

缘起

  在TTTech的一个Slide中看到了有关AVB性能的描述，Slide举例提到在默认配置下100Mbit的网络至多只能有13条流在一条网络链路上调度，以此来说明AVB网络性能的局限性。

  读者直观上会觉得只能支持13条Stream的话，应用场景未免过于局限了，但事实又确实如此，因此本文旨在对该结论进行计算与论证。

注意Slide中描述的限制：

1. default configuration（默认配置）
2. 100Mbit（100base-T）
3. on one link（在一条链路上）

AVB网络可调度流数目计算

1. 领域概念

• 流（Stream）： 包含一个或多个媒体（或其他实时）数据通道的的常规数据包流。 一个流有一个唯一的ID，并使用802.1Q-2011流预留协议为其保留带宽。
• 采样（Sample）： 样本是记录音频数据的最基本单位，采样的尺寸从8bit到64bit精度。
• 采样频率（Sample rate）： 采样即采集一段音频做为样本，样本使用数码信号，数码信号是用一堆数字来描述原来的模拟信号，所以要基于它对原来的模拟信号进行还原。所有的声音都有其波形，数码信号就是在原有的模拟信号波形上每隔一段时间进行一次“取点”，赋予每一个点以一个数值，这就是“采样”，然后把所有的“点”连起来就可以描述模拟信号了，很明显，在一定时间内取的点越多，描述出来的波形就越精确，这个尺度我们就称为“采样频率”，或者“采样率”。
• 比特率（Bit rate）： 声音有轻有响，影响声音响度的物理要素是振幅，作为数码录音，必须也要能精确表示乐曲的轻响，所以一定要对波形的振幅有一个精确的描述。“比特(bit)”就是这样一个单位，16比特就是指把波形的振幅划为2^16即65536个等级，根据模拟信号的轻响把它划分到某个等级中去，就可以用数字来表示了。和采样频率一样，比特率越高，越能细致地反映乐曲的轻响变化。
• 通道数（Channel）： 分为单声道mono，立体声stereo。当然还存在更多的通道数。
• 帧（frame）： 记录了一个声音单元，其长度为样本长度和通道数的乘积。

2. 参数简介

2.1 关键参数

  AVB网络中一条网络链路上能够负载多少条不同的流与以下参数有关：

• 链路带宽（The bandwidth if the network link）
• 每条流的通道数（The channels per stream）
• 音频媒体的格式（The format of audio media）

2.2 默认配置

  Slide中依据的默认配置为：

• Network Speed：100base-T
• AVB Bandwidth Allocation(%)：75
• Stream Format：AAF
• Sample Rate：48kHz
• Bits/Sample：24
• AAF Samples/Frame：Default（6）
• Channels Per Stream：1

下面简要解释一下这些参数：

（1） Network Speed（网络传输速率）

  100base-T或者gigabit Ethernet(GigE)

• 100base-T：一种以100Mbps速率工作的局域网标准，通常被称为快速以太网标准
• gigabit Ethernet(GigE) ： 基于千兆以太网通信协议开发的接口标准，数据传输速率最高达到1,000Mbit/s

（2） AVB Bandwidth Allocation（AVB带宽分配）

  AVB默认分配带宽为75%，表示AVB的时间敏感流至多占用每条链路可用带宽的75%。

（3） Stream Format（流格式）

  可供AVB使用的音频流格式有两种：AM824 和 AAF

  AM824支持24bit线性音频，IEC60985编码音频（SPDIF和AES3），SMPTE时间码，以及MIDI格式的传输。

 Note： 这些音频格式有兴趣可自行查阅相关标准

  AM824为Talker提供三种选项：

• non-blocking (sync)
• non-blocking (aync)
• blocking

AM824 (non blocking, synchronous)

  标准的AVB音频设备使用“AM824 non-blocking, synchronous”传输模式。

  Non-Blocking表示设备在每个观测周期（125us）发送一个帧，Synchronous表示设备总是在每个以太网帧中携带相同数量的采样（Sample）（6 @ 48 kHz, 12 @ 96 kHz）。

AM824 (non blocking, async packetization)

  “AM824 non-blocking, asynchronous” 模式下，由于分包器与发送器的观测间隔异步，发送器可能偶尔发送一个额外的或者携带更少样本的以太网帧。

AM824 (blocking)

  “AM824 blocking mode”是一些火线设备使用的模式,因为其更容易打包和解包。在48kHz的频率下，每个以太网帧始终包含8个采样；在96kHz的频率下，每个以太网帧始终包含16个采样。

 Note： 火线（Firewire）是一种高速串行输入输出技术

  avtp_timestamp始终是以太网帧中的第一个样本，并且avtp_timestamp总是存在。由于每125us发送一帧，然而有时根本不需要发送任何以太网帧，但是当需要发送的时候，总是相同大小的数据包。

  这种格式的缺点是必须预留8采样帧（48kHZ）或者16采样帧（96kHz）的带宽。

AAF

  “AVTP Audio Format” (AAF)是定义于IEEE p1722a中的一种新的分包格式，它相比AM824负载更小，但需要一个Stream中的以太网帧具备相同的大小和格式，其中每个采样的大小可以是16bits，24bits，32bits，并且可以选择每个以太网帧携带的采样数（默认为6 @ 48kHz）。

 Note：

 AVTP全称为Audio Video Transport Protocol

 AVTP packetizer与AVTP depacketizer是一个标准AVB设备包含的模块

（4） Sample Rate（采样率）

  所有的AVB流格式能够支持32kHz, 44.1 kHz, 48 kHz, 88.2 kHz, 96 kHz, 176.4 kHz, and 192 kHz的采样率。

（5） Bits/Sample

  AM824格式仅支持每个采样24bits。

  AAF格式支持每个采样16bits，24bits，以及32bits。

  对于浮点流格式，选择每个样本32bits。

 Note： 有关浮点流格式的详细解释，感兴趣请自行查阅，与本文主旨无关

（6） AAF Samples/Frame

  AM824打包机制允许每个观测间隔（125us）内，每个流发送一个以太网帧。

  AAF格式支持每个观测间隔内多个以太网帧，允许每个流包含多个通道。

3. Streams数目计算（AAF）

3.1 数据长度

（1） Frame Overhead： 24字节

• Preamble： 7字节
• Start of Frame：1字节
• CRC：4字节
• Inter-Frame gap：12字节

（2）Frame Header： 18字节

• MAC Destination Address：6字节
• MAC Source Address：6字节
• Ethertype：2字节
• VLAN TAG：4字节

（3）IEEE 1722 Header： 24字节

• subtype data：4字节
• SRP Stream ID：8字节
• AVTP Time：4字节
• Gateway info：4字节
• Packet info：4字节

Format example：AVTP common stream data header

（4）Audio Payload

• 采样数（samples） * 通道数（channels） * 采样长度（bits）/ 8

3.2 计算过程

（1）Frame Payload

(3)Ethernet frame payload size:" role="presentation">Ethernetframepayloadsize:(3)$$\begin{array}{}\text{(3)}& Ethernetframepayloadsize:\end{array}$$

(4)24+(samples∗channels∗3)" role="presentation">24+(samples∗channels∗3)(4)$$\begin{array}{}\text{(4)}& 24+(samples\ast channels\ast 3)\end{array}$$

(5)∵Maxinum frame payload size=1500" role="presentation">∵Maxinumframepayloadsize=1500(5)$$\begin{array}{}\text{(5)}& \because Maxinumframepayloadsize=1500\end{array}$$

(6)&#x2234;(channels&#x2217;samples)&#xA0;must&#xA0;be&#xA0;&lt;=492" role="presentation">∴(channels∗samples)mustbe<=492(6)$$\begin{array}{}\text{(6)}& \therefore (channels\ast samples)mustbe<=492\end{array}$$

（2）Octet Time Taken on Link

(7)Octet&#xA0;time&#xA0;taken&#xA0;on&#xA0;link&#xA0;for&#xA0;a&#xA0;packet=" role="presentation">Octettimetakenonlinkforapacket=(7)$$\begin{array}{}\text{(7)}& Octettimetakenonlinkforapacket=\end{array}$$

(8)(24+18)+24+(samples&#x2217;channels&#x2217;3)+1" role="presentation">(24+18)+24+(samples∗channels∗3)+1(8)$$\begin{array}{}\text{(8)}& (24+18)+24+(samples\ast channels\ast 3)+1\end{array}$$

(9)OnFastE(100baseT):80ns&#xA0;per&#xA0;octet" role="presentation">OnFastE(100baseT):80nsperoctet(9)$$\begin{array}{}\text{(9)}& OnFastE(100baseT):80nsperoctet\end{array}$$

(10)OnGigE:8ns&#xA0;per&#xA0;octet" role="presentation">OnGigE:8nsperoctet(10)$$\begin{array}{}\text{(10)}& OnGigE:8nsperoctet\end{array}$$

（3）FastE Max Octet Time

在快速以太网中，AVB默认分配75%的带宽：

(11)125us&#x2217;75&#x0025;=93.75us" role="presentation">125us∗75%=93.75us(11)$$\begin{array}{}\text{(11)}& 125us\ast 75\mathrm{\%}=93.75us\end{array}$$

这是能够保持发送AVB数据帧的最长时间，其对应的字节长度为

(12)93.75us/80ns/octet=1171&#xA0;octet&#xA0;times" role="presentation">93.75us/80ns/octet=1171octettimes(12)$$\begin{array}{}\text{(12)}& 93.75us/80ns/octet=1171octettimes\end{array}$$

（4）FastE Max Stream Count per Link

(13)&#x2235;samples=6,channels=1" role="presentation">∵samples=6,channels=1(13)$$\begin{array}{}\text{(13)}& \because samples=6,channels=1\end{array}$$

(14)&#x2234;single&#xA0;frame&#xA0;payload=(24+18)+24+(6&#x2217;1&#x2217;3)+1=85&#xA0;octets" role="presentation">∴singleframepayload=(24+18)+24+(6∗1∗3)+1=85octets(14)$$\begin{array}{}\text{(14)}& \therefore singleframepayload=(24+18)+24+(6\ast 1\ast 3)+1=85octets\end{array}$$

(15)&#x2234;Max&#xA0;Stream&#xA0;Count=1171/85=13.7765&#x2248;13" role="presentation">∴MaxStreamCount=1171/85=13.7765≈13(15)$$\begin{array}{}\text{(15)}& \therefore MaxStreamCount=1171/85=13.7765\approx 13\end{array}$$

  因此，在默认配置下，单条AVB链路确实只能满足13条流的调度需求。

Frame Format Example （4-byte integer, stereo, interleaved, 6 samples/frame）

4. 补充说明

  首先在设计一个AVB设备时，设计者有多种流的格式可以选择，网络中可调度的流的总数与所选择的流格式密切相关。

  参考文献1中提到，如果流属性不可压缩，则网络中可以容纳318条流，每条流具有一个或多个音频通道。

  如果每个Talker设备提供具有可压缩的流属性的流，则在网络上可以有318个Talker，每个Talker可以有尽可能多的流，以适应他们的链接。

  如果整个网络上的所有流属性都是可压缩的，则网络上可能会有超过318条流。

 Note： 此处结论不再计算论证

5. AVB带宽在线计算工具

  若需要计算其他配置下的AVB性能，可以使用下面的工具进行配置与计算：

  The new AVB Bandwidth Calculator

  计算示例：

参考文献

1. General AVB FAQ，HTTP://avb.statUSBar.com/page/faq/
2. 音频-百度百科，https://baike.baidu.com/item/%E9%9F%B3%E9%A2%91/1197465?fr=aladdin#4_2

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