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以太網(wǎng)的誕生

行業(yè)一般認為以太網(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)市場運行且很快擊敗了同期的令牌環(huán)、FDDI和ARCNET等網(wǎng)絡技術被全球認可。以太網(wǎng)技術從根本上解決了在局域網(wǎng)內(nèi)的信息互傳/共享的問題。然而在創(chuàng)建之初，以太網(wǎng)只考慮了一些非實時的靜態(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CD機在日本問世。這標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)工程任務組(IETF)開發(fā)的RTP（Realtime Transport Protocol）則奠定了音視頻在網(wǎng)絡中傳輸?shù)幕A，也就是說音視頻又實現(xiàn)了從“數(shù)字化”進化到了“網(wǎng)絡化”。之后的VoIP正是借用了RTP技術實現(xiàn)了在全球互聯(lián)網(wǎng)上的“網(wǎng)絡化數(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準。以太網(wǎng)絡使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進行組網(wǎng)。包括標準的以太網(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：假如說交換機帶寬是1Gbps，則說明每秒可傳輸1000,000,000個二進制的“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，就是說在網(wǎng)卡的物理端口會在每一個單位時間內(nèi)“寫入”或是“讀取”一個電位值(0或1)。那么這個單位時間對于1Gbps帶寬來說就是1÷1000,000,000=1ns。如圖一所示：

1個字節(jié)(Byte)有8個bit位。多個字節(jié)(Byte)可以組成一個數(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)定每一個數(shù)據(jù)幀的最小字節(jié)是64byte，最大字節(jié)是1518byte。實際上每個數(shù)據(jù)幀之間還會有一個12字節(jié)的間隔。如圖二所示：

03

網(wǎng)絡帶寬是什么？

網(wǎng)絡帶寬是理解“TSN時間敏感網(wǎng)絡”的前提。舉個例子：如果我們有10個數(shù)據(jù)流（當然每個數(shù)據(jù)流中會有成千上萬個數(shù)據(jù)幀），每個數(shù)據(jù)流的帶寬是100Mbps，那么這10個數(shù)據(jù)流可以通過1Gbps的帶寬嗎？

首先，這種表示方法是錯誤的。因為正如我們前文所說，網(wǎng)絡是串行的，而上圖所表示的方法是并行的。這個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109二進制位的數(shù)據(jù)幀在1秒鐘通過。通常數(shù)據(jù)幀都不會占用整個帶寬，每一段數(shù)據(jù)流（包含很多的數(shù)據(jù)幀）在單位時間內(nèi)運行，也就是我們所說的每個數(shù)據(jù)流所占用的帶寬。一定要記住，網(wǎng)絡中所有的數(shù)據(jù)幀都是串行通訊。

想通了這個問題，我們假設如果這10個100M的數(shù)據(jù)流能夠頭尾相連，嚴格按時間順序排列如圖五所示，那么答案是：“可以”。也就是說在理想情況下，這10個100M的數(shù)據(jù)流可以在1Gbps的帶寬下順利傳到對端。

但大多數(shù)情況下，由于帶寬通常是由多個設備共享的，這也是以太網(wǎng)的優(yōu)勢所在。而且所有的發(fā)送端沒有基于時間的流量控制，那么這些發(fā)送端永遠是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這樣來自不同設備的數(shù)據(jù)流就會在時間上產(chǎn)生重疊，即我們通常所說的沖突。如圖六所示，在這種情況下，答案就是：“不行”。因為所有數(shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會遵循QoS優(yōu)先機制進行轉(zhuǎn)發(fā)，一部分的數(shù)據(jù)包肯定會被丟棄。

在IT專業(yè)里有一個不成文的規(guī)定。當某個交換機的帶寬占用率超過40%時就必須得擴容，其目的就是通過提高網(wǎng)絡帶寬來避免擁堵的產(chǎn)生。

04

什么是AVB？

AVB——以太網(wǎng)音視頻橋接技術（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務組于2005開始制定的一套基于新的以太網(wǎng)架構的用于實時音視頻的傳輸協(xié)議集。它有效地解決了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題。同時又保持了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)絡音視頻實時傳輸技術。其中包括：

1. 802.1AS：精準時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）
2. 802.1Qat：流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）
3. 802.1Qav：排隊及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱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，簡稱AVBTP）
6. 1733：實時傳輸協(xié)議(Real-Time Transport Protocol，簡稱RTP)
7. 1722.1：負責設備搜尋、列舉、連接管理、以及基于1722的設備之間的相互控制。

AVB不僅可以傳輸音頻也可以傳輸視頻。用于音頻傳輸時，在1G的網(wǎng)絡中，AVB會自動通過帶寬預留協(xié)議將其中750M的帶寬用來傳輸雙向420通道高質(zhì)量、無壓縮的專業(yè)音頻。而剩下的250M帶寬仍然可以傳輸一些非實時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。用于視頻傳輸時，可以根據(jù)具體應用調(diào)節(jié)預留帶寬。比如：750M帶寬可以輕松傳輸高清full HD視覺無損的視頻信號。并且可以在AVB網(wǎng)絡中任意路由。

AVB中的802.1AS是1588協(xié)議在二層架構下一種具體實現(xiàn)。是AVB協(xié)議集中最重要的一部分。有關詳細內(nèi)容，我會在后續(xù)的文章中詳細描述。

05

TSN和 AVB

很多人聽說過AVB，但對于TSN卻有些陌生。實際上，IEEE 802.1任務組在2012年11月的時候正式將AVB更名為TSN – Time Sensitive Network時間敏感網(wǎng)絡。也就是說，AVB只是TSN中的一個應用。那么TSN究竟有哪些應用呢？

第一個應用就是我們的專業(yè)音視頻(Pro AV)。在這個應用領域里強調(diào)的是主時鐘頻率。也就是說，所有的音視頻網(wǎng)絡節(jié)點都必須遵循時間同步機制。

第二個應用是在汽車控制領域。目前大多數(shù)的汽車控制系統(tǒng)非常復雜。比如說：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)。娛樂系統(tǒng)更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網(wǎng)絡。實際上，所有上述系統(tǒng)都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統(tǒng)一管理?？梢越档徒o汽車和專業(yè)的A/V設備增加網(wǎng)絡功能的成本及復雜性。

第三個應用是商用電子領域。比如說，你坐在家中，可以通過無線WIFI連接到任何家中的電子設備上，實時瀏覽任何音視頻資料。

最后一個應用也是未來最廣泛的應用。所有需要實時監(jiān)控或是實時反饋的工業(yè)領域都需要TSN網(wǎng)絡。比如：機器人工業(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)的時代，毫無疑問TSN是改善物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)效率的最佳途徑。