基于網(wǎng)絡(luò)演算的AVB網(wǎng)絡(luò)流量接納準則研究

劉艷萍 趙洋 王艷明

摘要 針對AVB網(wǎng)絡(luò)中的流量整形機制，考慮在網(wǎng)絡(luò)演算方法的基礎(chǔ)上，對其進行流量接納準則的分析。將AVB流預留協(xié)議約定的兩類優(yōu)先級擴展為三類優(yōu)先級;結(jié)合信用量整形機制的信用量消耗規(guī)則，實現(xiàn)高、中、低三類優(yōu)先級流量的服務(wù)曲線計算，并完成各類流量端到端傳輸實時性的分析;依據(jù)于端到端傳輸延時的變化，提出AVB流量接納準則。基于該流量接納準則，分別分析接納高、中、低優(yōu)先級流量時已有流量產(chǎn)生的延遲變化量，結(jié)果表明：所提出的流量接納準則適用于AVB網(wǎng)絡(luò)，具有保障流量傳輸穩(wěn)定性的作用。

關(guān) 鍵 詞 AVB網(wǎng)絡(luò);流量整形算法;流量接納;網(wǎng)絡(luò)演算;端到端延遲

Abstract Focused on flow shaping mechanism in AVB network， the method for flow acceptance is analyzed based on the theory of network calculus. The existed two classes of priority defined in AVB flow reservation protocol are extended into three kinds. Combined with the rule of credit consumption in AVB， the service curves for the high， middle and low priority flows are calculated， and the real-time performance of all kinds of flows are analyzed. According to the change of the end-to-end transmission delay， AVB flow acceptance rule is proposed. Based on the acceptance rule， the delay variation caused by accepting new flow with the high， middle and low priority are analyzed respectively. The results show that the proposed flow acceptance rule is suitable to AVB network and ensures the transmission stability for different priority flows.

Key words AVB; credit-based shaping; flow acceptance; network calculus; end-to-end delay

0 引言

以太網(wǎng)音視頻橋接（Audio Video Bridger，AVB）網(wǎng)絡(luò)作為新一代音頻/視頻等多媒體應(yīng)用實時傳輸網(wǎng)絡(luò)極具發(fā)展?jié)摿Γ豢紤]用于車載、劇院等通信場景，以及航空電子等嵌入式系統(tǒng)平臺，具有實時傳輸?shù)拇_定性和穩(wěn)定性。AVB網(wǎng)絡(luò)由多項IEEE標準進行定義[1]：1）IEEE 802.1AS，高精度的時鐘同步協(xié)議，能為網(wǎng)絡(luò)提供時鐘精度為1 μs的同步服務(wù)[2];2）IEEE 802.1Qat，流預留協(xié)議[3]，為音/視頻流量在傳輸路徑上預留所需帶寬;3）IEEE 802.1Qav，轉(zhuǎn)發(fā)及隊列算法[4]，為音視頻流在傳輸路徑中經(jīng)過不同端口輸出時制定具體的調(diào)度策略和調(diào)度算法，以保證音視頻流量傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

關(guān)于AVB實時性能方面的研究可以分為網(wǎng)絡(luò)演算法和仿真法。基于網(wǎng)絡(luò)演算法，文獻[5]將AVB的信用量的流量整形算法（Credit-Based Shaping，CBS）在兩個優(yōu)先級的情況下與AFDX的交換機隊列協(xié)議FIFO、WPQ等進行對比。文獻[6-7]對其進行發(fā)展，計算了AVB網(wǎng)絡(luò)的流量到達、服務(wù)曲線以及延遲上界。文獻[8]進一步研究了在最壞情況下的網(wǎng)絡(luò)延遲特性。文獻[9]在幀模型下對AVB網(wǎng)絡(luò)流量整形進行端到端延遲計算。基于建模仿真，文獻[10]構(gòu)建了時間觸發(fā)機制，對比AVB網(wǎng)絡(luò)同步和異步流量的延遲性能，研究結(jié)果表明引入時間觸發(fā)機制后，AVB網(wǎng)絡(luò)的性能能夠得到進一步增強。文獻[11]進一步考慮了時鐘同步方式，以及時鐘同步失敗后的AVB網(wǎng)絡(luò)性能。文獻[12]分析了將AVB流量和TTE流量結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)工作情況。

在這些研究工作中，可以看出：AVB的傳輸實時性與網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)及流量傳輸情況緊密相關(guān)，雖然802.1Qat為流量帶寬預留提供了一個基本計算方法，但缺乏對消息端到端延時的預估機制和預估能力。同時考慮在AVB實際組網(wǎng)過程中，往往需要通過增量設(shè)計來滿足系統(tǒng)功能集成，并由此帶來流量變化，需要有一套方法可以從消息端到端的確定性保障方面實施流量的接納控制，以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

本文從網(wǎng)絡(luò)演算的角度討論AVB網(wǎng)絡(luò)流量的接納準則，首先對AVB網(wǎng)絡(luò)流控機制進行歸納，然后分析網(wǎng)絡(luò)流量的端到端實時性;在其基礎(chǔ)上，建立具有確定性保證機制的流量接納方法，最后通過典型案例對本文方法進行討論。

1 AVB流控機制

AVB是為了解決音視頻流量在以太網(wǎng)中的傳輸實時性，通過采用帶寬保障、延遲限制和精確時鐘同步等機制，在保持完全兼容現(xiàn)有以太網(wǎng)體系IEEE802.3的基礎(chǔ)上，進行實時性擴展，以提供7跳范圍內(nèi)A類高優(yōu)先級流量傳輸延時不超過2 ms，B類高優(yōu)先級流量傳輸延時不超過50 ms的服務(wù)質(zhì)量，以保證穩(wěn)定的實時音/視頻的傳輸[13]。

1.1 流預留機制

AVB通過定義流預留（Stream Reservation Protocol，SRP）協(xié)議，解決實時音視頻消息和異步BE消息的競爭排隊。SRP通過在音視頻流量的傳輸路徑上采用協(xié)商機制，提前保留出流量傳輸所需帶寬，如果交換端口帶寬允許，則建立音視頻流連接，否則連接建立失敗，以保障音視頻流的服務(wù)質(zhì)量，并保障消息流的傳輸延時。

SRP協(xié)議定義的實時AV流分兩類：A 類（SR_A）和B 類（SR_A），流量的周期或幀率（Frame Rate，F(xiàn)R）分別為：125 μs和250 μs，A類流量具有網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖罡邇?yōu)先級，B類流量次之。

為預留AV流量所需的帶寬資源，SRP采用IEEE 802.1ak 多注冊協(xié)議（Multiple Registration Protocol，MRP）在交換路徑上傳遞協(xié)商消息。基于SRP協(xié)議標準的交換機最大可將網(wǎng)絡(luò)端口帶寬的75%用于SR類流量，剩余的最少25%的帶寬資源則留給傳統(tǒng)以太網(wǎng)BE流量傳輸。在SRP協(xié)議中，Talker為實時音視頻流量的源，Listener則為實時音視頻流量的接聽者，SRP協(xié)議允許多播傳輸。

SRP協(xié)議實施分為兩步：分別為注冊和預留。首先Talker發(fā)出音視頻流量的廣播信息，各交換機端口對該流量的總帶寬進行分析計算，預留所需資源，Listener收到流量的廣播消息后，返回接收該數(shù)據(jù)流的注冊消息，當從Talker到Listener（可能不止一個）的交換網(wǎng)絡(luò)中存在滿足協(xié)商和預留條件的交換路徑，Talker即可向Listener傳輸實時的音視頻流量。當Listener不再接聽時，則發(fā)出流量取消注冊的信息，取消占用的鏈路帶寬，如圖1展示了SRP協(xié)議的工作流程。SRP通過以上動態(tài)注冊的過程，并采用狀態(tài)機動態(tài)記錄網(wǎng)絡(luò)拓撲、節(jié)點的狀態(tài)，使得音視頻流量的傳輸與否（注冊和取消注冊）不會影響到網(wǎng)絡(luò)消息的基本傳輸。

1.2 信用量整形機制

AVB網(wǎng)絡(luò)對高優(yōu)先級SR_A類和SR_B類流量均設(shè)置了基于信用量的流量整形算法（Credit-Based Shaping，CBS），每類消息關(guān)聯(lián)一個信用量模型，SR類消息只能夠在信用量的值不小于0的時候才能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度輸出，當關(guān)聯(lián)的信用量值小于0時，排隊隊列里的AVB數(shù)據(jù)包均不能夠轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，直到關(guān)聯(lián)的信用量恢復到0為止。

信用量整形的計算關(guān)系到兩個方面，一方面為信用量增加的速率，定義為idleSlope，idleSlope的值通過SRP協(xié)議協(xié)商配置或者用戶自配置的方式得到，idleSlope的值應(yīng)不小于相應(yīng)優(yōu)先級流量的持續(xù)帶寬和，即有最小值為

信用量整形CBS隊列轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議采用基于信用量的方式，其信用量的計算規(guī)則以及轉(zhuǎn)發(fā)方式，如圖2所示，規(guī)則如下：

1）如果隊列信用量的值大于0，但此時隊列中沒有AVB數(shù)據(jù)幀傳輸，信用量的值直接設(shè)置為0，并保持;

2）在AVB消息幀傳輸期間，信用量的值以sendSlope的速率減小;

3）如果信用量的值為負，信用量的值以idleSlope的速率增加;

4）如果有AVB數(shù)據(jù)幀在隊列里排隊，但由于有別的流量正在占用端口輸出導致AVB數(shù)據(jù)幀不能夠傳輸，信用量的值將以idleSlope的速率增加，在這種情況下，信用量的值可以超過0。

5）僅當信用量大于等于0的時候，允許AVB數(shù)據(jù)幀按照優(yōu)先級別獲得傳輸。

2 AVB時間確定性分析

2.1 信用量消耗計算模型

考慮到一般嵌入式應(yīng)用中兩級優(yōu)先級服務(wù)的不足，本文將AVB的SR服務(wù)級別擴展到3類，如圖4所示。與此對應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)時敏消息的優(yōu)先級也由兩級擴展為高（High）、中（Medium）、低（Low）3個優(yōu)先級（簡記為H、M、L）。為了與一般消息調(diào)度規(guī)則相兼容，對于高、中優(yōu)先級消息的隊列將使用CBS調(diào)度策略，低優(yōu)先級消息使用普通FIFO隊列，CBS隊列的信用量增加速率idleSlope通過設(shè)計者配置得到。

考察基于信用量整形隊列的信用量計算方式，可得到[Δt]時間內(nèi)信用量值的變化量和優(yōu)先級流量的輸出曲線，以及隊列idleSlope之間的關(guān)系。

2.2 高優(yōu)先級流量分析

根據(jù)圖3所示，高優(yōu)先級流量采用的是CBS隊列，設(shè)該隊列的信用量增加速率idleSlope值為idSlH，減小速率sendSlope值為sdSlH。則高優(yōu)先級隊列信用量的范圍為

因為當且僅當creditH ≥ 0時，消息允許傳輸，且有信用量creditH僅在消息數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臅r候以sdSlH的值減小。故creditH的最小值發(fā)生在creditH=0，且有一最大幀長的數(shù)據(jù)包傳輸完成的時刻。而creditH僅在隊列中存在高優(yōu)先級流量，且當前端口正處于繁忙時期（正傳輸中、低優(yōu)先級流量），以idSlH的值增加。故creditH的最大值發(fā)生中低優(yōu)先級最大幀長數(shù)據(jù)包傳輸完成的時刻，由此可得式（4）。

2.3 中優(yōu)先級流量分析

2.3 低優(yōu)先級流量分析

依據(jù)圖3所示，低優(yōu)先級流量采用的排隊隊列為FIFO隊列，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演算基本原理，端口對低優(yōu)先級流量的服務(wù)，受限于端口的總服務(wù)曲線和端口對于高、中優(yōu)先級流量的服務(wù)，可取為端口總的服務(wù)曲線減去高、中優(yōu)先級流量的到達曲線，即可得到低優(yōu)先級流量的服務(wù)曲線，如下所示：

3 AVB流量接納準則

3.1 流量接納步驟

在優(yōu)先級擴展后的AVB網(wǎng)絡(luò)中，可以依據(jù)時間確定性分析結(jié)果，實施流量的接納準則設(shè)計，保證網(wǎng)絡(luò)流量傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1）[Vnew]為低優(yōu)先級流量，直接接納進入網(wǎng)絡(luò)，進入步驟4;

2）[Vnew]為高、中（H、M）優(yōu)先級流量，遍歷該[Vnew]經(jīng)過的所有的端口，并計算這類端口所有與[VLnew]優(yōu)先級（H/M）相等的流量的持續(xù)帶寬之和

由于低優(yōu)先級流量映射低關(guān)鍵性系統(tǒng)消息，通常為盡力傳輸消息，這類流量的實時性對網(wǎng)絡(luò)的整體性能影響不大。下面將主要考慮高、中優(yōu)先級消息在流量V實時接納中的延時上界變化情況。為便于分析，將端口技術(shù)延時[Tswi]的值均設(shè)為0。

3.2 接納高優(yōu)先級流量

3.3 接納中優(yōu)先級流量

3.4 接納低優(yōu)先級流量

4 案例研究

4.1 案例配置參數(shù)

考慮如圖4所示案例。物理鏈路的傳輸速率設(shè)為10 M。分別加入[Vnew1]和[Vnew2]進行前后延遲對比，[Vnew1]和[Vnew2]分別代表高優(yōu)先級和中優(yōu)先級的新流量，將主要分析網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入流量后延遲變化情況。流量屬性配置如表1所示。

4.2 流量接納判斷

可見，高優(yōu)先級[Vnew1]和中優(yōu)先級[Vnew2]均滿足網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)接納算法，能夠?qū)崟r接入AVB網(wǎng)絡(luò)中。

依據(jù)第3節(jié)的方法對流量接納前后的延遲情況進行計算，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，所有流量的端到端最壞延遲均在截止期限以內(nèi)。

因此，AVB網(wǎng)絡(luò)通過對高、中優(yōu)先級流量進行隊列限流整形，在保障高優(yōu)先級流量傳輸延遲的基礎(chǔ)上，以犧牲其部分延遲為代價，保障了中低優(yōu)先級流量的端到端傳輸延遲，通過維持流量的傳輸帶寬使網(wǎng)絡(luò)在流量動態(tài)接納的網(wǎng)絡(luò)中更加穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文以AVB網(wǎng)絡(luò)接納準則為研究對象，從網(wǎng)絡(luò)演算角度研究滿足確定性要求的流量接納方法。本文首先把AVB網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)先級擴展為三類優(yōu)先級，以彌補一般嵌入式應(yīng)用服務(wù)的不足。在此基礎(chǔ)上，通過時間確定性的分析得到三組服務(wù)曲線，并依據(jù)該結(jié)果制定相應(yīng)的流量接納準則。在三類優(yōu)先級調(diào)度模式下，當接納高、中優(yōu)先級流量時，若接納后的高（中）優(yōu)先級流量持續(xù)流量和小于設(shè)置的idleSlopeH（idleSlopeM），則滿足接納準則，允許流量接入網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時已設(shè)定idleSlopeH和idleSlopeM的情況下，針對中優(yōu)先級流量的延遲上界，當增加一個高優(yōu)先級流量時，流量接納控制過程中延時變化不超過單個消息包最大包長的變化程度;針對高優(yōu)先級流量延遲上界，增加一條中優(yōu)先級流量時，高優(yōu)先級流量的延遲上界受增加的中優(yōu)先級流量的最大包長影響;當動態(tài)接納低優(yōu)先級流量時，網(wǎng)絡(luò)中高、中優(yōu)先級流量實時性所受影響可忽略不計。案例結(jié)果表明，基于網(wǎng)絡(luò)演算制定的AVB流量接納準則，可以使網(wǎng)絡(luò)在動態(tài)接納新流量時使消息傳輸更穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]? ? IEEE Standard for Local and metropolitan area networks--Audio Video Bridging （AVB） Systems[S]. IEEE Std 802. 1BA-2011.

[2]? ? IEEE. IEEE standard for local and metropolitan area networks—Timing and synchronization for time-sensitiveapplicationsin bridged local area networks：IEEE Std 802. 1AS-2011[S]. Piscataway，NJ：IEEE Press，2002：1-48.

[3]? ? IEEE Std 802. 1Qat，IEEE Standard for Local and metropolitan area networks，Virtual Bridged Local Area Networks，Amendment 14：Stream Reservation Protocol （SRP） [S]. 2010.

[4]? ? IEEE Std. 802. 1Qav，IEEE Standard for Local and metropolitan area networks，Virtual Bridged Local Area Networks，Amendment 12：Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams[S]，2009.

[5]? ? GEYER F，HEIDINGER E，SCHNEELE S，et al. Evaluation of Audio/Video Bridging forwarding method in an avionics switched Ethernet context[C]//2013 IEEE Symposium on Computers and Communications （ISCC）. July 7-10，2013，Split，Croatia. IEEE，2013：000711-000716.

[6]? ? QUECK R. Analysis of Ethernet AVB for automotive networks using Network Calculus[C]//2012 IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety （ICVES 2012）. July 24-27，2012，Istanbul，Turkey. IEEE，2012：61-67.

[7]? ? DE AZUA J A R，BOYER M. Complete modelling of AVB in network calculus framework[C]// Proceedings of the 22nd International Conference on Real-Time Networks and Systems-RTNS '14. October 8-10，2014. Versaille，F(xiàn)rance. New York：ACM Press，2014：55.

[8]? ? DIEMER J，ROX J，ERNST R. Modeling of Ethernet AVB networks for worst-case timing analysis[J]. IFAC Proceedings Volumes，2012，45（2）：848-853.

[9]? ? 李二帥，何鋒，熊華鋼. AVB網(wǎng)絡(luò)流量整形幀模型端到端延遲計算[J]. 北京航空航天大學學報，2017，43（7）：1442-1449.

[10]? MEYER P，STEINBACH T，KORF F，et al. Extending IEEE 802. 1 AVB with time-triggered scheduling：a simulation study of the coexistence of synchronous and asynchronous traffic[C]//2013 IEEE Vehicular Networking Conference. December 16-18，2013，Boston，MA，USA. IEEE，2013：47-54.

[11]? STEINBACH T，LIM H T，KORF F，et al. Tomorrow's in-car interconnect？ A competitive evaluation of IEEE 802. 1 AVB and time-triggered Ethernet （AS6802）[C]//2012 IEEE Vehicular Technology Conference （VTC Fall）. September 3-6，2012，Quebec City，QC，Canada. IEEE，2012：1-5.

[12]? HEIDINGER E，GEYER F，SCHNEELE S，et al. A performance study of Audio Video Bridging in aeronautic Ethernet networks[C]//7th IEEE International Symposium on Industrial Embedded Systems （SIES'12）. June 20-22，2012，Karlsruhe，Germany. IEEE，2012：67-75.

[13]? ALDERISI G，CALTABIANO A，VASTA G，et al. Simulative assessments of IEEE 802. 1 Ethernet AVB and time-triggered Ethernet for advanced driver assistance systems and in-car infotainment[C]//2012 IEEE Vehicular Networking Conference （VNC）. November 14-16，2012，Seoul，Korea （South）. IEEE，2012：187-194.

[14]? IMTIAZ J，JASPERNEITE J，HAN L X. A performance study of Ethernet Audio Video Bridging （AVB） for Industrial real-time communication[C]//2009 IEEE Conference on Emerging Technologies & Factory Automation. September 22-25，2009，Palma de Mallorca，Spain. IEEE，2009：1-8.