Mạng "Audio Video Bridging" (AVB) thực thi một tập hợp protocol do Task Group Audio/Video Bridging của IEEE 802.1 phát triển. AVB hoạt động bằng cách dành riêng một phần bandwidth Ethernet hiện có cho traffic AVB. Có bốn điểm khác biệt chủ yếu giữa kiến trúc được đề xuất và các kiến trúc 802 đang tồn tại:

• Đồng bộ hóa chính xác,
• Shaping traffic cho các stream media,
• Các admission control (kiểm soát thu nhận), và
• Identification (nhận biết, xác định) các thiết bị không-tham-gia.

Những điểm này được thực thi bằng cách sử dụng phần mở rộng (khá nhỏ) của các bridge và các MAC tầng 2 tiêu chuẩn. Triết lí "thay đổi tối thiểu" này cho phép các thiết bị hỗ trợ AVB và các thiết bị không-hỗ-trợ-AVB giao tiếp được với nhau bằng cách dùng các frame 802 tiêu chuẩn. Tuy nhiên, như biểu thị ở Hình 2, chỉ các thiết bị hỗ trợ AVB mới có khả năng:

a) dự trữ một phần tài nguyên mạng thông qua việc sử dụng admission control và shaping traffic

b) gửi và nhận các frame dựa trên việc định giờ mới.

Các packet AVB được gửi đi đều đặn trong các slot đã được cấp phát. Vì bandwidth được dự trữ nên sẽ không có xung đột.

IEEE 802.1AS - đồng bộ hóa chính xác

Các thiết bị AVB trao đổi thông tin định giờ cho nhau theo chu kì. Việc trao đổi này cho phép cả hai thiết bị ở hai đầu của một liên kết đồng bộ hóa clock tham chiếu cơ sở thời gian của chúng một cách rất chính xác. Việc đồng bộ hóa chính xác này có hai mục đích:

• Cho phép đồng bộ hóa các stream dữ liệu
• Cung cấp cơ sở thời gian chung cho việc sampling hoặc nhận các stream dữ liệu tại thiết bị nguồn và biểu diễn các stream đó ở thiết bị đích với cùng việc định giờ tương đối.

Protocol được sử dụng trong việc duy trì đồng bộ hóa định giờ được xác định trong IEEE 802.1AS. Đây là một tập con của một tiêu chuẩn IEEE khác (IEEE 1588), bị ràng buộc rất chặt chẽ, và có phần mở rộng hỗ trợ IEEE 802.11 và các mạng "coordinated shared network" (CSN, mạng được chia sẻ và phối hợp) chung (ví dụ CSN bao gồm một số công nghệ không dây, cáp đồng trục và dây dẫn điện). IEEE 1588 được dùng trong các ứng dụng đo đạc, kiểm thử, và điều khiển công nghiệp.

Một domain định giờ mạng 802.1AS sẽ được tạo thành khi tất cả các thiết bị đều tuân theo các yêu cầu của tiêu chuẩn 802.1AS và giao tiếp với nhau bằng cách sử dụng protocol IEEE 802.1AS. Bên trong domain định giờ, có một thiết bị duy nhất được gọi là grandmaster. Thiết bị này cung cấp tín hiệu định giờ master. Còn tất cả các thiết bị khác sẽ đồng bộ hóa clock của chúng với grandmaster như biểu thị ở Hình 3.

Thiết bị giữ vai trò grandmaster có thể được lựa chọn một cách tự động hoặc được phân công đặc biệt (ví dụ, khi mạng được sử dụng trong một môi trường chuyên nghiệp cần "house clock" (audio), hoặc "genlock" (video), hoặc khi hệ thống phân cấp timing cần được xác định vì các lí do khác). Sau khi thiết lập liên kết vật lý, các thiết bị AVB thường trao đổi cho nhau thông tin khả năng (capability information). Nếu các thiết bị ngang hàng trên cùng một liên kết (link) có khả năng đồng bộ hóa mạng, thì chúng sẽ bắt đầu trao đổi các frame đồng bộ hóa clock. Nếu không, thì ranh giới sẽ được xác định cho domain định giờ AVB (như biểu thị ở Hình 2).

IEEE 802.1Qav - shaping traffic cho các stream AV

Nhằm cung cấp các dịch vụ AV chuyên nghiệp, kiến trúc AVB thực thi việc shaping traffic bằng cách dùng các cơ chế ưu tiên và chuyển tiếp 802.1Q hiện có, ngoài ra nó cũng định nghĩa thêm một mối quan hệ đặc biệt giữa các tag ưu tiên và hành vi chuyển tiếp frame tại các endpoint (đầu cuối, điểm cuối) và các bridge (cầu).Shaping traffic là quá trình làm mượt traffic cho một stream, phân phối các packet của nó đồng đều theo thời gian. Nếu việc shaping traffic không được thực hiện ở các nguồn và các bridge, thì các packet có xu hướng "bunch", nghĩa là kết tụ, thành vụ bùng nổ traffic, gây quá tải cho các buffer (bộ đệm) ở các bridge, switch và các thiết bị hạ tầng khác tiếp theo. "bunching" được mô tả chi tiết hơn ở các phần sau.

Các yêu cầu tagging tại nguồn stream và bridge

Các stream AVB bao gồm các frame 802. Các frame này có tagging ưu tiên và các hạn chế thông thường về định dạng và chiều dài. Tagging 802.1Q mặc định cho phân khúc thị trường cụ thể nên được chọn để tránh xung đột tiềm năng với cách dùng hiện tại của các tag ưu tiên 802.1Q trong phân khúc thị trường đó.

Shaping traffic tại nguồn stream

Các thiết bị endpoint cần phải truyền các frame cho một stream cụ thể một cách rất đều đặn dựa trên lớp traffic AVB và các thông số quality of service (QoS) cụ thể từng được sử dụng khi stream được mạng chấp nhận (xem mục Admission control bên dưới). Các quy định cụ thể đối với việc shaping traffic được mô tả trong specification IEEE 802.1Qav, và là một dạng đơn giản của "leaky bucket" (thùng rò rỉ) credit-based fair queuing (xếp hàng công bằng dựa trên credit) trong đó bandwidth được dự trữ cho một stream sẽ kiểm soát khoảng thời gian giữa các packet tạo nên stream đó.

Shaping traffic tại một bridge AVB

Cơ chế shaping traffic được các nguồn stream sử dụng cũng được các bridge AVB khai thác. Các frame AVB được chuyển tiếp với ưu tiên cao hơn traffic Best Effort (nỗ lực tốt nhất) (có nghĩa là, traffic stream AVB được dự trữ khi đi qua một bridge AVB sẽ được ưu tiên chuyển tiếp hơn so với traffic không được dự trữ) và phải tuân thủ các luật về shaping traffic (có thể chúng cần đợi cho đến khi có đủ credit).

Như đối với các nguồn stream, các luật về shaping traffic được áp dụng cho các bridge cũng yêu cầu các frame phải được phân phối rất đều đặn theo thời gian. Nhưng việc phân phối này chỉ dựa trên một lớp kết hợp hơn là trên mỗi stream. Điều này có nghĩa là tất cả traffic AVB đang được truyền đi từ một port cụ thể sẽ được phân phối đều đặn theo thời gian và sẽ được đo lường bằng cách sử dụng các tham số QoS của lớp đó; đây chính là tổng của các bandwidth của tất cả các reservation (đặt trước) dành cho một lớp AVB cụ thể và cho một port cụ thể, được tạo ra bởi quá trình admission control như được mô tả dưới đây, nhằm đạt được hiệu quả làm mịn (smoothing out) thời điểm phân phát (ngăn chặn các frames bị bó lại) trong suốt quá trình một stream lan truyền qua mạng. Việc bó lại bị hạn chế này sẽ mang lại ích lợi lớn trong việc đặt ra một giới hạn trên tương đối nhỏ về kích thước cho các buffer đầu ra AVB, các buffer này cần phải tồn tại ở tất cả các port đầu ra của một bridge. Việc bó lại bị hạn chế này cũng độc lập với số lượng bước nhảy (hop) trong đường dẫn. Kích thước buffer bị giới hạn này là một thuộc tính quan trọng. Thuộc tính này cho phép độ trễ bị giới hạn, và loại bỏ nghẽn mạng đối với các stream AV đã được chấp nhận trong mạng AVB, ngay cả khi traffic không được chấp nhận bị tắc.

IEEE 802.1Qat - Admission control (kiểm soát thu nhận)

Mặc dù cơ chế trước đây có thể phân phát dữ liệu đáng tin cậy với một latency và jitter thấp, nhưng cơ chế đó chỉ hoạt động nếu các tài nguyên mạng (ví dụ, throughput (lưu lượng) trên một port, không gian buffer trong một bridge) sẵn sàng trên toàn bộ đường dẫn từ talker đến [các] listener. Trong các protocol AVB, thuật ngữ ‘talker’ (người nói) chỉ nguồn stream còn ‘listener’ (người nghe) chỉ đích stream. Trong kiến trúc này, cả talker và listener phải chịu trách nhiệm đảm bảo đường dẫn sẵn sàng và dự trữ các tài nguyên. Quá trình làm việc này được xác định trong 802.1Qat "Stream Reservation Protocol" (SRP, Giao thức Dự trữ Stream). Protocol này đăng kí một stream và dự trữ các tài nguyên cần thiết xuyên suốt toàn bộ đường dẫn chiếm bởi stream:Các talker bắt đầu gửi một tin nhắn SRP "talker advertise" (quảng cáo talker). Tin nhắn này gồm một Stream ID tạo bởi địa chỉ MAC của nguồn stream cộng với một ID duy nhất dài 16 bit đặc trưng cho talker và địa chỉ MAC của đích stream. Ngoài ra, tin nhắn "talker advertise" còn bao gồm các yêu cầu về QoS (ví dụ, lớp traffic AVB và thông tin về data rate) và latency tích lũy trong trường hợp xấu nhất. Mặc dù địa chỉ và các yêu cầu QoS đều bắt nguồn từ talker, latency trong trường hợp xấu nhất vẫn được tính lại tại mỗi bridge, cho phép listener truyền thông tin này lên các tầng cao hơn nhằm giúp đồng bộ hóa media.

Tất cả các bridge AVB trung gian khi nhận được một tin nhắn "talker advertise" sẽ kiểm tra xem bandwidth trên các port đầu ra của chúng có sẵn sàng hay không. Khi bridge có đủ tài nguyên trên port đầu ra đó, "talker advertise" sẽ được lan truyền đến station tiếp theo.Khi bridge không có đủ tài nguyên, thay vì lan truyền tin nhắn advertise, bridge sẽ gửi một tin nhắn "talker failed" (talker bị lỗi). Trong tin nhắn này có một mã lỗi và một identification của bridge, cho phép một ứng dụng tầng cao hơn cung cấp việc kiểm tra lỗi và thông báo. Một bridge trung gian nhận được tin nhắn "talker failed" chỉ nên chuyển tiếp tin nhắn đó cho listener.Khi một listener nhận được tin nhắn "talker advertise", nó cần phải biết tài nguyên sẵn sàng hay không, và nếu tài nguyên có đủ thì nó sẽ xét đến latency trên đường dẫn. Sau đó nó có thể phản hồi lại bằng một tin nhắn "listener ready" (listener đã sẵn sàng), tin nhắn này sẽ được chuyển tiếp ngược lại đến talker. Các bridge trung gian sử dụng tin nhắn "ready" để khóa các tài nguyên mà stream cần và làm cho các entry thích hợp trong cơ sở dữ liệu chuyển tiếp (forwarding database) của chúng cho phép stream được gửi trên port đã nhận được tin nhắn "ready". Khi talker nhận được một tin nhắn "ready", nó có thể bắt đầu gửi stream.

Talker có thể hủy một stream một cách tường minh bằng cách hủy đăng kí tin nhắn "talker advertise", và một listener có thể ngắt kết nối bằng cách hủy đăng kí tin nhắn "listener ready". Một tin nhắn hủy đăng kí sẽ lan truyền qua mạng giống với tin nhắn đăng kí ban đầu.Ngoài ra còn có các phương pháp ngầm hiểu dùng để hủy một kết nối và để giải phóng các tài nguyên đã được cấp phát. Ví dụ, listener phải định kì gửi lại các các registration (bản đăng kí) và các tin nhắn "ready", còn các talker phải định kì gửi lại các tin nhắn "advertise". Theo cách đó bất cứ thiết bị nhận nào (bao gồm các bridge trung gian) cũng có thể tự động giải phóng các tài nguyên đã được cấp phát và thông báo cho các tầng cao hơn nếu nó không nhận được các registration và các reservation (dự trữ, đặt chỗ trước) thích hợp vì một lỗi làm gián đoạn hệ thống (system halt), ví dụ, mất điện đột ngột.

Cân nhắc cho mạng LAN-đặc-biệt

Mặc dù ý đồ của nhóm công tác AVB (AVB Task Group) là cung cấp một phương pháp độc-lập-công-nghệ-LAN cho việc yêu cầu và cung cấp các dịch vụ streaming, các đặc điểm và kiến trúc của các công nghệ LAN khác đòi hỏi các cách chuyên biệt để thực thi những dịch vụ đó như được phác thảo trong các phần sau.

IEEE 802.3 / Các liên kết Ethernet

Các thiết bị Ethernet ngày nay chủ yếu hỗ trợ hoạt động full-duplex ở tốc độ 100 Mbit/s hoặc hơn. Vì vậy, bởi vì bandwidth tổng cộng có sẵn trên một liên kết Ethernet như vậy đều đã biết và là hằng số, dự trữ AVB trên các liên kết Ethernet đó được kết hợp với việc shaping traffic thích hợp đảm bảo cả throughput và các tham số latency phân phát được đảm bảo cho các packet của stream được dự trữ. Vì bandwidth và việc định giờ phân phát không thể được đảm bảo giữa hai thiết bị trong Ethernet CSMA/CD được chia sẻ cũ hơn dùng các hub, những công nghệ cũ hơn này không được hỗ trợ bởi AVB. Tiêu chuẩn đồng bộ hóa thời gian Ethernet của AVB, 802.1AS, thúc đẩy và đơn giản hóa IEEE 1588-2008 được khai thác.

IEEE 802.11 / Wireless LAN (LAN không dây)

Đến nay, việc hỗ trợ AVB đã được lập kế hoạch cho 802.11 bị giới hạn ở việc đồng bộ hóa thời gian. 802.1AS cung cấp đồng bộ hóa thời gian chính xác trên các liên kết 802.11, một phần bằng cách viện dẫn các primitive timestamp-reporting đặc trưng MAC được định nghĩa trong IEEE Std 802.11v-2011.[11] Protocol đồng bộ hóa thời gian được định nghĩa bởi 802.1AS được thiết kế để linh hoạt đối với các đặc điểm truyền có thể có trên medium không dây.

Coordinated Shared Network Link (Các liên kết mạng được chia sẻ và phối hợp)

Hiện nay nhiều tiêu chuẩn và specification MAC/PHY đang được sử dụng hoặc đang được phát triển hoạt động trên các dây dẫn hiện có trong gia đình (như các dây điện AC, dây cáp đồng trục). Những dây dẫn này "Shared" (được chia sẻ) về điện giữa nhiều thiết bị (không phải đơn-điểm-đến-đơn-điểm như Ethernet), vì vậy để cung cấp performance có thể đoán trước được, việc truyền thông tin trên dây dẫn được "Coordinated" (được phối hợp) để tránh xung đột va chạm bởi một trong các thiết bị trên mạng. Những công nghệ nối mạng như vậy thường được gọi là Coordinated Shared Network (CSN, các mạng được chia sẻ và được phối hợp). Nếu CSN cung cấp một phương pháp truy cập với latency bị chặn (như hầu hết đều làm), và nếu time stamping đặc trưng liên kết chính xác hoặc phân bố clock sẵn sàng cho các mạng CSN, thì các phần mở rộng có thể được định nghĩa để hưởng lợi từ chúng.

IEEE 802.1BA - Identification của các thiết bị tham gia

Vì scheme (sơ đồ, phương pháp) tổng thể AVB phụ thuộc vào sự tham gia của tất cả các thiết bị nằm giữa talker và listener, bất cứ yếu tố mạng nào không hỗ trợ AVB (bao gồm cả cái gọi là các "unmanaged bridge" (bridge không được quản lí)) phải được xác định và gắn cờ. Quá trình làm việc này được mô tả trong việc phát triển tiêu chuẩn IEEE 802.1BA "Audio Video Bridging Systems". Tiêu chuẩn này xác định cấu hình mặc định cho các thiết bị AVB trên một mạng.

Đối với Ethernet, phương pháp được định nghĩa bởi 802.1BA để xác định xem thiết bị ngang hàng của nó có khả năng hỗ trợ AVB là một tổ hợp của các khả năng liên kết 802.3 (được xác định trong khi thiết lập liên kết Ethernet) và các phép đo delay (độ trễ) liên kết được thực hiện bởi IEEE 802.1AS. Một port Ethernet có khả năng hỗ trợ sẽ sử dụng AVB nếu:

1. liên kết là full duplex 100 Mbit/s hoặc lớn hơn
2. protocol 802.1AS phát hiện ra chính xác một thiết bị ngang hàng
3. round-trip delay (độ trễ chuyến khứ hồi) đến thiết bị AVB hồi đáp không nhiều hơn delay dây dẫn trong trường hợp xấu nhất (được tính từ việc trao đổi "PDelay" IEEE 802.1AS) Lưu ý: delay dây dẫn trong trường hợp xấu nhất nhỏ hơn delay của một switch không hỗ trợ AVB.
4. một yêu cầu dự trữ SRP hoặc acknowledge đã được nhận ở port

Các kết nối khác ở tầng thứ hai sẽ có các phương pháp đặc trưng riêng của chúng để xác định các thiết bị ngang hàng cùng hợp tác.

Mặc dù một port có thể được kích hoạt cho hoạt động AVB, có khả năng một kết nối AVB end-to-end (đầu cuối đến đầu cuối) hoàn thiện không thể được thiết lập đối với một thiết bị đầu cuối (endpoint device) khác đã được kích hoạt AVB. Ví dụ, ở Hình 2 phía trên, các thiết bị trong domain AVB 1 không thể thiết lập một kết nối AVB đến các thiết bị trong domain AVB 2. Một kết nối AVB mà có thể chỉ được đảm bảo nếu một dự trữ thành công được tạo thành bằng cách sử dụng các tin nhắn SRP, và các tin nhắn SRP "talker advertise" sẽ không được lan truyền bởi một bridge không hỗ trợ AVB.[6]