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以太網的誕生

行業一般認為以太網是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的。并于1982年（Ethernet V2）投入商業市場運行且很快擊敗了同期的令牌環、FDDI和ARCNET等網絡技術被全球認可。以太網技術從根本上解決了在局域網內的信息互傳/共享的問題。然而在創建之初，以太網只考慮了一些非實時的靜態信息。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“數字化”。而1996年由互聯網工程任務組(IETF)開發的RTP（Realtime Transport Protocol）則奠定了音視頻在網絡中傳輸的基礎，也就是說音視頻又實現了從“數字化”進化到了“網絡化”。之后的VoIP正是借用了RTP技術實現了在全球互聯網上的“網絡化數字通訊”。

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以太網的基本原理

以太網是目前現有局域網中使用的最廣泛的通信標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監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。包括標準的以太網(10Mbit/s)、快速以太網(100Mbit/s)、千兆網(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太網。它們都符合IEEE802.3。

以千兆網為例：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”。要注意的是以太網中所有的傳輸都是串行方式傳輸，就是說在網卡的物理端口會在每一個單位時間內“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(Byte)有8個bit位。多個字節(Byte)可以組成一個數據幀。以太網傳輸數據是以幀為單位的。以太網規定每一個數據幀的最小字節是64byte，最大字節是1518byte。實際上每個數據幀之間還會有一個12字節的間隔。如圖二所示：

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網絡帶寬是什么？

網絡帶寬是理解“TSN時間敏感網絡”的前提。舉個例子：如果我們有10個數據流（當然每個數據流中會有成千上萬個數據幀），每個數據流的帶寬是100Mbps，那么這10個數據流可以通過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，可以有包含總數為109二進制位的數據幀在1秒鐘通過。通常數據幀都不會占用整個帶寬，每一段數據流（包含很多的數據幀）在單位時間內運行，也就是我們所說的每個數據流所占用的帶寬。一定要記住，網絡中所有的數據幀都是串行通訊。

想通了這個問題，我們假設如果這10個100M的數據流能夠頭尾相連，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的數據流可以在1Gbps的帶寬下順利傳到對端。

但大多數情況下，由于帶寬通常是由多個設備共享的，這也是以太網的優勢所在。而且所有的發送端沒有基于時間的流量控制，那么這些發送端永遠是盡最大可能發送數據幀。這樣來自不同設備的數據流就會在時間上產生重疊，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”。因為所有數據流重疊/沖突的部分會遵循QoS優先機制進行轉發，一部分的數據包肯定會被丟棄。

在IT專業里有一個不成文的規定。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絡帶寬來避免擁堵的產生。

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什么是AVB？

AVB——以太網音視頻橋接技術（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架構的用于實時音視頻的傳輸協議集。它有效地解決了數據在以太網傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題。同時又保持了100%向后兼容傳統以太網，是極具發展潛力的下一代網絡音視頻實時傳輸技術。其中包括：

1. 802.1AS：精準時間同步協議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）
2. 802.1Qat：流預留協議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）
3. 802.1Qav：排隊及轉發協議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱Qav）
4. 802.1BA：音視頻橋接系統（Audio Video Bridging Systems）
5. 1722：音視頻橋接傳輸協議（Audio/Video Bridging Transport Protocol，簡稱AVBTP）
6. 1733：實時傳輸協議(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的網絡中，AVB會自動通過帶寬預留協議將其中750M的帶寬用來傳輸雙向420通道高質量、無壓縮的專業音頻。而剩下的250M帶寬仍然可以傳輸一些非實時網絡數據。用于視頻傳輸時，可以根據具體應用調節預留帶寬。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網絡中任意路由。

AVB中的802.1AS是1588協議在二層架構下一種具體實現。是AVB協議集中最重要的一部分。有關詳細內容，我會在后續的文章中詳細描述。

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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音視頻(Pro AV)。在這個應用領域里強調的是主時鐘頻率。也就是說，所有的音視頻網絡節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。目前大多數的汽車控制系統非常復雜。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。娛樂系統更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網絡。實際上，所有上述系統都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統一管理。可以降低給汽車和專業的A/V設備增加網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。所有需要實時監控或是實時反饋的工業領域都需要TSN網絡。比如：機器人工業、深海石油鉆井以及銀行業等等。TSN還可以用于支持大數據的服務器之間的數據傳輸。全球的工業已經入了物聯網(Internet of Things，IoT)的時代，毫無疑問TSN是改善物聯網的互聯效率的最佳途徑。