มาตรฐานการเชื่อมต่อเสียงและวิดีโอผ่านอีเทอร์เน็ต (AVB)

Audio Video Bridging (AVB) คือชุดของมาตรฐานทางเทคนิคที่ออกแบบมาเพื่อปรับปรุงการซิงโครไนซ์ (Synchronization) ลดความหน่วง (Latency) และเพิ่มความเชื่อถือได้ในการส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายอีเทอร์เน็ตแบบสวิตช์ (Switched Ethernet networks) เพื่อให้การส่งสัญญาณเสียงและวิดีโอมีความแม่นยำและเสถียรในระดับที่ใช้งานในระดับมืออาชีพได้

มาตรฐานทางเทคนิคที่ประกอบเป็น AVB

AVB ไม่ใช่มาตรฐานเดี่ยว แต่เป็นการรวมตัวกันของมาตรฐาน IEEE หลายฉบับเพื่อให้ทำงานร่วมกันได้อย่างสมบูรณ์ ดังนี้:

• IEEE 802.1AS-2011: การกำหนดเวลาและการซิงโครไนซ์สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลา (gPTP)
• IEEE 802.1Qav-2009: การส่งต่อและการจัดคิวสำหรับสตรีมที่ไวต่อเวลา (FQTSS)
• IEEE 802.1Qat-2010: โปรโตคอลการจองสตรีม (Stream Reservation Protocol - SRP)
• IEEE 802.1BA-2011: มาตรฐานระบบ Audio Video Bridging (AVB) โดยรวม
• IEEE 1722-2011: โปรโตคอลการขนส่งเลเยอร์ 2 สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อเวลา (AVTP)
• IEEE 1722.1-2013: โปรโตคอลการค้นหาอุปกรณ์ การระบุตัวตน และการจัดการการเชื่อมต่อ (AVDECC)

ทั้งนี้ มาตรฐาน IEEE 802.1Qat และ 802.1Qav ได้ถูกรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของเอกสารหลัก IEEE 802.1Q-2011 ซึ่งกำหนดการทำงานของ Media Access Control (MAC) Bridges และ Virtual Bridged Local Area Networks

ความเป็นมาและความจำเป็น

ในอดีต อุปกรณ์เสียงและวิดีโอแบบอนาล็อกใช้การเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด (Point-to-Point) ทิศทางเดียว แม้แต่มาตรฐานดิจิทัลอย่าง S/PDIF สำหรับเสียง หรือ SDI สำหรับวิดีโอ ก็ยังคงใช้รูปแบบนี้ ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาการใช้สายสัญญาณจำนวนมหาศาลในระบบระดับมืออาชีพ

แม้จะมีความพยายามใช้เทคโนโลยีเครือข่าย เช่น IEEE 1394 (FireWire) หรือ Audio over IP แต่โปรโตคอลเฉพาะทางเหล่านี้มักไม่สามารถทำงานร่วมกันได้ และเครือข่ายคอมพิวเตอร์มาตรฐานทั่วไปไม่สามารถรับประกันคุณภาพการบริการ (Quality of Service - QoS) ที่เข้มงวด หรือควบคุมความหน่วงให้คงที่ได้

AVB จึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหานี้ โดยการส่งสตรีมเสียงและวิดีโอหลายชุดผ่านสวิตช์อีเทอร์เน็ตมาตรฐานในโครงสร้างแบบลำดับชั้น (Hierarchical Tree Topology) โดยใช้โปรโตคอลเลเยอร์ 2 ในการจองแบนด์วิดท์และจัดลำดับความสำคัญของข้อมูล เพื่อให้มั่นใจว่านาฬิกาซิงโครไนซ์มีความแม่นยำและความหน่วงในการส่งข้อมูลอยู่ในระดับต่ำ

กลไกการทำงานของ AVB

ระบบ AVB ทำงานโดยการจองส่วนหนึ่งของแบนด์วิดท์อีเทอร์เน็ตไว้สำหรับทราฟฟิก AV โดยเฉพาะ ซึ่งมีจุดเด่น 3 ประการหลัก:

1. การซิงโครไนซ์ที่แม่นยำ: ใช้ Generalized Precision Time Protocol (gPTP) ตามมาตรฐาน IEEE 802.1AS เพื่อให้ทุกอุปกรณ์ในเครือข่ายมีเวลาที่ตรงกัน
2. การจัดรูปทราฟฟิก (Traffic Shaping): ใช้การกำหนดลำดับความสำคัญของเฟรม (Frame Priorities) ตาม IEEE 802.1Qav และ VLAN tags ตาม IEEE 802.1Q เพื่อควบคุมการไหลของข้อมูล
3. การควบคุมการเข้าถึง (Admission Control): ใช้ Stream Reservation Protocol (SRP) ตาม IEEE 802.1Qat เพื่อตรวจสอบและจองทรัพยากรเครือข่ายก่อนเริ่มส่งข้อมูล

ประสิทธิภาพและความสามารถ

ข้อมูลในระบบ AVB จะถูกส่งแบบมัลติแคสต์ (Multicast) โดยมีผู้ส่ง (Talker) หนึ่งรายและผู้รับ (Listeners) หลายราย ข้อมูลจะถูกส่งในช่องเวลาที่กำหนดไว้เพื่อป้องกันการชนกันของข้อมูล โดยมีการรับประกันความหน่วงดังนี้:

• Class A: รับประกันความหน่วง 2 มิลลิวินาที (ms) ผ่านการกระโดดของโหนดสูงสุด 7 โหนด โดยมีคาบการส่งข้อมูล 125 ไมโครวินาที (μs)
• Class B: รับประกันความหน่วง 50 มิลลิวินาที (ms) ผ่านการกระโดดของโหนดสูงสุด 7 โหนด โดยมีคาบการส่งข้อมูล 250 ไมโครวินาที (μs)

ในโดเมนการกำหนดเวลาของ IEEE 802.1AS จะมีอุปกรณ์หนึ่งตัวถูกเลือกเป็น Grandmaster ซึ่งทำหน้าที่เป็นนาฬิกาอ้างอิงหลัก โดยมาตรฐาน 802.1BA กำหนดให้อุปกรณ์ผู้ส่งและสวิตช์เครือข่ายทุกตัวต้องมีความสามารถในการเป็น Grandmaster ได้

การพัฒนาสู่ Time-Sensitive Networking (TSN)

เดิมที AVB ถูกพัฒนาโดยกลุ่มงาน Audio Video Bridging ของคณะกรรมการมาตรฐาน IEEE 802.1 ต่อมาในเดือนพฤศจิกายน 2012 กลุ่มงานนี้ได้เปลี่ยนชื่อเป็น Time-Sensitive Networking (TSN) เพื่อขยายขอบเขตการทำงานให้ครอบคลุมการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำด้านเวลาสูงในอุตสาหกรรมอื่นๆ นอกเหนือจากเพียงเสียงและวิดีโอ

เพื่อให้เกิดการทำงานร่วมกันได้ระหว่างอุปกรณ์ที่ใช้มาตรฐาน AVB และ TSN ทาง AVnu Alliance จึงได้พัฒนาการรับรองมาตรฐาน (Certification) สำหรับตลาดรถยนต์ สินค้าอุปโภคบริโภค และระบบเสียงและวิดีโอระดับมืออาชีพ