Audio Video Bridging over Ethernet

Iedereen kent wel ethernet voor het aanleggen van netwerken tussen computers en ook voor residentiële automatisering. In het slimme huis en kantoor maar ook in de auto is met Ethernet echter nog meer mogelijk op het gebied van audiovisuele media. Met behulp van een nieuwe standaard, Audio Video Bridging (AVB) en slimme distributiepunten (switches) zijn audio- en videobestanden in de hoogste kwaliteit in het overige netwerkverkeer te voegen.



Ethernet is in feite het ei van Columbus voor netwerken thuis, in de auto, op kantoor in bedrijven en bij het onderwijs. Vrijwel elke computer beschikt over een Ethernetpoort, hetzelfde geldt voor tal van randapparaten en met behulp van software gestuurde routers en switches valt het dataverkeer, snel (1 tot 10 Gigabyte per seconde) betrouwbaar, flexibel en in grote hoeveelheden te distribueren. Naast het standaarddataverkeer tussen computers en bij home of office automation schreeuwt ook hoogwaardige video en audio om een plek op het lokale Ethertnet-netwerk. Een super AV-LAN dat AV in High Definition (2K, 4K UHD, 3D, 5K en zelfs 8K) realtime zonder verlies van beeldjes en kwaliteit tegelijkertijd (synchroon) kan aanbieden. Daarvoor is een nieuwe IEEE standaard 802.1 met gemakkelijk en goedkoop te implementeren toepassingen ontwikkeld. Deze heet Audio Video Bridging (AVB). Er is zelfs een aparte alliantie, de AVnu, (spreek uit Avenue) voor opgericht. 2014 wordt naar verwachting van de International CES het jaar van AVB voor het slimme huis, kantoor, auto en AV-industrie. Je kunt straks verwachten dat compatibele luidsprekers, mediaplayers en beeldschermen gewoon plug and play in het lokale AVB-Ethernet-netwerk zijn op te nemen.



Wat is AVB?
Audio Video Bridging (AVB) is op de keper beschouwd een paraplu voor nieuwe augmented IEEE-standaards plus netwerkprotocollen bij het gesynchroniseerd realtime verspreiden van audio- en videomedia over Ethernet. AVB rekent op het LAN en ook bij WiFi af met synchronisatieproblemen, frame loss (verlies van beeldjes), onbetrouwbare bezorging en kopzorgen over het netwerkmanagement bij de provider/broadcaster. Een veelbelovende (live) productiestandaard die snel zijn weg vindt in zowel de AV-industrie als consumer electronics.



In feite doet AVB drie belangrijke dingen:
- Het is een open standaard waar elke fabrikant op kan inspelen, Gebruikers kunnen gewoon plug and play apparatuur plaatsen zonder allerlei kopzorgen over de installatie.
- Uitbreiden van de netwerkcomponenten is niet duur en vrijwel altijd mogelijk.
- AVB brengt audio en video in de hoogste tijd realtime en op hetzelfde moment bij de geadresseerden (= de ontvangende apparaten) aan.
- De interne verkeersmanagers is heel efficiënt bij het voorrang geven, inplannen en verspreiden van de datapakketjes over Ethernet.
Inmiddels zijn er al meer dan 60 fabrikanten die IEEE 802.1 ondersteunen.



Pakketpost op tijd en het juiste adres
Als je het heel simpel bekijkt is AVB gewoon een kwestie van de ‘pakketpost’ op tijd afleveren. De AV-content is verpakt in datapakketjes die netjes volgens een vooraf ingestelde tijd nauwkeurig gesynchroniseerd bij de opgegeven outputs worden afgeleverd.
Van postbezorging is bekend dat affiniteit met de distributie van groot belang is. Bij een niet geïnteresseerde, slordige of zorgeloze bezorger komt de post verkeerd, te laat of helemaal niet aan. Het oude Ethernet zou het een ‘dataworst’ zijn wat er met de datapakketjes in de praktijk gebeurde. Dat moesten de verzender (talker), tussenliggende switches en ontvangers (listeners) zelf maar uitvinden. Een flinke kopzorg voor het beheersmanagement van het LAN!
De insteek van AVB is Quality of Service (QoS). Voor het eerst is Ethernet zich ook echt bewust van hetgeen er over het LAN gaat. AVB controleert volgens de gebruikte standaard zelf op de synchronisatie en latentie met een interne klok, waar de pakketjes terechtkomen. Het netwerk beschikt zelf over foutanalyse, debugging, error logging en veiligheidscontrole plus identificatie van de aangesloten devices. De operator hoeft alleen via een software-controller aan te geven welke device output is gekoppeld aan wiens input. Het netwerk doet de rest.

Talkers, listeners en hoppen
Een AVB-device met output naar het AVB-netwerk heet een talker. In feite gewoon een bron van audio en/of video naar het Ethernetnet-LAN of WiFi-link. Een talker identificeert zich als zodanig op het AVB-netwerk en is daarmee direct zichtbaar voor besturingssoftware en de ontvangers. Een AVB- device met input van het netwerk heet een listener. Deze luisteraar abonneert zich op één of meer talkers uit het AVB-netwerk.

Het genoemde Stream Reservation Protocol zorgt er voor dat de communicatie tussen de talkers en listeners op het AVB-netwerk tot stand komt. Dat gaat via een aangelegd datapad dat de volgende keer ook weer meteen beschikbaar is. Dat is een slimme benadering want in de tussentijd, als er geen ‘gesprekken’ plaatsvinden, is het netwerk beschikbaar voor andere taken. Dat spaart op bandbreedte.
Eveneens besparend op de bandbreedte is de mogelijkheid om datapakketten ter hoogte van de switchers te dupliceren. Als meerdere listeners op één talker zijn geabonneerd hoeft er maar een pakket verstuurd te worden. De switch die het meest dichtbij de luisteraar zit dupliceert het datapakket.



Elke keer dat een datapakket een link in het netwerk passeert heet een hop. Elke hop veroorzaakt een lichte vertraging. Dit is afhankelijk van de netwerkcapaciteit/bandbreedte. Hoe meer hops des te groter de kans op vertraging en het verlies van synchroniteit bij de presentatie van datapakketten. Het Timing and Synchronisation Protocol van een AVB-netwerk draagt er zorg voor dat alle luisteraars om hetzelfde moment de data gepresenteerd krijgen. Onder andere van cruciaal belang bij streaming broadcast-toepassingen.

Containerprincipe
Ook AVB gebruikt voor de te verzenden en weer te ontvangen AV-datapakketten het containerprincipe. Containers voor AV-content zijn al veel langer beproefd in gebruik. Bijvoorbeeld in het QuickTime (QT)-formaat waarin tal van video-, audio- en foto(grafische)-dataformaten passen.
Bij AVB kan de container volgens de IEEE 1722-norm gewoon standaard SMPTE-materiaal in alle ondersteunde resoluties en AES compatibele audiobestanden bevatten. De Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) definieert de videoformaten, tijdcode, signaaltype en hoe deze in data om te zetten. Hetzelfde geldt voor de audiofiles gedefinieerd door de Audio Engineering Society (AES). IEEE 1722/23 neemt de verpakking in datapackets op zich. AVB staat borg voor het vrijwel foutloos afleveren van de AV-pakketjes op de bestemming in de daartoe opgegeven tijd. Ook nog toekomstig te ontwikkelen SMPTE- en AES-formaten zullen naadloos in de containers passen.

Waarom AVB kiezen?

Er zijn diverse redenen om voor AVB 802.1 als standaard voor het distribueren van AV-media over Ethernet te kiezen. Als eerste echt Nederlands het besparen van kosten. De bekabeling is gewoon standaard Cat 5 en draadloos ongecompliceerde WiFi. Plug and play maakt de installatie simpel en weinig arbeidsintensief. Daar het AVB-netwerk na het instellen van het softwareprotocol zelf de distributie afhandelt en fijn afstemt (tuning) is weinig menselijke monitoring en controlling nodig. Het AVB-LAN is (op)schaalbaar en valt gemakkelijk uit te breiden qua omvang, capaciteit en bereik zonder hoge kosten. Voor het in bedrijf houden is geen hoge mate van expertise nodig. Migratie naar andere en toekomstige applicaties is niet moeilijk.



De verbetering op het gebied van distributiekwaliteit is reden twee. Genoemd is al de accurate en heel precieze synchronisatie van AV-signalen. Een andere kwaliteitsfactor is de zogenaamde ‘traffic shaping voor mediastreams’. AVB modificeert het dataverkeer optimaal naar de gestelde eisen voor aanbod en vraag. Dit zowel op het gebied van content, type signaal, drukte, het herkennen van geïmplementeerde hardware (switchers, devices voor talking en listening) wel of niet participerend, toegangscontrole en het automatisch bijsturen in geval van problemen. Zie verder ook Quality of Service.

Andere belangrijke specificaties betreffen:
- Je kunt zelf een arbitrair aantal klokdomeinen voor mediadistributie instellen. Bijvoorbeeld verschillende tijden voor nieuws, sport, films, shows, documentaires, musicevents etc.
- AVB ondersteunt een heterogeen netwerk voor media, besturing en legacy trafic. Ook voor niet-media en niet kritische tijdprotocollen zoals TCP-IP, http (web traffic), FTP en UDP.
- Er zijn voldoende uitbreidingsmogelijkheden voor isochrones data waaronder audio, video en telemetrie.
Dat worden steeds meer providers, broadcasters en organisatoren van multimedia-evenementen zich bewust. Daarnaast is AVB tevens geschikt voor het distribueren van ongecomprimeerde videobestanden over snelle breedband Ethernet-LANs.

De consumentenmotor
Het is niet alleen de industrie maar ook de consument die AVB als motor aanstuurt. Bij eerdere ontwikkelingen in de AV-industrie was het vaak een kwestie van professionele applicaties bedenken, deze verder voorkoken plus perfectioneren en daarna in de consumentenmarkt loslaten.
In het geval van AVB gaat het echter iets anders. Natuurlijk was er al vraag uit onder andere de evenementensector en professionele studio-omgeving voor het snel, betrouwbaar en hoogwaardig lokaal kunnen distribueren van AV-media. Het is echter de consument die steeds meer kwaliteit op het gebied van video en audio eist. Kijk maar eens naar de relatief snelle inburgering van 2K en nu ook 4K. Dat liefst overal in het slimme huis, op kantoor, in de auto en uiteraard in de homecinema.

Groei bij thuisnetwerken
Thuisnetwerken voor AV zijn tegenwoordig al meer regel dan uitzondering. En zowel de consument als provider zitten niet te wachten op allerlei lastig gedoe bij de installatie van High Definition en top of the line digitale audio. Het moet gewoon allemaal plug and play zijn en weinig onderhoud opleveren. En de honger naar raw bandbreedte is ongekend. Daar vallen AVB-compatibele devices met de neus in de boter.



Belangrijk voor de aanbieder en ontvanger zijn hierbij:
- Een reseveringsprotocol dat er voor zorgt dat alle applicaties/devices in het pad van de AV-stroom de ontvangst er van ook toestaan.
- Accurate synchronisatie zodat multiple apparaten gelijktijdig video en/of audio sync kunnen renderen volgens één standaardmethode.
- Voorkomen dat het ontvangen signaal degradeert. De geboden bandbreedte, latentie en het (mogelijk) verlies van data van de gereserveerde AVB-streams over de verschillende links dient binnen de gestelde kwaliteitscriteria te blijven.
Behalve de besproken toepassingen voor beeld en geluid verlopen uiteraard alle andere domotica en smart toepassingen over hetzelfde Ethernet-LAN. Van belang zijn hierbij de bestuurbare switches. Die besturen de juiste aflevering van de datapakketjes op het netwerk.
N.B.: Een switch is een netwerk-specifiek device dat datapakketten uitsluitend naar een bepaald adres of poort stuurt. Dit in tegenstelling tot een hub die gewoon alle datapakketten doorlaat. De switch ziet aan het adres van de afzender waar het datapakketje naar toe moet en welke prioriteit (QoS) het heeft.
Op de CES, NAB, ISE, Infocom en IBC ontluiken tal van toepassingen voor het smart AV-home, auto, (home)cinema en ook de gamemarkt. Verder zijn er perspectieven voor realistische augmented reality-toepassingen bij het vermaak, instructie, voorlichting en onderwijs.



Automotive
Menig automobilist wil zijn of haar voertuig dezelfde functionaliteit geven als de smartphone en het slimme huis, Multimedia, interactieve intelligente navigatie, veiligheidssystemen, Driver Assistance Systems (DAS), telefonie, energiemanagement en aanvullend dataverkeer staan daarbij voorop. Er bestaan al vehicle control networks met standaarden zoals CAN, LIN, MOST en FlexRay. Die hebben er echter te weinig capaciteit (snelheid en bandbreedte) voor. Ook de schaalbaarheid bij uitbreiding laat te wensen over.
De AVnu-alliantie ziet met AVB brood in automotive (auto-automatisering). Het grote voordeel is dat dan straks alle toepassingen over hetzelfde Ethernet-bus voor een mobiel LAN lopen. Daarmee bespaart de fabrikant flink op complexiteit en kosten. Op de International CES 2014 waren daar al een aantal staaltjes van te zien.
Sleutelgebieden voor AVB op de markt voor car automation zullen zijn:
- Infotainment - hoogwaardige video, audio en gaming in de auto;
- ECO driving - zuinig energiebeheer;
- Augmented Navigation tot gebruikers-sensitieve en 3D-applicaties aan toe;
- Assistentie voor de bestuurder en veiligheid.
De smart car over Ethernet wordt hiermee realiteit.



Nog veel horen
Van AVB zullen wij de komende jaren nog veel meer gaan horen. In 2014 komen de eerste grootschalige toepassingen al op de markt. En gezien de ondersteuning zal menig fabrikant van producten voor het slimme huis, kantoor en auto op deze Ethernet-trein springen.



Te verwachten AVB-producten
Inmiddels al leverbaar of op korte termijn te verwachten AVB-producten zijn:
- Programmeerbare luidsprekers;
- Mixers voor video- en audio;
- Auto-industrie DAS, ECO Driving, beeldschermen, on board speakers, navigatie. Zie onder andere Symphony Teleca;
- Telecommunicatie, telefonie, internet;
- Smart-tv, netwerk-filmkanalen, videonetwerken met mediaplayers thuis;
- Multiroom audio, (geluid door het gehele huis);
- Conferentiesystemen, draadloze microfoons en headsets;
- Integratie met domotica, binnenmilieu, verlichting, veiligheid, bewegings/videomelding;
- Keukenautomatisering.