Audio networking - Quarta Parte

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di Michele Viola

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figura 1_ La pubblicazione dello stream dal talker al listener.

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figura 2_ La registrazione allo stream dal listener al talker.

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figura 3_ Dispositivi AVB e non-AVB in rete.

Audio Video Bridging (AVB)

AVB è un acronimo per “Audio/Video Bridging”: si tratta di un gruppo di protocolli, standardizzati da IEEE, dedicati proprio al trasporto dei dati audio/video a bassa latenza su reti di dimensione locale (LAN, Local Area Network) o, al limite, mediamente estesa (MAN, Metropolitan Area Network). 

In pratica, il gruppo di specifiche standard AVB definisce le caratteristiche dei dispositivi e alcuni dettagli dei meccanismi di comunicazione che consentono di comporre reti capaci di trasportare efficacemente flussi di dati audio/video, in cui il posizionamento temporale delle informazioni riveste un ruolo fondamentale. La commissione che si è occupata della redazione dello standard AVB, in effetti, già da qualche tempo ha cambiato nome e ora si chiama TSN, acronimo per Time-Sensitive Networking

La disponibilità di specifiche standard, tra l’altro, soprattutto se queste provengono da un ente autorevole e riconosciuto, permette di produrre dispositivi di rete compatibili AVB, capaci di rendere automatiche le impostazioni fondamentali e quindi di semplificare la composizione di reti di trasporto dati dedicate a flussi e servizi audio/video anche da parte di personale non necessariamente esperto nelle problematiche di rete. La scelta dei parametri di configurazione dei dispositivi che costituiscono le reti AVB deve essere, infatti, il più possibile automatica e trasparente, in modo da evitare la necessità di agire su numerose e complesse impostazioni da parte di chi si occupa della configurazione della rete.

Il gruppo di protocolli oggetto dello standard AVB interessa il livello 2 della pila ISO/OSI – ed in particolare il sottolivello di accesso al mezzo (MAC) – ed è di fatto implementato come estensione rispetto al protocollo di comunicazione standard, ovvero in modo di rispettare il formato di base del frame IEEE 802. Questo significa che è comunque possibile senza alcuna limitazione lo scambio di dati tra dispositivi AVB e non-AVB, anche se, ovviamente, solo i dispositivi AVB-compliant saranno in grado di riconoscere e gestire correttamente in tutti gli aspetti il traffico AVB, riservando automaticamente la quantità di risorse necessarie allo streaming e utilizzando i meccanismi di negoziazione previsti dallo standard.

Anche senza la specifica compatibilità con lo standard AVB, gli switch più evoluti sono comunque in grado di supportare l’impegno di risorse necessario per il trasporto di stream time-sensitive. In particolare, una funzionalità critica riguardante la gestione dei flussi di dati è rappresentata dal parametro QoS, acronimo per Quality of Service, a cui abbiamo già accennato brevemente in una delle puntate precedenti di questa serie di scritti. Si tratta, in pratica, di utilizzare tre bit user priority, disponibili nell’intestazione standard dei frame a livello 2, tramite i quali è possibile assegnare a ciascun frame uno tra un massimo di otto livelli di priorità e, di conseguenza, una precedenza nell’inoltro in caso di coda. Lo standard AVB semplifica decisamente la gestione del traffico, in presenza di dati time-sensitive, prevedendo l’assegnazione automatica di banda e priorità allo stream di dati audio/video rispetto, ad esempio, ai dati di controllo che hanno esigenze di temporizzazione meno stringenti.

Rispetto alla regolazione manuale delle impostazioni QoS su ciascuna interfaccia, compresa l’identificazione del traffico da considerare prioritario, l’approccio completamente automatico dei sistemi compatibili AVB permette di minimizzare errori e imprecisioni e di risolvere spesso al volo situazioni eventualmente complesse, anche non statiche. La chiave si chiama plug and play: per espandere un sistema AVB può (e deve) essere sufficiente connettere il dispositivo o i dispositivi da aggiungere, ad esempio un ulteriore switch ad una porta libera di uno switch già in rete; tutta la rete dovrebbe riconfigurarsi automaticamente, senza necessità di re-impostare manualmente alcunché e conservando, per quanto possibile, le prestazioni dei collegamenti esistenti.

Lo scopo dello standard AVB è, in definitiva, quello di semplificare la costruzione di reti adatte al trasporto di flussi digitali audio/video di livello professionale. In particolare deve essere assicurata la sincronizzazione corretta dei vari segnali, oltre a bassa latenza, affidabilità e trasparenza.

I protocolli descritti dallo standard riguardano quindi, in particolare, quattro aspetti del controllo di traffico:

Temporizzazione e sincronizzazione (802.1AS);

Gestione del traffico (priorità di inoltro dei frame e gestione delle code, 802.1Qav);

L’impegno di risorse di rete (802.1Qat);

L’identificazione dei dispositivi e dei servizi AVB in rete  (802.1BA).

La sincronizzazione

Le esigenze di posizionamento temporale dei dati digitali non comportano solamente la gestione della ‘velocità’ del collegamento, ma più specificatamente la gestione della precisione del posizionamento; si pensi, ad esempio, al problema della sincronizzazione del parlato con il movimento delle labbra in uno stream audio/video.

Il protocollo con cui viene gestita la sincronizzazione dei flussi e dei dispositivi AVB si chiama gPTP (generalized Precision Time Protocol). Uno dei dispositivi AVB all’interno del dominio viene scelto, automaticamente (tramite un algoritmo determinato dallo standard) o manualmente, per svolgere la funzione di gPTP master clock, diventando un riferimento temporale per tutti gli altri dispositivi. I nodi gPTP si scambiano poi periodicamente messaggi di sincronizzazione, con il risultato che tutti i dispositivi risulteranno sincronizzati con il master. In questo modo la temporizzazione relativa tra diversi stream, ad esempio, potrà essere assegnata alla sorgente e riprodotta alla destinazione utilizzando una base dei tempi comune. 

La precisione richiesta per la sincronizzazione dipende dalla specifica applicazione. Se per una buona resa del sincronismo tra il movimento delle labbra e il parlato può bastare una precisione di pochi millisecondi, per assicurare la coerenza di fase di un array di altoparlanti, compreso steering digitale e diavolerie del genere, è necessario mantenere l’incertezza nel posizionamento temporale intorno a valori non superiori a 1 µs. In ogni caso il ritardo dovrebbe essere basso e determinato. Lo standard richiede una precisione nella sincronizzazione non peggiore di ±0,5 µs, oltre ad una latenza complessiva tra sorgente e destinazione non superiore a 2 ms.

La gestione del traffico

La gestione del traffico è implementata tramite l’utilizzo del meccanismo di priorità già definito nel protocollo 802.1Q, parte dello standard per i dispositivi generici (non necessariamente AVB-compliant), ovvero attraverso i tre bit di assegnazione della user priority per otto livelli di priorità possibili. Lo standard 802.1Q, però, resta generico rispetto al comportamento specifico nella gestione di tali livelli di priorità, mentre lo standard AVB definisce una relazione specifica tra il livello di priorità e il meccanismo di gestione delle code in ciascuna interfaccia. Lo scopo non è solamente quello di inoltrare velocemente i frame audio/video ma, più specificatamente, ciascuno stream deve viaggiare dalla sorgente alla destinazione in maniera sufficientemente regolare, in modo da evitare eventuali burst di pacchetti che potrebbero sovraccaricare qualche buffer, soprattutto in caso di sovrapposizione con frammenti di priorità inferiore. Il protocollo deve coinvolgere necessariamente le sorgenti e le interfacce, ed è coordinato con il protocollo che regola l’impegno di risorse di rete per gli stream riconosciuti, descritto in seguito.

La prenotazione delle risorse di rete

I dispositivi AVB in rete si dividono sostanzialmente in tre categorie: Talker (sorgenti di segnale), Listener (destinatari del traffico) e Bridge (switch e interfacce).

Il protocollo dedicato all’inizializzazione degli stream AVB si chiama Stream Reservation Protocol (SRP). Ciascuna sorgente AV, all’atto della connessione in rete, invia a tutte le macchine un messaggio contenente un elenco di tutti gli stream disponibili, ciascuno con un identificativo univoco (figura 1). Il messaggio racchiude alcune caratteristiche per ciascuno stream quali, tra l’altro, la banda da impegnare (bit rate) e la priorità richiesta. Gli switch di rete inoltrano il messaggio della sorgente a tutte le interfacce compatibili AVB che hanno ancora abbastanza banda disponibile e ciascuna destinazione risponde con un messaggio in cui rende pubblico quali stream è intenzionata a ricevere (figura 2). Gli switch, inoltrando i messaggi dei dispositivi destinatari all’indietro fino alla sorgente, contemporaneamente riservano la banda lungo il percorso per trasportare gli stream richiesti. Si forma così un dominio multicast per ciascuno stream, in cui le interfacce coinvolte dispongono di banda sufficiente (e riservata) per la trasmissione. Le risorse impegnate vengono poi automaticamente rilasciate al momento della dismissione dello stream, che può avvenire esplicitamente o implicitamente. I dispositivi coinvolti nella trasmissione, infatti, si scambiano periodicamente dei messaggi di servizio, volti a confermare la presenza in rete di talker e listener ai capi di ciascuno stream: se i messaggi periodici smettono di arrivare, le risorse impegnate per il corrispondente stream vengono rilasciate.

Tutto questo senza alcun intervento dell’utente, a parte l’eventuale selezione degli stream da ricevere per ciascuna interfaccia di uscita.

L’identificazione dei dispositivi

Il meccanismo di trasmissione prevede la partecipazione di tutti i dispositivi interposti tra sorgente e destinazione, per cui occorre individuare i percorsi in cui sono presenti dispositivi non-AVB, per evitare di impegnare inutilmente porzioni di rete non interessate al traffico A/V. Ciascuna interfaccia AVB, all’atto della connessione, determina se l’altro capo del collegamento è compatibile AVB in base ad alcune informazioni ricavate dallo scambio dei primi frame (tecnicamente si chiama handshake): il collegamento, in particolare, deve supportare almeno 100 Mbps full duplex, inoltre l’interfaccia deve rispondere correttamente alle richieste di sincronizzazione gPTP, con un ritardo inferiore ad un limite determinato.

AVnu

AVnu è un consorzio di aziende volto a promuovere l’utilizzo di metodi standard per la trasmissione dei segnali audio-video in rete e, in particolare, AVB. AVnu è anche responsabile, tra l’altro, della certificazione dei dispositivi AVB-compliant. Tra i membri del consorzio possiamo citare, ad esempio, Cisco, Harman, Intel e Xilinx tra i fondatori, e molte altre aziende operanti nei settori audio/video, elettronica, automotive e altri. Nel momento in cui stiamo scrivendo, tra i membri (promoters o adopter) del consorzio AVnu ci sono aziende come (elenco non esaustivo, in ordine alfabetico): Analog Devices, AVID, Belden, beyerdynamic, biamp, BMW, Bosch, d&b audiotechnik, Dolby, Gibson, LAcoustics, LG, Luminex, Meyer Sound, Mitsubishi Electric, National Instruments, Netgear, Renault, Riedel, Sennheiser, Texas Instruments e Yamaha

 

Le immagini sono tratte dal documento “No-excuses Audio/Video Networking: the Technology Behind AVnu”, pubblicato da AVnu nell’agosto del 2009 e disponibile in rete all’indirizzo: http://avnu.org/wp-content/uploads/2014/05/No-excuses-Audio-Video-Networking-v2.pdf

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