La Fondation Réseau Transport de l'AES67

AES67 ne réinvente pas le réseau. Il fonctionne comme un profil qui sélectionne des technologies spécifiques et éprouvées dans la suite standard du protocole Internet. La pile de protocole est conçue pour prioriser la faible latence et la livraison en temps réel sur les mécanismes de fiabilité qui introduisent le retard.

Pourquoi RTP/UDP/IP?

L'AES67 prévoit l'utilisation de la Protocole de transport en temps réel (RTP) sur Protocole de datagramme utilisateur (UDP) sur Protocole Internet (IP) Bien que TCP offre une livraison garantie par retransmission, ces retransmissions introduisent une latence variable et un jeu de mots inacceptables pour l'audio en direct. RTP fournit les informations nécessaires pour le séquençage et le timing pour les flux en temps réel, tandis qu'UDP fournit une couche de transport rapide et sans connexion. AES67 utilise spécifiquement IP multicast, permettant une seule source audio pour être distribuée à plusieurs récepteurs sans reproduire les données sur le fil, ce qui en fait une très efficace pour la distribution point à multipoint.

Anatomie d'un paquet AES67

Un paquet AES67 consiste en une séquence d'en-têtes enveloppant une charge utile d'échantillons audio. Comprendre la fonction de chaque champ d'en-tête est essentiel pour résoudre les problèmes de perte de paquets, problèmes de latence et erreurs de synchronisation. La taille totale du paquet est limitée par l'unité de transmission maximale Ethernet (UTM), généralement 1500 octets, qui limite le nombre de canaux audio ou d'échantillons par paquet.

Cadre Ethernet (Lieu 2)

Le trajet commence à la couche physique. L'en-tête Ethernet inclut la source et la destination Adresses MAC. Dans un flux multicast, l'adresse MAC de destination est une adresse multicast dérivée du groupe multicast IP, généralement dans la gamme de À 1 h 5E : pour IPv4. Les commutateurs utilisent cette adresse pour faire avancer le trafic efficacement. L'en-tête contient également une option 802.1Q Étiquette VLAN, qui est fortement recommandé pour séparer le trafic audio d'autres données réseau et pour transporter des bits de code prioritaire (CPP) pour la qualité du service (QoS).

Le champ EtherType (0x0800 pour IPv4 ou 0x86DD pour IPv6) identifie le protocole de couche réseau.

En-tête IP (Laire 3)

L'en-tête IP gère l'adressage logique et le routage. AES67 utilise généralement des adresses multicast IPv4 dans le 230,0.0.0 à 239,255.255,255 (d'une portée administrative). Point de code de services différencié (CPSD) Le champ est peut-être l'octet le plus critique de l'en-tête IP pour la qualité audio. EF - Transition accéléréeou AF41) pour garantir que les paquets audio reçoivent un traitement prioritaire sur les commutateurs et les routeurs. Sans marquage DSCP approprié, les paquets audio peuvent être supprimés pendant la congestion du réseau.

En-tête UDP (Lieu 4)

L'en-tête UDP est minimal mais essentiel. Il fournit les numéros de port source et destination. Le port de destination est utilisé par le récepteur pour démultiplexer le flux entrant vers l'application correcte. Le checksum 16 bits fournit la détection d'erreur de base pour le datagramme UDP et sa charge utile.

En-tête RTP

L'en-tête RTP est le cœur du paquet AES67, fournissant les mécanismes pour commander, le timing et l'identification de la charge utile. L'en-tête fixe est de 12 octets de long.

  • Version (V), Padding (P), Extension (X): Drapeaux standard. AES67 n'utilise généralement pas l'extension d'en-tête.
  • Compte du CSRC (CC) : Indique le nombre de sources de contribution. Habituellement zéro dans un flux standard AES67.
  • Marqueur (M): Utilisé pour signaler les limites, comme le début d'une discussion ou d'une bordure d'images vidéo dans ST 2110-30.
  • Type de charge utile (PT): Indique le format d'encodage audio. Pour AES67, les valeurs communes incluent L16 (PCM linéaire 16 bits) ou L24 (PCM linéaire 24 bits), souvent en utilisant des numéros de type de charge utile dynamique (p. ex. 96 ou 97) négociés par l'intermédiaire du SDP.
  • Numéro de séquence: Incréments par un pour chaque paquet RTP envoyé. C'est l'outil principal pour détecter la perte de paquets, le mauvais ordre, et pour gérer le tampon de jitter à la fin de la réception. Un enroulement du numéro de séquence est géré par la logique de tampon de jitter.
  • - C'est un hémorragique. Reflète l'instant d'échantillonnage du premier échantillon dans le paquet. Ce horodatage est dérivé directement de la PTP horloge. Un flux de 48kHz incrémentera ce horodatage de 48 tiques par milliseconde ou 48 tiques par période d'échantillonnage. Le récepteur utilise ceci pour reconstruire le domaine audio d'origine chronométrage et horloge.
  • Source de synchronisation (SRSC) : Un identifiant unique 32 bits pour la source du flux. Ceci est utilisé pour distinguer plusieurs flux de la même source.

Charge utile audio

La charge utile contient les échantillons audio bruts ou encodés. AES67 mandate le support pour PCM linéaire à 48 kHz avec une profondeur de 16, 20 ou 24 bits. La charge utile peut également porter le format AM824 (Audio sur USB). Le nombre d'échantillons par paquet est déterminé par le temps du paquet (ptime). Les valeurs communes comprennent 1ms (48 échantillons), 125 microsecondes (6 échantillons) ou 4ms (192 échantillons). Un temps de paquet de 1ms offre une latence inférieure mais augmente les frais généraux du réseau (plus de paquets par seconde).

La taille de la charge utile doit être soigneusement calculée pour s'adapter au réseau MTU pour éviter la fragmentation, qui est strictement interdite dans les réseaux AoIP en raison de la latence et de la complexité qu'il introduit.

Délai de précision avec PTPv2 (IEEE 1588)

La synchronisation est l'aspect le plus difficile de l'AoIP. AES67 mandate l'utilisation de la IEEE 1588-2008 Protocole sur le temps de précision (PTPv2) pour distribuer une horloge commune à tous les appareils du réseau. Cela garantit que l'horloge de l'émetteur et l'horloge de l'échantillon du récepteur sont parfaitement synchronisées, empêchant les sous-exécutions ou les dépassements de tampons qui provoquent des clics et des pops audibles.

La meilleure horloge maître Algorithme

Chaque appareil compatible PTP sur le réseau exécute le meilleur Algorithme de l'horloge Master (BMCA). Le BMCA analyse les attributs de qualité de l'horloge – comme la classe d'horloge, la précision de l'horloge et la priorité – pour choisir un seul Horloge Grand Maître (GM). Tous les autres appareils se synchronisent avec le GM. Dans un système correctement conçu, le GM est souvent un appareil dédié et très stable (p. ex., un générateur d'horloge principale verrouillé par GPS). Le BMCA fournit également une panne automatique; si le GM échoue, un nouveau GM est élu parmi les autres appareils.

Échange de messages PTP

PTPv2 définit une séquence de message spécifique pour corriger la dérive de l'horloge. Synchronisation message. Il suit immédiatement ceci avec un Suivi message contenant l'heure précise que Sync a été envoyé. Retarder requ le message et enregistre l'heure d'envoi. Le GM répond avec un Retarder Resp En calculant le temps aller-retour, l'esclave peut calculer son décalage à partir du GM et ajuster son horloge locale.

Ce processus se répète constamment, en maintenant la précision sous-microseconde sur tout le réseau.

Découverte de session avec SAP et SDP

Comment un récepteur trouve-t-il un flux AES67 disponible? Protocole d'annonce de session (PAS) AES67 transmet des émetteurs multicasts périodiquement une annonce SAP à une adresse SAP bien connue. Description de la séance Protocole (SDP) charge utile.

Le fichier SDP est la recette du flux. Il contient toutes les métadonnées dont un récepteur a besoin pour connecter, synchroniser et décoder l'audio.

  • Description des médias : définit le type de support, le port et le transport (RTP/AVP).
  • Données de connexion : spécifie l'adresse IP du groupe multicast.
  • Attributs:
    • - Oui. Temps de conditionnement en millisecondes (p. ex. 1,0).
    • rtpmap: Tracer le type de charge utile vers un encodage (p. ex. signifie 2 canaux de PCM 24 bits à 48kHz).
    • Horloge médiatique : ou une référence spécifique de l'horodatage PTP.
    • Délai de lecture : relie l'horloge de flux au grand maître PTP.
    • Commande de canal: Bien que SMPTE ST 2110-30 spécifie la commande de canal pour AES67, de nombreux flux dépendent d'une carte de canal mutuellement acceptée.

Mécanique du flux de données

Le flux de données audio de source à évier est un processus continu, étroitement orchestré. Comprendre les opérations de l'émetteur et du récepteur est la clé pour diagnostiquer le réseau ou les artefacts audio.

Opérations des émetteurs

L'interface audio numérise les échantillons audio analogiques à un rythme constant (p. ex. 48kHz). Le pilote de l'émetteur lit ces échantillons du matériel et les place dans un tampon. À chaque intervalle de paquets (p. ex. tous les 1ms), le pilote encapsule un bloc d'échantillons dans un paquet RTP. Le numéro de séquence est incrémenté et l'horodatage est réglé au nombre d'échantillons alignés PTP. Le paquet est alors enveloppé dans des en-têtes UDP et IP, marqués avec la valeur DSCP correcte, et envoyé à l'adresse MAC multicast configurée. Les émetteurs doivent maintenir une horloge d'échantillonnage stable et verrouillée PTP pour assurer un timing cohérent du paquet.

Opérations du receveur et gestion des jitters

L'appareil récepteur écoute les annonces SAP. L'utilisateur sélectionne un flux et le récepteur s'abonne au groupe multicast en utilisant IGMP (Protocole de gestion du groupe Internet). Une fois souscrits, les paquets commencent à arriver. Cependant, les commutateurs réseau introduisent des retards variables (jitter). tampon de jitter. Ce tampon lisse les variations de retard réseau.

  • Taille du tampon Jitter: Le tampon doit être assez grand pour absorber le plus mauvais réseau sans écoulement, mais assez petit pour limiter la latence. Les tampons typiques de jitter dans les appareils AES67 vont de 1ms à 20ms.
  • Numéro de séquence Vérification : Le récepteur surveille les numéros de séquence pour détecter les lacunes, en indiquant les paquets perdus. Il peut également utiliser ceci pour réorganiser les paquets hors-commande.
  • Récupération de l'horloge (PLL): Le récepteur utilise les horodatages RTP dérivés de l'horloge PTP pour conduire une boucle de verrouillage de phase (PLL). Cette LLP reconstitue l'horloge de l'émetteur, en veillant à ce que son DAC interne (Digital-to-Analog Converter) fonctionne en parfaite synchronisation avec la source.

Manipulation de latence et de perte

La latence dans un réseau AES67 est la somme de plusieurs facteurs : délai d'échantillonnage, délai de paquetage (ptime), délai de transit réseau (uplinks, file d'attente), délai de tampon de jitter et délai de traitement. Un 1ms ptime avec une latence totale de 5ms est réalisable dans un réseau bien réglé. Bien qu'AES67 ne demande pas de correction d'erreur avancée spécifique (FEC), il supporte RTP Redundancy (RFC 2198), plus généralement, les systèmes à haute disponibilité utilisent une topologie réseau redondante (deux réseaux redondants) où l'émetteur envoie deux flux identiques (Stream A et Stream B) sur des chemins de réseau séparés, en s' alignant avec le commutateur de protection sans soudure SMPTE ST 2022-7.

Exigences en matière d'infrastructure réseau

AES67 impose de fortes exigences sur le matériel réseau. Les commutateurs standard de qualité bureautique sont souvent inappropriés pour les AoIP à taux élevé.

  • IGMP Snooping: Les commutateurs doivent écouter les messages IGMP pour transmettre le trafic multicast uniquement aux ports qui l'ont explicitement demandé. Sans IGMP Snooping, les inondations de trafic multicast vers tous les ports, gaspillant la bande passante.
  • Changement de logiciel PTP : Pour une précision de sous-microsecondes sur de grands réseaux, les commutateurs doivent prendre en charge la fonctionnalité PTP Boundary Clock (BC) ou Transparent Clock (TC).
  • Qualité du service (QoS): Les messages d'événements PTP devraient recevoir la priorité la plus élevée (CS7), suivis du trafic audio (EF ou AF41), puis des données de meilleur effort.
  • Planification de la largeur de bande : Les ingénieurs doivent calculer la bande passante totale du flux. Un seul flux de 24 bits, 48 kHz, 8 canaux consomme environ 9,2 Mbps. Un traitement réseau 64 de ces flux nécessite près de 600 Mbps de bande passante audio dédiée. Une planification adéquate empêche la surabonnement des liaisons ascendantes.

Interopérabilité dans la pratique

Le but principal de l'AES67 est de faire fonctionner ensemble les différents équipements des fabricants. Ceci est généralement activé dans les appareils par un mode AES67. Par exemple, les appareils Dante peuvent être configurés pour produire ou accepter des flux AES67, bien que souvent avec une restriction sur le nombre de canaux ou le temps de paquet par rapport aux flux Dante natifs.

Les problèmes d'interopérabilité courants découlent souvent de configurations mal appariées. Un émetteur qui envoie des paquets 1ms peut ne pas être compatible avec un récepteur qui ne prend en charge que les paquets 4ms. L'alignement du domaine de l'horloge est un autre défi fréquent; tous les appareils doivent être verrouillés au même grand maître PTP. Les ingénieurs en réseau doivent prêter une attention particulière aux paramètres SDP annoncés par chaque appareil et s'assurer que l'infrastructure réseau (profils PTP, valeurs DSCP et configuration VLAN) est cohérente dans tout le système. Spécifications IETF sur PTPv2 et les Norme IEEE 1588-2008.

Des guides de configuration pratiques sont disponibles à partir de Ressources de l'Audinate AES67- Oui.

Conclusion

En détachant la structure des paquets, depuis le cadre Ethernet et l'en-tête RTP jusqu'à l'horodatage PTP et la charge utile audio, nous pouvons voir comment chaque couche contribue à la transmission robuste et à faible latence de l'audio professionnel. La mécanique du flux de données, entraînée par un timing précis et une gestion prudente des tampons, assure que l'audio est livré de façon fiable dans les topologies complexes du réseau. Pour les professionnels de l'audio, il est essentiel de dépasser la compréhension de ces technologies par la boîte noire.