Blick unter die Haube – Der Ethernet AVB-Netzwerk-Backbone der VENUE | S6L

Von in Live Sound

VENUE | S6L ist ein modulares, skalierbares Live-Sound-System, das den jeweiligen Anforderungen entsprechend frei konfiguriert werden kann. Die zentrale Technologie, die diese Modularität ermöglicht, ist Ethernet AVB (bekannt auch unter der Bezeichnung AVB/TSN) – die Netzwerkarchitektur, über die die diversen Systemkomponenten miteinander verbunden sind. In diesem Blogpost werden wir uns Ethernet AVB näher ansehen, und Sie werden erfahren, warum Avid genau diese Technologie für den Netzwerk-Backbone des S6L-Systems ausgewählt hat. Außerdem wird es um einige einzigartige Innovationen gehen, die entscheidend zur hervorragenden System-Performance beitragen.

Was ist Ethernet AVB? Audio Video Bridging (AVB) ist die Bezeichnung für eine Reihe technischer Standards, herausgegeben vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), des weltweit größten Verbandes professioneller Elektrotechnik- und Elektronik-Ingenieure, der zugleich eine der führenden normengebenden Organisationen ist. Zu den bekanntesten Netzwerknormen des Instituts zählen der Ethernet-Standard IEEE 802.3 und der Drahtlos-Netzwerk-Standard IEEE 802.11.

Die Arbeitsgruppe „Audio Video Bridging“ des IEEE 802.1-Normenausschusses ist für die Spezifikationen verantwortlich, die zeitsynchronisierte Streaming-Dienste mit geringer Latenz über IEEE 802-Netzwerke ermöglichen. Darüber hinaus hat die Gruppe diverse Erweiterungen für eine zuverlässige, synchronisierte Audio/Video-Übertragung mit geringer Latenz und ohne komplexe Netzwerkanforderungen herausgegeben.

Natürlich ist die Entwicklung von Ethernet AVB noch lange nicht abgeschlossen. So verabschiedete das IEEE unter der Bezeichnung „Time Sensitive Networking (TSN)“ erst kürzlich einige auf den AVB-Spezifikationen aufbauende Erweiterungen für zusätzliche Einsatzbereiche, Funktionen und Anwendungen des AVB-Standards. Hierzu zählen unter anderem nahtlose Redundanz und Priorisierung von Datenströmen mit besonders geringer Latenz für systemkritische Funktionen.

Dies alles begleitet die AVnu Alliance, deren Mitglied auch Avid ist, indem sie spezifiziert, was von den AVB/TSN-Standards für neue, marktübergreifende Anwendungen benötigt wird, damit sich die Entwicklung von Ethernet AVB-Produkten für Ingenieure und Hersteller möglichst unkompliziert gestaltet. Um Interoperabilität zwischen den verschiedenen AVB-Geräten zu gewährleisten, formuliert die AVnu Alliance Gerätezertifizierungen für die Automobilbranche sowie für Audio- und Videoprodukte für den Consumer- und den professionellen Markt und ist aktiv an der Förderung und Verbreitung von Ethernet AVB in den verschiedenen Märkten beteiligt.

Das Stage 64 I/O-Rack bietet sowohl etherCON- (Kupfer) als auch SFP- (Glasfaser)-Anschlüsse, mit Unterstützung für Multimode- und Singlemode-SFP-Transceiver

Vorteile von Ethernet AVB für Audio- und Videoprodukte:

  • Präzises Timing zur Unterstützung von Media-Clocks mit geringem Jitter und die akkurate Synchronisation multipler A/V-Streams
  • Zuverlässige Übertragung zeitkritischer Datenpakete durch Latenzbegrenzung
  • Maximale Zuverlässigkeit – einschließlich redundanter Master-Clock und redundanter Datenströme
  • Branchenweit bewährte Praktiken für sicheren Zugang und sichere Transaktionen
  • Keine oder geringe Anforderungen an die Netzwerkkonfiguration – hoch zuverlässige A/V-Netzwerke für alle nur denkbaren Einsatzbereiche
  • Hohe Marktattraktivität und Akzeptanz durch führende Unternehmen der Branche

 Im Folgenden sollen einige Vorteile näher betrachtet werden …

Rückseite der S6L-24D-Konsole – Ethernet-AVB-Schnittstellen im mittleren Bereich

Latenzbegrenzung und Bandbreitenreservierung für zuverlässige Verbindungen

Beim bisherigen Ethernet lässt sich der Datenverkehrsfluss nicht genau bestimmen, und die Übertragung anderer Daten kann das Streaming verzögern. Aufgrund dieser Unwägbarkeiten werden die Puffer-Zeiten von Empfängern in älteren Systemen in der Regel sehr hoch eingestellt, um einen Puffer-Unterlauf zu verhindern. Eines der wichtigsten Features eines Ethernet-AVB-Netzwerks ist, dass reservierte Datenströme mit geringer, begrenzter Latenz durchgeleitet werden, so dass nicht allein das Eintreffen zeitkritischer Streams gewährleistet ist, sondern auch das rechtzeitige Eintreffen.

Aus diesem Grund formulierte das IEEE das sogenannte Stream Reservation Protocol (SRP) als Teil der AVB-Spezifikation, da die einfachen Übertragungsverfahren bestehender Reservierungsprotokolle nicht für die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen, wie professioneller A/V-Anwendungen, ausreichten. Um eine Überlastung des Netzwerks und daraus resultierende Paketverluste und Verzögerungen zu verhindern, wird via SRP ein Netzwerkpfad mit der benötigten Bandbreite konfiguriert, mit automatischer Einrichtung der zugehörigen Hardware-Queues (Warteschlangen), Paketweiterleitung und VLAN-Konfiguration.

Durch Steuerung der Queues und des Datenflusses – im Prinzip nichts anderes als die Abstimmung der Übertragungszeiten zur Verhinderung eines „Frame-Staus“ – kann ein Ethernet-AVB-System Daten mit geringstmöglichen Latenzen auch bei hohem Datendurchsatz verlustlos übertragen. Deshalb erfordern AVB-Endstations (z.B. Live-Mischkonsolen) keine großen Puffer, um Überlastungsproblemen und damit einhergehenden Paketverlusten und Übertragungsverzögerungen zu begegnen.

Die Netzwerkarchitektur erlaubt die Einbindung mehrerer Stage 64 I/O-Racks – für eine größere Flexibilität dank verschiedener, optionaler Input- und Output-Karten

Absolutes Timing gewährleistet Synchronisation aller angeschlossenen Geräte

Ein großer Vorteil von Ethernet AVB ist die Synchronisation vernetzter Geräte, realisiert über gPTP („generalized Precision Time Protocol“). Der gPTP-Standard (IEEE 802.1AS) wurde von der AVB-Arbeitsgruppe entwickelt und zeichnet sich durch eine gemeinsame Zeitreferenz aus, wie sie für professionelle Audio- und Video-Taktung und zeitkritische Streams wie industrielle Roboter-Steuerungen erforderlich ist (+/- 500 ns bei allen gPTP-Knoten).

Eine derartige Synchronisierung ist die Grundlage für gPTP-basierte Protokolle (wie AVTP), über die letztlich die Media-Clocks der „Talker“ (Sender) und „Listener“ (Empfänger) synchronisiert werden – in kompromisslos professioneller Qualität. Und weil die Timing-Informationen an alle Knoten (Endpoints und Switches) verteilt werden, ist das Clocking in Ethernet-AVB-Systemen sehr belastbar, inklusive Funktionen für den automatischen Wechsel auf eine zweite Master-Clock, falls der erste Taktgeber einmal ausfällt.

VENUE | S3L: Avids erstes Live-System mit Ethernet-AVB-Architektur

Ethernet-AVB für VENUE | S6L

In der ersten Entwicklungsphase betrachtete unsere S6L-Produktgruppe alle verfügbaren – offenen und proprietären – Verbindungsprotokolle, um zu ermitteln, welche am besten zu den Ansprüchen des Unternehmens an einen umfassenden, übergeordneten Netzwerk-Backbone für alle Avid-Produkte, auch zukünftige, passen würde. Nach Bewertung der Vor- und Nachteile der einzelnen Konzepte entschied sich das Team für Ethernet AVB. Dies war aus folgenden Gründen die ideale Lösung:

  • Ausreichend Kapazitäten selbst für die anspruchsvollsten Audio- und Videolösungen
  • Geringe Latenz – entscheidend für professionelle A/V-Einsätze
  • Playout vollständig deterministisch
  • Basiert auf offenen (nicht-proprietären) Industrienormen
  • Frei implementierbar, für jedes Produkt geeignet

Darüber hinaus ermöglicht es Ethernet AVB, Produkte rund um ein einziges, unternehmensweites Netzwerk-Ökosystem zu entwickeln – von Highend-Lösungen für den professionellen Einsatz, wie S6L, über die unterschiedlichsten Audio- und Video-Produktlinien bis hin zu unseren Einsteigerprodukten. Außerdem wird Ethernet AVB von jedem aktuellen Mac nativ unterstützt, so dass unsere Kunden über eine kostenlose Recording-Lösung verfügen, die keiner zusätzlichen Hardware oder Lizenzen bedarf.

VENUE | S6L bietet 64 Pro Tools-Tracks (Aufzeichnung und Wiedergabe) via Ethernet AVB

Die Tatsache, dass Ethernet AVB auf nicht-proprietären Industrienormen basiert, bietet zudem eine hohe Zukunftssicherheit, unabhängig von der finanziellen Situation eines Unternehmens oder Fertigungs- und anderen Problemen. Bei Betrachtung all der unterschiedlichen Protokolle, die wir in der Audiobranche bereits kommen und gehen sehen haben, wird klar, dass langfristig nur offene Standards wie MIDI, MADI und AES/EBU Bestand hatten.

Das soll nicht heißen, dass alle proprietären Protokolle zum Scheitern verurteilt sind, doch die Vergangenheit hat gezeigt, dass schon viele Protokolle auf der Strecke geblieben sind. Betrachtet man vor diesem Hintergrund nun Ethernet AVB, das auch in Branchen außerhalb der Pro-Audio-Welt – einschließlich der Automobilindustrie und anderer industrieller Einsatzbereiche – eine hohe Akzeptanz findet. Dies beweist auch der Zuspruch seitens großer Unternehmen wie Cisco, Intel, BMW, GE, General Motors und anderer, die zahlreiche Produkte rund um den AVB-Standard entwickeln, und es zeigt, wie viel Impulskraft dieses außerordentlich zukunftsfähige Protokoll besitzt.

Rückseite der VENUE | E6L-Engine – erweiterbar durch zusätzliche AVB-192 Ethernet-AVB-Netzwerkkarten

Unsere Geheimwaffe: Die AVB-192 Ethernet-AVB-Netzwerkkarte

Über die offensichtlichen Vorteile von Ethernet AVB hinaus haben unsere Ingenieure die Performance des VENUE | S6L-Systems weiter optimiert, indem sie die AVB-192 Ethernet AVB Card entwickelt haben, die Bestandteil aller drei Systemkomponenten – der S6L-Konsole, der E6L-Engine und des Stage 64 I/O-Racks – ist. In der Konsole und im Stage 64-Rack ist intern eine einzelne AVB-192-Karte verbaut, die zwei unabhängige Gigabit Ethernet-Ports bereitstellt: Kupfer und Glasfaser (via SFP).

Die E6L-Engine wird standardmäßig zwar auch mit einer AVB-192-Karte ausgeliefert. Demnächst wird es jedoch möglich sein, bis zu drei AVB-192-Karten zu integrieren, so dass eine höhere Anzahl an Ein- und Ausgängen genutzt werden kann. Jede AVB-192-Karte ermöglicht den Betrieb hunderter Kanäle, derzeit mit 96 kHz, und wird in Zukunft auch Abtastraten von 192 kHz unterstützen.

Diese AVB-192-Karten dienen dem System einerseits als Ethernet-AVB-Schnittstellen für die verschiedenen Systemkomponenten und stellen zusätzlich je einen integrierten 7-Port-Switch bereit. Dies vereinfacht nicht nur das Verkoppeln verschiedener Module, sondern ermöglicht auch redundante Loops zwischen den Systemkomponenten – für eine noch höhere Zuverlässigkeit mit nahtlosem, sample-genauem Switching ohne Ausfälle (beispielsweise bei Kabeldefekten).

Weitere Anschlussoptionen des S6L-Systems neben Ethernet AVB

Die in die AVB-192-Karten integrierten Switches erlauben zudem das Bridging mehrerer AVB-Domänen in der E6L-Engine. So lassen sich Features realisieren wie die hohe Anzahl von Kanälen, die das System zur Verfügung stellt, oder die Integration mehrerer Stage 64 I/O-Racks, eines lokalen I/O-Bereichs für die Konsole und externer Pro Tools-Workstations für Aufnahme und Wiedergabe (mit Unterstützung für Kabellängen bis zu 100 m über Cat5e-Kabel und bis zu 500 m oder mehr via Glasfaser).

Last but not least konnte das S6L-Entwicklungsteam ungeachtet der empfohlenen AVB-Latenz von ungefähr 2 ms Netzwerk-Latenzwerte von unter 1 ms (in beide Richtungen) herausholen. Schickt man ein Signal einmal durch das komplette Setup, einschließlich Wandlern, beträgt die Latenz nicht einmal 3 ms.

Und obwohl Ethernet AVB als Backbone für das VENUE | S6L-System dient, legt es die Anschlussoptionen zur Anbindung an „den Rest der Welt“ in keiner Weise fest. Daher wird Avid für S6L über Ethernet AVB hinaus ein umfassendes Angebot anderer Anschluss-Optionen bereitstellen, so dass das System in jede bestehende Umgebung eingebunden werden kann. Ein Beispiel ist die bereits angekündigte Dante-Karte für S6L, die gerade von Audinate entwickelt wird. Andere Karten sind in Planung, darunter auch Erweiterungsoptionen für MADI und Thunderbolt.

Wir hoffen, dass Ihnen dieser Artikel ein etwas besseres Verständnis für das Konzept Ethernet AVB vermittelt hat – und für die Gründe, warum sich Avid für diesen leistungsfähigen, offenen Standard als Netzwerk-Backbone der neuen S6L-Konsole entschieden hat. Wie Sie sehen, bieten die Möglichkeiten der AVB-192 Ethernet AVB-Karte für dieses bahnbrechende Live-System große Vorteile für die unterschiedlichsten Veranstaltungen – insbesondere dann, wenn es um wirklich anspruchsvolle Produktionen geht.

VENUE | S6L

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Sr. Marketing Manager for Avid Live Sound Systems and Music Notation. I previously worked at Euphonix and E-MU Systems before joining Avid.