徐儉

【摘要】主要從IP視頻網(wǎng)絡(luò)的時延敏感特性、IP視頻網(wǎng)絡(luò)精確同步需求、PTP精確時間協(xié)議、PTP同步域、幀精度凈靜視頻切換、IP冗余保護(hù)無縫切換等方面，探討研究了精確時間協(xié)議（PTP）在IP視頻網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的諸多問題。

【關(guān)鍵字】PTP IP視頻網(wǎng)絡(luò) 最優(yōu)主時鐘算法 PTP大師設(shè)備 PTP主設(shè)備 PTP從設(shè)備

目前傳統(tǒng)電視中心系統(tǒng)普遍采用的SDI標(biāo)準(zhǔn)是一種簡單、開放、非專有且獲得廣泛支持的單向協(xié)議，SDI基帶視頻信號傳統(tǒng)傳輸方式抖動和時延極小，同步定時及畫面準(zhǔn)確切換容易實(shí)現(xiàn)，圖像質(zhì)量也容易保證。近幾年快速發(fā)展和應(yīng)用的全I(xiàn)P化視頻工作流程，采用了IP網(wǎng)絡(luò)來承載MPEG-2/ASI視頻TS流、無壓縮（或淺壓縮）基帶視頻流、視頻文件流和網(wǎng)絡(luò)控制信息流。采用IP技術(shù)傳輸視頻數(shù)據(jù)流的主要優(yōu)勢，除了可在規(guī)模相對較小的廣電行業(yè)利用IT行業(yè)的規(guī)模優(yōu)勢，降低布線成本和重量，更重要的是可提供路由靈活性，使得系統(tǒng)擴(kuò)充能力不再與端口密度有關(guān)，而只與帶寬有關(guān)。采用IP網(wǎng)絡(luò)承載無壓縮SDI基帶視頻流必須面對的挑戰(zhàn)、有待解決的難題眾多，本文試圖以電視中心技術(shù)人員的視角，對精確時間協(xié)議（PTP）在IP視頻網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的諸多問題進(jìn)行一些探討和研究。

一.IP視頻網(wǎng)絡(luò)的時延敏感特性

通過I P協(xié)議、實(shí)時傳輸協(xié)議（R T P）或用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）來傳輸?shù)臒o壓縮SDI基帶視頻流稱為IP視頻流，鑒于IP協(xié)議是雙向協(xié)議，以及SDI基帶視頻信號IP化傳輸方式的封裝和傳輸協(xié)議特性，使得IP視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路在傳輸IP視頻流的同時伴隨著巨大但可克服的挑戰(zhàn)，不僅存在抖動、丟包風(fēng)險(xiǎn)，本身缺乏同步性和對稱性而必然產(chǎn)生不同的路徑時延，其延時量明顯高于SDI基帶視頻信號傳統(tǒng)傳輸方式，因此必須管控好SDI基帶視頻信號IP化傳輸?shù)难訒r。在傳輸層使用RTP較使用UDP具有雙重優(yōu)勢，RTP包可打上時間標(biāo)記，且包中還攜帶一個序列號，可以更簡便地檢測丟包或失序包及包時延變化。

致力于視頻IP化的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有自適應(yīng)取樣圖像封裝（ASPEN）和IP媒體解決方案聯(lián)盟（AIMS），兩個組織在處理視頻同步方面有所不同，ASPEN通過嵌入系統(tǒng)時鐘（27MHz）來同步視頻和音頻碼流，AIMS的網(wǎng)絡(luò)定時來自用IEEE 1588精確時間協(xié)議（PTP）產(chǎn)生帶RTMP時間標(biāo)記的RTP。

通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸SDI基帶視頻流的標(biāo)準(zhǔn)和方法主要有：

SMPTE（電影電視工程師協(xié)會）ST 2022-6，是通過RTP/ UDP傳輸無壓縮SDI視頻、嵌入式音頻和元數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)，SMPTE ST 2022-6通過SMPTE ST 2059-2來實(shí)現(xiàn)PTP同步。

VSF（視頻服務(wù)論壇）TR-03，其與SMPTE ST 2022-6的差異在于將視頻、音頻和元數(shù)據(jù)分隔到使用RTP/UDP的不同IP流量中，VSF TR-03通過支持IEEE 1588默認(rèn)配置及SMPTE ST 2059-2配置，來實(shí)現(xiàn)PTP同步。

Evertz公司主導(dǎo)的ASPEN，其與TR-03的相同點(diǎn)是使用RTP/UDP的不同IP流量專門傳輸視頻、音頻和元數(shù)據(jù)，ASPEN也是通過兼容SMPTE ST 2059-2來實(shí)現(xiàn)PTP同步。

二.IP視頻網(wǎng)絡(luò)精確同步需求

電視中心系統(tǒng)內(nèi)所有電視信號在時間上必須同步，周期性的電視信號存在幀與行兩個固定周期，兩個以上電視信號必須同步才能進(jìn)行正常切換、混合。根據(jù)SMPTE RP-168規(guī)定，在精確同步的基礎(chǔ)上，高清電視信號的切換點(diǎn)必須在場消隱期間的第7行，這樣信號切換時就不會影響圖像、聲音和輔助數(shù)據(jù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)幀精度凈靜視頻切換。IP化電視中心系統(tǒng)無需專用線纜傳輸同步信號，是將同步信息嵌入網(wǎng)絡(luò)，在以太網(wǎng)中實(shí)時、準(zhǔn)確地傳輸同步定時信息。但是在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)同步鎖定和精確定時的難度較大，原因是環(huán)境復(fù)雜、流量變化、傳輸抖動、交換機(jī)延時量變化等不確定因素較多。IP流是采用分組數(shù)據(jù)包來適配網(wǎng)絡(luò)傳輸，雖然以太網(wǎng)本身的同步協(xié)議NTP（網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）可以用于局域網(wǎng)的同步定時，但其ms量級的精度無法滿足IP化電視中心系統(tǒng)視頻應(yīng)用對同步的精度要求（一般≤1ms）。基于SMPTE 2059協(xié)議及其最優(yōu)主時鐘算法，可以將精度控制在ps量級，可解決IP化電視中心系統(tǒng)的同步問題，支持視頻切換設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步無縫凈靜切換。

三.PTP精確時間協(xié)議

IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)稱為“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，簡稱精確時間協(xié)議（PTP），是一種對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)終端設(shè)備進(jìn)行高精度時間同步和頻率同步的協(xié)議，用于在局域網(wǎng)設(shè)備之間解決同步定時問題，實(shí)現(xiàn)高精度頻率同步、時間（相位）同步和視頻幀、行同步。PTP分為ns級精度的硬件PTP和us級精度的軟件PTP，SMPTE2059和IEEE802.1AS均以PTP為基礎(chǔ)。

PTP是用于局域網(wǎng)的一主帶多從模式的定時協(xié)議，在PTP時鐘同步網(wǎng)絡(luò)中，PTP定時系統(tǒng)架構(gòu)采用樹形拓?fù)洌疃喾?wù)長度可達(dá)7跳。所有時鐘都按照主從（Master-Slave）層次關(guān)系組織在一起，各節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)的PTP大師設(shè)備逐級同步時鐘，整個同步的過程通過交換PTP報(bào)文來完成，從時鐘通過PTP報(bào)文中攜帶的時間戳信息，計(jì)算與主時鐘之間的偏移和延時，據(jù)此調(diào)整本地時鐘達(dá)到與主時鐘同步。PTP采用請求應(yīng)答方式進(jìn)行端到端的延時測量，主時鐘通過周期性地向局域網(wǎng)中發(fā)送一個包含時間戳的信息包，局域網(wǎng)中所有設(shè)備均可被PTP同步系統(tǒng)同步，在局域網(wǎng)環(huán)境中采用通用IP交換機(jī)就可達(dá)到亞微秒級精度，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)級的時鐘同步，嚴(yán)格保證時延敏感的視音頻業(yè)務(wù)在基于以太網(wǎng)的局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)中同步傳輸。

IP的異步特點(diǎn)是可以通過一個以太網(wǎng)絡(luò)承載許多不同類型的業(yè)務(wù)，而不必?fù)?dān)心同步問題。但在實(shí)況視頻節(jié)目制作環(huán)境中，必須解決同步和定時問題。IP視頻網(wǎng)絡(luò)制作環(huán)境的同步要求對實(shí)現(xiàn)畫面準(zhǔn)確切換及同步視頻處理至關(guān)重要，仍需要一種精密定時標(biāo)準(zhǔn)。IP視頻以太網(wǎng)絡(luò)可采用IEEE 1588-2008（PTP/v2）精確時間協(xié)議（PTP），這是SMPTE ST 2059-1 PTP和2059-2 PTP標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，用于通過RTP傳輸?shù)囊曨l的定時和同步，SMPTE S T 2059-1：2015標(biāo)準(zhǔn)稱為“接口信號生成及對準(zhǔn)S M P T E Epoch”（Date1970-01-01 Time00：00：00），SMPTE ST 2059-2：2015則規(guī)定了“用于專業(yè)廣播應(yīng)用的IEEE 1588精密定時協(xié)議的SMPTE配置文件”，SMPTE ST 2059-2旨在使網(wǎng)絡(luò)中引入的任何從設(shè)備在5秒鐘內(nèi)同步，使從設(shè)備之間基于網(wǎng)絡(luò)的時間精度保持在1微秒以內(nèi)。還有一種AES67-2015 PTP配置，適用于采用AES67格式通過RTP傳輸?shù)囊纛l。盡管PTP提供了一種機(jī)制，可以把以太網(wǎng)上設(shè)備的實(shí)時時鐘同步到相同時間上，但網(wǎng)絡(luò)本身并沒有同步（即實(shí)現(xiàn)同步以太網(wǎng)SyncE）。endprint

四.PTP同步域

采用IP視頻及使用PTP來同步不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時時鐘，意味著任何此類網(wǎng)絡(luò)都要求一臺網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器，以便提供與SDI基帶信號系統(tǒng)中同步脈沖發(fā)生器（SPG）地位同等的PTP同步功能。一起同步的多個時鐘組成的任何邏輯組稱為一個PTP同步域或PTP域，一個PTP域的時鐘不能同步到另一個PTP域的時鐘。

1.PTP大師設(shè)備

PTP主設(shè)備是在給定PTP域中提供時間的裝置，PTP從設(shè)備是同步到PTP主設(shè)備的裝置。PTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器是在網(wǎng)絡(luò)中提供時鐘同步源的主設(shè)備，通常稱為PTP大師設(shè)備（PTP Grandmaster），其帶的PTP從設(shè)備可從PTP中導(dǎo)出其定時同步，普通時鐘是位于網(wǎng)絡(luò)末端的非交換機(jī)、非路由器設(shè)備。純從時鐘永遠(yuǎn)不會作為主設(shè)備，主/從時鐘可以作為主設(shè)備，也可以作為從設(shè)備，大師設(shè)備配置成永遠(yuǎn)不會成為從設(shè)備。PTP大師設(shè)備通常同步到GPS時鐘等授時系統(tǒng)，采用1970Epoch導(dǎo)出準(zhǔn)確的時間代碼。例如，泰克公司的SPG8000A同步信號發(fā)生器混合了PTP Grandmaster和SDI/SPG（黑場脈沖、三電平、SDI測試）信號功能，能夠相對于1970或1958Epoch確定其基帶定時輸出相位。

基于軟件基準(zhǔn)時鐘的主設(shè)備不能滿足實(shí)況視頻節(jié)目制作應(yīng)用中必需的時鐘精度，采用專用硬件基準(zhǔn)時鐘（本振）的大師設(shè)備（如SPG8000A），會鎖相到GPS基準(zhǔn)頻率，不受制于操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)時延，可對輸入PTP消息和PTP同步包提供精確時間標(biāo)記，能夠滿足實(shí)況視頻節(jié)目制作應(yīng)用中必需的時鐘精度。

在任何PTP域內(nèi)，需采用大量的消息以便在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部確定時間。通知消息用來建立同步層級，提供時鐘狀態(tài)和時鐘標(biāo)準(zhǔn)，用來確定哪個時鐘變成大師設(shè)備。大師設(shè)備傳輸同步消息和跟進(jìn)消息，從設(shè)備使用這些消息導(dǎo)出時間。延時請求消息發(fā)出定時消息信息，自從設(shè)備傳輸?shù)酱髱熢O(shè)備，以便確定從設(shè)備和大師設(shè)備之間的反向路徑傳播時延。大師設(shè)備發(fā)出延時響應(yīng)消息，包含著大師設(shè)備收到延時請求消息的時間。

2.PTP從設(shè)備

PTP是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的協(xié)議，一臺PTP大師設(shè)備提供時間源，同步一臺或多臺PTP從設(shè)備。大師設(shè)備定期傳輸同步消息和跟進(jìn)消息，從設(shè)備使用這些消息導(dǎo)出時間。理想環(huán)境下對稱的點(diǎn)到點(diǎn)IP網(wǎng)絡(luò)鏈路的時延可以編程到每臺從設(shè)備中，然后從設(shè)備偏置收到的包中的時間，導(dǎo)出正確時間。交換式/路由式IP網(wǎng)絡(luò)中的時延既可變又不對稱，從設(shè)備必須定期向大師設(shè)備發(fā)送延時請求消息，大師設(shè)備在收到這些消息時打上準(zhǔn)確的時間標(biāo)記，在延時響應(yīng)消息中把接收時間發(fā)回從設(shè)備。

3.PTP透明時鐘和邊界時鐘

在基于PTP的IP視頻網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)和路由器必須能夠識別PTP協(xié)議并能透傳PTP報(bào)文，且要能考慮自己的排隊(duì)時延，以保證下游定時精度，可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，第一是交換機(jī)或路由器作為透明時鐘，在同步消息和延時請求消息到達(dá)和離開時提供時間標(biāo)記，把時間差值加到消息的校正字段中；第二是交換機(jī)或路由器作為邊界時鐘，從一個從端口上的主設(shè)備中接收時鐘，為PTP域的下游從設(shè)備提供一個或多個主（非大師）端口。

4.PTP實(shí)現(xiàn)時間同步過程

基于最優(yōu)主時鐘算法（BMCA）的主要步驟：

（1）主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送同步命令，緊隨其后是一個含主設(shè)備時間戳的數(shù)據(jù)包。

（2）從設(shè)備糾偏，從設(shè)備計(jì)算自己的時鐘與主設(shè)備之間的差，此時主從設(shè)備的時間還存在差值，該差值為“主→從”的傳輸時延值。

（3）測量“主→從”的同步包時延值=（T2-T1）。

（4）由從設(shè)備發(fā)起測量“從→主”時延請求。

（5）主設(shè)備記錄收到請求報(bào)文時刻，并打成時間戳發(fā)給從設(shè)備，從設(shè)備收到該報(bào)文后獲得“從→主”時延請求包時延值=（T4-T3）。

（6）兩個時延值相加除2得到主從間的單向傳輸時延=[（T2-T1）+（T4-T3）]/2，偏置（從時間-主時間）=[（T2-T1）-（T4-T3）]/2。

（7）從設(shè)備傳輸時延糾偏，去除“主→從”傳輸時延。為了使從設(shè)備時間正確，兩個方向中的傳播時延必須相等。如果兩個方向中的傳播時延存在差異，那么將偏置從設(shè)備，將其時鐘調(diào)節(jié)到不對稱性一半的值，來校正該時延差異。時鐘的控制環(huán)路調(diào)整從設(shè)備時間，使主設(shè)備到從設(shè)備傳播時延與從設(shè)備到主設(shè)備傳播時延相等，即T2-T1=T4-T3。

至此主從設(shè)備的時間已保持同步，精度只受本地時鐘精度及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性影響，同步操作需要定時進(jìn)行。圖2所示是以一段具體的時間說明了PTP網(wǎng)絡(luò)中從時鐘同步到主時鐘的過程。

5.PTP大師設(shè)備自動倒換

PTP采用的最優(yōu)主時鐘算法（BMCA），在前一個大師設(shè)備發(fā)生GPS失鎖、斷網(wǎng)故障或因任何原因不能再作為大師設(shè)備時，BMCA允許最準(zhǔn)確的主設(shè)備自動接管大師設(shè)備的任務(wù)。BMCA在網(wǎng)絡(luò)中所有時鐘上運(yùn)行，按照以下優(yōu)先順序確定將哪個主設(shè)備作為大師設(shè)備：（1）用戶自定義的Priority（優(yōu)先權(quán)）1字段值（最低值≤128）；（2）時鐘類別（GPS鎖定、自由運(yùn)行）；（3）時鐘精度；（4）時鐘偏移（抖動和漂移）；（5）用戶自定義的Priority2字段值（最低值≤128）；（6）時鐘源端口號（或以太網(wǎng)MAC地址）。

簡言之，為了實(shí)現(xiàn)主大師設(shè)備和備大師設(shè)備故障自動倒換，可使用Priority字段值識別兩個或兩個以上相同的冗余大師設(shè)備之間的主時鐘和備用時鐘，兩個或兩個以上完全相同的鎖定到GPS的主設(shè)備擁有相同的時鐘質(zhì)量，哪個設(shè)備的Priority字段值最低，就選擇該設(shè)備作為大師設(shè)備。如果主時鐘發(fā)生GPS失鎖，那么備用時鐘將成為次優(yōu)主設(shè)備，作為大師設(shè)備接管授時任務(wù)。例如，主大師設(shè)備的Priority字段值，F(xiàn)ield 1=128、Field 2=127；備大師設(shè)備的Priority字段值，F(xiàn)ield 1=128、Field 2=128。endprint

如果與GPS同步的主設(shè)備出現(xiàn)GPS失鎖，它將依賴自身內(nèi)置本振按自由運(yùn)行模式運(yùn)行，由于該本振必然會發(fā)生漂移，哪怕是相對于GPS時鐘的略微漂移，一旦重新獲取GPS鎖定，除非主設(shè)備的本振鎖相環(huán)（PLL）被慢慢驅(qū)動到與GPS時鐘重新同步，否則在主設(shè)備的時鐘頻率突然變化時，系統(tǒng)就會遭受視頻制作應(yīng)用難以容忍的同步震動。值得一提的是，SPG8000A的“Stay Genlock”功能通過控制PLL，可避免同步震動問題。

五.幀精度凈靜視頻切換

IP視頻流的每個視頻幀都包括許多數(shù)據(jù)包，在IP化視頻切換或主備切換應(yīng)用中，兩路IP視頻流在切換時如果以視頻流的數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行切換，由于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換機(jī)無法知道視頻幀的分界，也不知道應(yīng)該在視頻幀的什么位置進(jìn)行切換，這樣切換點(diǎn)就可能處于視頻幀中間，從而造成切換點(diǎn)畫面紊亂及聲音有咔嚓聲，也即無法實(shí)現(xiàn)幀精度凈靜視頻切換。針對這一問題，SMPTE ST 2022-7和IEEE AVB兩種標(biāo)準(zhǔn)均提供了兩路IP視頻流以視頻幀為單位進(jìn)行切換時實(shí)現(xiàn)幀精度凈靜視頻切換的方案。

六.IP冗余保護(hù)無縫切換

IP化電視中心系統(tǒng)可采用主從同步熱備份、主備自動熱切換、設(shè)備集中控制、零幀精確控制、高可靠實(shí)時容錯、網(wǎng)絡(luò)化流程控制、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來確保其安全可靠性，IP視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可采用一主一備雙鏈路，崩潰節(jié)點(diǎn)較SDI基帶視頻系統(tǒng)變少，SMPTE ST 2022-5還規(guī)定了一種前向糾錯（FEC）方法，通過創(chuàng)建冗余行FEC包和列FEC包，來校正視頻數(shù)據(jù)包中的錯誤。為解決IP化電視中心系統(tǒng)無縫（無損傷）切換和冗余保護(hù)問題，SMPTE ST 2022-7提供了一種冗余保護(hù)機(jī)制，為兩個SMPTE ST 2022數(shù)據(jù)報(bào)提供冗余保護(hù)無縫切換，以便在發(fā)生故障時實(shí)現(xiàn)切換保護(hù)。當(dāng)IP視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸一路IP視頻數(shù)據(jù)流時，會同時復(fù)制一份相同的數(shù)據(jù)流，并采用不同的網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸，任一網(wǎng)絡(luò)鏈路的數(shù)據(jù)包丟失，可從另一網(wǎng)絡(luò)鏈路的數(shù)據(jù)包恢復(fù)成完整的數(shù)據(jù)流送出。SMPTE ST 2022-7 IP冗余保護(hù)無縫切換由IGMP組播實(shí)現(xiàn)，可以容忍一條網(wǎng)絡(luò)路徑完全失效，通過無縫故障切換，接收機(jī)從主數(shù)據(jù)流或備用數(shù)據(jù)流中選擇包，以生成無差錯輸出，其代價(jià)是要求的網(wǎng)絡(luò)帶寬提高一倍。下面的實(shí)例顯示了盡管主數(shù)據(jù)流受到網(wǎng)絡(luò)故障影響，但仍然實(shí)現(xiàn)了無差錯輸出。

七.結(jié)語

電視中心系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施IP化已經(jīng)成為必然趨勢，IP視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要準(zhǔn)確可靠的定時和同步解決方案，實(shí)況視頻節(jié)目制作應(yīng)用高度依賴穩(wěn)定而精密的同步基準(zhǔn)源，定時和同步設(shè)備必須安全、可靠、有效地工作。本文以電視中心技術(shù)人員的視角，對精確時間協(xié)議PTP在IP視頻網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的諸多問題進(jìn)行的探討和研究，希望能夠給廣電業(yè)內(nèi)同行帶來些許啟發(fā)。B&P

參考文獻(xiàn)：

1.謝希仁：《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》[M]，第7版，2017年。

2.SMPTE國際組織：《SMPTE ST 2059-1：2015》[S]，Generation and Alignment of Interface Signals to the SMPTE Epoch.2015年。

3.SMPTE國際組織：《SMPTE ST 2059-2：2015》[S]，SMPTE Profile for Use of IEEE-1588 Precision Time Protocol in Professional Broadcast Applications.2015年。endprint