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

　　目前傳統電視中心系統普遍采用的SDI標準是一種簡單、開放、非專有且獲得廣泛支持的單向協議，SDI基帶視頻信號傳統傳輸方式抖動和時延極小，同步定時及畫面準確切換容易實現，圖像質量也容易保證。近幾年快速發展和應用的全IP化視頻工作流程，采用了IP網絡來承載MPEG-2/ASI視頻TS流、無壓縮(或淺壓縮)基帶視頻流、視頻文件流和網絡控制信息流。采用IP技術傳輸視頻數據流的主要優勢，除了可在規模相對較小的廣電行業利用IT行業的規模優勢，降低布線成本和重量，更重要的是可提供路由靈活性，使得系統擴充能力不再與端口密度有關，而只與帶寬有關。采用IP網絡承載無壓縮SDI基帶視頻流必須面對的挑戰、有待解決的難題眾多，本文試圖以電視中心技術人員的視角，對精確時間協議（PTP）在IP視頻網絡中應用的諸多問題進行一些探討和研究。

一．IP視頻網絡的時延敏感特性

　　通過IP協議、實時傳輸協議（RTP）或用戶數據報協議（UDP）來傳輸的無壓縮SDI基帶視頻流稱為IP視頻流，鑒于IP協議是雙向協議，以及SDI基帶視頻信號IP化傳輸方式的封裝和傳輸協議特性，使得IP視頻網絡傳輸鏈路在傳輸IP視頻流的同時伴隨著巨大但可克服的挑戰，不僅存在抖動、丟包風險，本身缺乏同步性和對稱性而必然產生不同的路徑時延，其延時量明顯高于SDI基帶視頻信號傳統傳輸方式，因此必須管控好SDI基帶視頻信號IP化傳輸的延時。在傳輸層使用RTP較使用UDP具有雙重優勢，RTP包可打上時間標記，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化的國際標準化組織主要有自適應取樣圖像封裝（ASPEN）和IP媒體解決方案聯盟（AIMS），兩個組織在處理視頻同步方面有所不同，ASPEN通過嵌入系統時鐘（27MHz）來同步視頻和音頻碼流，AIMS的網絡定時來自用IEEE1588精確時間協議（PTP）產生帶RTMP時間標記的RTP。

　　通過IP網絡傳輸SDI基帶視頻流的標準和方法主要有：

　　SMPTE（電影電視工程師協會）ST2022-6，是通過RTP/UDP傳輸無壓縮SDI視頻、嵌入式音頻和元數據的一種標準，SMPTEST2022-6通過SMPTEST2059-2來實現PTP同步。

　　VSF（視頻服務論壇）TR-03，其與SMPTEST2022-6的差異在于將視頻、音頻和元數據分隔到使用RTP/UDP的不同IP流量中，VSFTR-03通過支持IEEE1588默認配置及SMPTEST2059-2配置，來實現PTP同步。

　　Evertz公司主導的ASPEN，其與TR-03的相同點是使用RTP/UDP的不同IP流量專門傳輸視頻、音頻和元數據，ASPEN也是通過兼容SMPTEST2059-2來實現PTP同步。

二．IP視頻網絡精確同步需求

　　電視中心系統內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行正常切換、混合。根據SMPTERP-168規定，在精確同步的基礎上，高清電視信號的切換點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、聲音和輔助數據，就能夠實現幀精度凈靜視頻切換。IP化電視中心系統無需專用線纜傳輸同步信號，是將同步信息嵌入網絡，在以太網中實時、準確地傳輸同步定時信息。但是在IP網絡環境中實現同步鎖定和精確定時的難度較大，原因是環境復雜、流量變化、傳輸抖動、交換機延時量變化等不確定因素較多。IP流是采用分組數據包來適配網絡傳輸，雖然以太網本身的同步協議NTP（網絡時間協議）可以用于局域網的同步定時，但其ms量級的精度無法滿足IP化電視中心系統視頻應用對同步的精度要求（一般≤1ms）。基于SMPTE2059協議及其最優主時鐘算法，可以將精度控制在ps量級，可解決IP化電視中心系統的同步問題，支持視頻切換設備實現同步無縫凈靜切換。

三．PTP精確時間協議

　　IEEE1588標準稱為“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”，簡稱精確時間協議（PTP），是一種對標準以太網終端設備進行高精度時間同步和頻率同步的協議，用于在局域網設備之間解決同步定時問題，實現高精度頻率同步、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。

　　PTP是用于局域網的一主帶多從模式的定時協議，在PTP時鐘同步網絡中，PTP定時系統架構采用樹形拓撲，最多服務長度可達7跳。所有時鐘都按照主從（Master-Slave）層次關系組織在一起，各節點向網絡的PTP大師設備逐級同步時鐘，整個同步的過程通過交換PTP報文來完成，從時鐘通過PTP報文中攜帶的時間戳信息，計算與主時鐘之間的偏移和延時，據此調整本地時鐘達到與主時鐘同步。PTP采用請求應答方式進行端到端的延時測量，主時鐘通過周期性地向局域網中發送一個包含時間戳的信息包，局域網中所有設備均可被PTP同步系統同步，在局域網環境中采用通用IP交換機就可達到亞微秒級精度，實現全網級的時鐘同步，嚴格保證時延敏感的視音頻業務在基于以太網的局域網傳輸介質中同步傳輸。

　　IP的異步特點是可以通過一個以太網絡承載許多不同類型的業務，而不必擔心同步問題。但在實況視頻節目制作環境中，必須解決同步和定時問題。IP視頻網絡制作環境的同步要求對實現畫面準確切換及同步視頻處理至關重要，仍需要一種精密定時標準。IP視頻以太網絡可采用IEEE1588-2008（PTP/v2）精確時間協議（PTP），這是SMPTEST2059-1PTP和2059-2PTP標準的基礎，用于通過RTP傳輸的視頻的定時和同步，SMPTEST2059-1:2015標準稱為“接口信號生成及對準SMPTEEpoch”(Date1970-01-01Time00:00:00)，SMPTEST2059-2:2015則規定了“用于專業廣播應用的IEEE1588精密定時協議的SMPTE配置文件”，SMPTEST2059-2旨在使網絡中引入的任何從設備在5秒鐘內同步，使從設備之間基于網絡的時間精度保持在1微秒以內。還有一種AES67-2015PTP配置，適用于采用AES67格式通過RTP傳輸的音頻。盡管PTP提供了一種機制，可以把以太網上設備的實時時鐘同步到相同時間上，但網絡本身并沒有同步(即實現同步以太網SyncE)。

四．PTP同步域

　　采用IP視頻及使用PTP來同步不同網絡節點的實時時鐘，意味著任何此類網絡都要求一臺網絡時間服務器，以便提供與SDI基帶信號系統中同步脈沖發生器(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。

圖1　PTP域同步到大師時鐘示意圖

　　1.PTP大師設備

　　PTP主設備是在給定PTP域中提供時間的裝置，PTP從設備是同步到PTP主設備的裝置。PTP網絡時間服務器是在網絡中提供時鐘同步源的主設備，通常稱為PTP大師設備（PTPGrandmaster），其帶的PTP從設備可從PTP中導出其定時同步，普通時鐘是位于網絡末端的非交換機、非路由器設備。純從時鐘永遠不會作為主設備，主/從時鐘可以作為主設備，也可以作為從設備，大師設備配置成永遠不會成為從設備。PTP大師設備通常同步到GPS時鐘等授時系統，采用1970Epoch導出準確的時間代碼。例如，泰克公司的SPG8000A同步信號發生器混合了PTPGrandmaster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。

　　基于軟件基準時鐘的主設備不能滿足實況視頻節目制作應用中必需的時鐘精度，采用專用硬件基準時鐘（本振）的大師設備（如SPG8000A），會鎖相到GPS基準頻率，不受制于操作系統或網絡業務時延，可對輸入PTP消息和PTP同步包提供精確時間標記，能夠滿足實況視頻節目制作應用中必需的時鐘精度。

　　在任何PTP域內，需采用大量的消息以便在該網絡內部確定時間。通知消息用來建立同步層級，提供時鐘狀態和時鐘標準，用來確定哪個時鐘變成大師設備。大師設備傳輸同步消息和跟進消息，從設備使用這些消息導出時間。延時請求消息發出定時消息信息，自從設備傳輸到大師設備，以便確定從設備和大師設備之間的反向路徑傳播時延。大師設備發出延時響應消息，包含著大師設備收到延時請求消息的時間。

　　2.PTP從設備

　　PTP是通過網絡傳輸時間的協議，一臺PTP大師設備提供時間源，同步一臺或多臺PTP從設備。大師設備定期傳輸同步消息和跟進消息，從設備使用這些消息導出時間。理想環境下對稱的點到點IP網絡鏈路的時延可以編程到每臺從設備中，然后從設備偏置收到的包中的時間，導出正確時間。交換式/路由式IP網絡中的時延既可變又不對稱，從設備必須定期向大師設備發送延時請求消息，大師設備在收到這些消息時打上準確的時間標記，在延時響應消息中把接收時間發回從設備。

　　3.PTP透明時鐘和邊界時鐘

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

　　4.PTP實現時間同步過程

　　基于最優主時鐘算法（BMCA）的主要步驟：

　　（1）主設備向從設備發送同步命令，緊隨其后是一個含主設備時間戳的數據包。

　　（2）從設備糾偏，從設備計算自己的時鐘與主設備之間的差，此時主從設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）由從設備發起測量“從→主”時延請求。

　　（5）主設備記錄收到請求報文時刻，并打成時間戳發給從設備，從設備收到該報文后獲得“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）從設備傳輸時延糾偏，去除“主→從”傳輸時延。為了使從設備時間正確，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，那么將偏置從設備，將其時鐘調節到不對稱性一半的值，來校正該時延差異。時鐘的控制環路調整從設備時間，使主設備到從設備傳播時延與從設備到主設備傳播時延相等，即T2-T1=T4-T3。

　　至此主從設備的時間已保持同步，精度只受本地時鐘精度及網絡傳輸的穩定性影響，同步操作需要定時進行。圖2所示是以一段具體的時間說明了PTP網絡中從時鐘同步到主時鐘的過程。

圖2　PTP網絡中從時鐘同步到主時鐘過程示意圖

　　5.PTP大師設備自動倒換

　　PTP采用的最優主時鐘算法(BMCA)，在前一個大師設備發生GPS失鎖、斷網故障或因任何原因不能再作為大師設備時，BMCA允許最準確的主設備自動接管大師設備的任務。BMCA在網絡中所有時鐘上運行，按照以下優先順序確定將哪個主設備作為大師設備：（1）用戶自定義的Priority（優先權）1字段值(最低值≤128)；（2）時鐘類別(GPS鎖定、自由運行)；（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MAC地址)。

　　簡言之，為了實現主大師設備和備大師設備故障自動倒換，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的主設備擁有相同的時鐘質量，哪個設備的Priority字段值最低，就選擇該設備作為大師設備。如果主時鐘發生GPS失鎖，那么備用時鐘將成為次優主設備，作為大師設備接管授時任務。例如，主大師設備的Priority字段值，Field1=128、Field2=127；備大師設備的Priority字段值，Field1=128、Field2=128。

　　如果與GPS同步的主設備出現GPS失鎖，它將依賴自身內置本振按自由運行模式運行，由于該本振必然會發生漂移，哪怕是相對于GPS時鐘的略微漂移，一旦重新獲取GPS鎖定，除非主設備的本振鎖相環(PLL)被慢慢驅動到與GPS時鐘重新同步，否則在主設備的時鐘頻率突然變化時，系統就會遭受視頻制作應用難以容忍的同步震動。值得一提的是，SPG8000A的“StayGenlock”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據包，在IP化視頻切換或主備切換應用中，兩路IP視頻流在切換時如果以視頻流的數據包為單位進行切換，由于標準以太網交換機無法知道視頻幀的分界，也不知道應該在視頻幀的什么位置進行切換，這樣切換點就可能處于視頻幀中間，從而造成切換點畫面紊亂及聲音有咔嚓聲，也即無法實現幀精度凈靜視頻切換。針對這一問題，SMPTEST2022-7和IEEEAVB兩種標準均提供了兩路IP視頻流以視頻幀為單位進行切換時實現幀精度凈靜視頻切換的方案。

圖3　幀精度凈靜視頻切換示意圖

六．IP冗余保護無縫切換

　　IP化電視中心系統可采用主從同步熱備份、主備自動熱切換、設備集中控制、零幀精確控制、高可靠實時容錯、網絡化流程控制、軟件定義網絡等技術來確保其安全可靠性，IP視頻網絡系統可采用一主一備雙鏈路，崩潰節點較SDI基帶視頻系統變少，SMPTEST2022-5還規定了一種前向糾錯(FEC)方法，通過創建冗余行FEC包和列FEC包，來校正視頻數據包中的錯誤。為解決IP化電視中心系統無縫(無損傷)切換和冗余保護問題，SMPTEST2022-7提供了一種冗余保護機制，為兩個SMPTEST2022數據報提供冗余保護無縫切換，以便在發生故障時實現切換保護。當IP視頻網絡傳輸一路IP視頻數據流時，會同時復制一份相同的數據流，并采用不同的網絡鏈路傳輸，任一網絡鏈路的數據包丟失，可從另一網絡鏈路的數據包恢復成完整的數據流送出。SMPTEST2022-7IP冗余保護無縫切換由IGMP組播實現，可以容忍一條網絡路徑完全失效，通過無縫故障切換，接收機從主數據流或備用數據流中選擇包，以生成無差錯輸出，其代價是要求的網絡帶寬提高一倍。下面的實例顯示了盡管主數據流受到網絡故障影響，但仍然實現了無差錯輸出。

圖4　IP冗余保護無縫切換示意圖

七．結語

　　電視中心系統基礎設施IP化已經成為必然趨勢，IP視頻網絡系統需要準確可靠的定時和同步解決方案，實況視頻節目制作應用高度依賴穩定而精密的同步基準源，定時和同步設備必須安全、可靠、有效地工作。本文以電視中心技術人員的視角，對精確時間協議PTP在IP視頻網絡中應用的諸多問題進行的探討和研究，希望能夠給廣電業內同行帶來些許啟發。

參考文獻：

　　1.謝希仁：《計算機網絡》[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。