引言

　　在制作應用和其他運營應用中部署IP視頻網(wǎng)絡，需要能夠使用市面上商用的(COTS)基于IT的基礎設施，其中利用了IT行業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢，因為廣播行業(yè)的規(guī)模相對較小。其他優(yōu)勢還包括：降低了布線成本和重量，路由靈活度大大提高，因為在世界上許多地方，IP視頻試用、概念驗證及早期部署都已經(jīng)到位。雖然有這么多優(yōu)勢，但與此同時，IP也帶來了許多技術挑戰(zhàn)，如抖動、時延、丟包風險、本身同步缺失及不對稱，導致上行路徑和下行路徑有不同的延遲。另外，IP是一套復雜的雙向協(xié)議，要求在部署前同時了解信源和信宿。另一個問題是在視頻制作應用中部署IP時，視頻工程和網(wǎng)絡工程兩個世界真正交匯在一起。視頻工程師已經(jīng)習慣了使用SDI、同軸電纜、配線板、黑突發(fā)和三電平時序及信號質(zhì)量。視頻工程師的挑戰(zhàn)是了解IT技術及IT基礎設施對視頻的影響。而網(wǎng)絡工程師則熟悉IP流量、協(xié)議、網(wǎng)絡業(yè)務、路由器配置及精密時間協(xié)議(PTP)和網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)等定時協(xié)議。最大的差

視頻工程師

　　● SDI、模擬、音頻和配線板

　　● 黑突發(fā)和三電平同步

　　● 信號質(zhì)量的重要性

　　● 挑戰(zhàn)是了解IT技術及其對視頻的影響

網(wǎng)絡工程師

　　● IP流量、協(xié)議、網(wǎng)絡業(yè)務、路由器配置

　　● 精密時間協(xié)議

　　● 可以重發(fā)數(shù)據(jù)，不適用于高位速率視頻

　　● 挑戰(zhàn)是了解視頻技術及其對IT基礎設施的影響

　　異是在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心應用中，丟失的數(shù)據(jù)可以重發(fā)，而在高位速率視頻中則不能重發(fā)。網(wǎng)絡工程師的挑戰(zhàn)是了解視頻技術及其對IT基礎設施的影響。很明顯，視頻工程師和網(wǎng)絡工程師需要雙方都能用的診斷監(jiān)測和分析工具。

IP網(wǎng)絡中會發(fā)生什么問題？

　　導致IP網(wǎng)絡問題的許多問題都可以追溯到包抖動。正如下一節(jié)中介紹的那樣，包抖動過高會導致緩沖器溢出和下溢，導致丟包和數(shù)據(jù)流量停頓。可能會出現(xiàn)的其他問題與時延和PTP包流量不對稱有關。在SDI和IP混合工作流程中，還必需保證SDI和IP視頻之間的關系是一致的，以無縫實現(xiàn)畫面準確切換。這可以通過測量黑突發(fā)/三電平同步與PTP時鐘之間的關系，然后通過相對于PTP時鐘偏移SDI同步，進行任何必要的校正來實現(xiàn)。

　　什么導致了IP包抖動？

　　在任何數(shù)字系統(tǒng)中，抖動都是較信號周期性的偏差或位移。在承載恒定位速率數(shù)據(jù)的IP網(wǎng)絡中，抖動是距接收機上包到達間隔周期的偏差，排隊或配置不當都會引起抖動，假設路由器和交換機都配置且運行正確，那么最常見的抖動根源是路由器/交換機接口上的網(wǎng)絡擁塞。

圖1包抖動是包到達間隔周期的偏差

　　由于異步特點，任何IP網(wǎng)絡本身都有一定程度的抖動。很明顯，網(wǎng)元內(nèi)部的應用可能要求以不忙的方式接收數(shù)據(jù)，結(jié)果，接收設備采用去抖動緩沖器。然后應用從這個緩沖器的輸出中接收數(shù)據(jù)包，而不是直接接收，數(shù)據(jù)包以定期速率流出緩沖器，使流入緩沖器的數(shù)據(jù)包的定時變化變得平滑。

　　抖動過高有什么影響？

　　在上一節(jié)中，我們看到數(shù)據(jù)包以穩(wěn)定的速率流出接收機的緩沖器，這稱為緩沖器的“流失率”。相反，緩沖器接收數(shù)據(jù)的速率稱為“填充率”。選擇緩沖器的大小同樣非常重要，如果緩沖器太小，那么如果流失率超過填充率，那么緩沖器可能會太小而下溢，導致包流動停頓。如果接收速率超過流失速率，那么在某個點上緩沖器將溢出，導致丟包。但是，如果緩沖器太大，那么網(wǎng)元將引入時延過高。如上圖所示，網(wǎng)絡抖動會導致包變得非周期化，因此緩沖器填充速率不再恒定。隨著抖動變得越來越大，非周期性也變得越來越大。在某個點上，這種非周期性會導致緩沖器的填充率和流失率變得非常不均衡，以致緩沖器要么下溢導致流量停頓，要么溢出導致丟包。

　　在高位速率視頻中，緩沖器下溢或緩沖器溢出都可能會導致視頻損傷。應該指出，當然超額定購也會導致丟包。

測量實時協(xié)議(RTP)網(wǎng)絡中的抖動

　　我們已經(jīng)看到，在承載恒定位速率數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡中，抖動是距接收機周期性的偏差，如果接收機中的時鐘是精確的，那么只需通過測量包到達時間的時間標記，繪制到達間隔相對于時間的關系，那么就可以測量抖動。這種方法用來識別抖動隨時間變化，另外也可以繪制到達間隔隨發(fā)生頻次變化情況，也就是直方圖。我們已經(jīng)看到，如果抖動值太大，導致到達的包超出了去抖動緩沖器的范圍，那么超出范圍的包會被丟棄。能夠識別極端值有助于識別網(wǎng)絡抖動性能可能成為、還是已經(jīng)成為丟包的原因。

圖2

圖3包到達間隔隨時間變化圖

圖4包到達間隔隨發(fā)生頻次變化圖

　　這種方法用來識別抖動隨時間變化，另外也可以繪制到達間隔隨發(fā)生頻次變化情況，也就是直方圖。我們已經(jīng)看到，如果抖動值太大，導致到達的包超出了去抖動緩沖器的范圍，那么超出范圍的包會被丟棄。能夠識別極端值有助于識別網(wǎng)絡抖動性能可能成為、還是已經(jīng)成為丟包的原因。在恒定高位數(shù)據(jù)速率下，如果抖動分布太寬，網(wǎng)絡擁塞及網(wǎng)絡抖動幅度可能會足夠明顯，而導致丟包。因此，如果抖動分布很窄(如上例中)，且系統(tǒng)發(fā)生丟包，那么網(wǎng)絡擁堵不可能會導致抖動。

　　可能有人認為可以使用這種分布指標，估算去掉業(yè)務流量抖動所需的緩沖器大小，但必需考慮的是，這沒有考慮包到達間隔樣點的排序。在本質(zhì)上，到達間隔長的一串包不可避免地會導致對應的短到達間隔的突發(fā)包。正是這種突發(fā)的業(yè)務會導致緩沖器溢出和丟包。如果接收率在一定時間內(nèi)超過流失率，且這個時間周期超過緩沖器剩下的容量（用微秒表示），那么就會發(fā)生這種情況。

　　在下述情況下，突發(fā)會導致緩沖器溢出：接收率>ΔT的流失率>緩沖器剩下的時間容量

確定去抖動緩沖器大小

　　我們已經(jīng)看到，在實際生活中，并不能通過單純測量包到達間隔時間來預測必需的去抖動緩沖器大小。但還有一種抖動測量方式，稱為延遲因數(shù)(DF)，可以用來確定去抖動緩沖器大小。延遲因數(shù)是一種時間指標，在高位數(shù)據(jù)速率視頻中用微秒表示，預測網(wǎng)絡節(jié)點上虛擬緩沖器流完需要多長時間。在任何給定時間上，延遲因數(shù)表示該網(wǎng)絡節(jié)點去除業(yè)務流量抖動所必需的時間緩沖器大小。

　　這種DF指標基于這樣一個事實，即RTP承載著RFC3550規(guī)定的時間標記信息，反映了RTP數(shù)據(jù)包中第一個字節(jié)的采樣時點(時間標記格式與NTP相同)。這個指標稱為帶時間標記的延遲因數(shù)或TS-DF，由EBUTech3337規(guī)定。這種方法用于公共領域，特別適合RTP承載的高位速率媒體應用。TS-DF的基礎是把網(wǎng)絡包的到達時間與RTP包頭中的時間標記字段關聯(lián)起來。

圖5　TS-DF用微秒表示時間緩沖器容量

　　帶時間標記的延遲因數(shù)指標基于RFC3550中規(guī)定的相對傳送時間(RTP：實時應用傳送協(xié)議)，其定義為包的RTP時間標記(保留在RTP包頭中)與到達時接收器的時鐘之差，兩者用相同單位表示。TS-DF測量周期是1秒。在這種算法中，測量周期開始時的第一個包被視為沒有抖動，作為基準包使用。

　　對測量周期內(nèi)到達的每個后續(xù)包，將計算這個包與基準包之間的相對傳送時間，在測量周期結(jié)束時，提取最大值和最小值，然后通過下面的公式計算出帶時間標記的延遲因數(shù)：TS-DF=D(Max)-D(Min)

　　與RFC3550中的抖動算法不同，這種算法不使用平滑因數(shù)，因此會給出一個非常準確的瞬時結(jié)果。泰克SDI和IP混合媒體分析平臺同時實現(xiàn)了IP包到達間隔抖動測量及RTP特定TS-DF測量。

確定根本原因

　　另一個考慮因素是確定視頻損失的根本原因。必需要理解的是，如果出現(xiàn)損傷，不管根本原因是IP錯誤，還是其他問題，都會導致?lián)p傷。

圖6時間相關的視頻和IP錯誤

　　通過把視頻錯誤的時間標記與RTP錯包的時間標記關聯(lián)起來，可望確定錯包是不是視頻錯誤的根本原因。

圖7圖像、波形音頻條和錯誤日志

　　視頻CRC錯誤本身并不能確認視頻有損傷，除記錄錯誤外，最好使用傳統(tǒng)監(jiān)測方式，如圖像和波形顯示及音頻條，來保證監(jiān)測信心。

什么是PTP?

　　基于IP的網(wǎng)絡可以視為異步網(wǎng)絡，因為分布在網(wǎng)絡中各個節(jié)點上的設備時鐘沒有固有的系統(tǒng)時間概念。精密時間協(xié)議(PTP：由IEEE1588規(guī)定)旨在同步以太網(wǎng)絡上不同節(jié)點的實時時鐘。但應該指出，PTP并沒有使網(wǎng)絡本身同步(同步以太網(wǎng)則實現(xiàn)了同步，也稱為SyncE)。其最新版本是IEEE1588-2008，也稱為PTP第2版；SMPTE已經(jīng)在PTP第2版基礎上開發(fā)了一個標準，專門針對廣播視頻應用，稱為SMPTE　ST2059。

　　采用IP視頻及使用PTP同步不同網(wǎng)絡節(jié)點的實時時鐘，意味著任何此類網(wǎng)絡都要求一個網(wǎng)絡時間服務器，以便提供與SDI網(wǎng)絡中的同步脈沖發(fā)生器(SPG)同等的功能。同步的任何時鐘邏輯組都稱為PTP域。注意，一個域中的時鐘可能并沒有同步到另一個域中的時鐘。

　　這種PTP網(wǎng)絡時間服務器一般稱為PTPGrandmaster（PTP大師），從PTP中推導出定時同步的設備稱為PTPSlave（PTP從設備）。Master（主設備）在給定PTP域中提供時間，Slave（從設備）同步到Master（主設備）。Grandmaster（大師）是在網(wǎng)絡中提供終極時鐘同步來源的設備。在廣播應用中，PTPGrandmasters（PTP大師）通常同步到GPS、GLONASS或同時同步到兩者。

圖8在PTP網(wǎng)絡中導出正確的時間

PTP網(wǎng)絡中怎樣導出時間？

　　由連接到單個主設備的從設備組成的網(wǎng)絡稱為一個域，在PTP域中，有大量的消息類型，用來在該網(wǎng)絡內(nèi)部確定時間。通知消息用來確定同步層級，提供時鐘狀態(tài)和時鐘標準，用來確定哪個時鐘成為大師設備。同步消息和跟進消息由大師傳送，從設備使用這些消息推導時間。DelayRequest消息用來請求定時信息，自從設備發(fā)送到大師設備，以確定從設備和大師設備之間的反向路徑傳播延遲。DelayResponse消息由大師設備發(fā)送，其中包含著大師設備收到DelayRequest消息的時間。

　　根據(jù)定義，PTP是通過網(wǎng)絡分發(fā)時間的一種方式，其中一個大師設備提供時間源，同步一個或多個從設備。大師設備定期傳送同步消息和跟進消息，從設備使用這些消息導出時間。在理想情況中，網(wǎng)絡延遲可以編程到每個從設備中，然后可以偏置收到的數(shù)據(jù)包中的時間，導出正確的時間。只有點到點鏈路才能依賴這種對稱性。遺憾的是，交換式/路由式IP網(wǎng)絡中的路徑延遲在不同網(wǎng)絡節(jié)點是變化的，也是不對稱的。考慮到這一點，從設備必須定期向大師設備發(fā)送DelayRequest消息。大師設備在收到時在這些消息上準確地打上時間標記，在DelayResponse消息中把接收時間發(fā)回從設備。以上圖為例，從設備現(xiàn)在能夠使用主從同步包延遲(T2-T1)及從主延遲請求包延遲(T4-T3)計算自己的時鐘與大師設備之差。偏置(從時間-主時間)=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2。為了使從時間絕對正確，兩個方向的傳播延遲必須相等。

　　最佳主時鐘算法

　　PTP的基礎組成部分是最佳主時鐘算法(BMCA)，這種算法在網(wǎng)絡中所有時鐘上運行。BMCA的目的是提供彈性，方式是在當前大師設備不能繼續(xù)運行時允許最準確的時鐘接管任務：

　　GPS失鎖

　　從網(wǎng)絡中斷開

　　因任何其他原因而不能作為大師設備

　　選擇哪個時鐘作為大師由下面的BMCA標準確定，這些標準是按優(yōu)先次序排列的：

　　1.優(yōu)先權(quán)1字段(范圍0-255，從設備通常設置為255，主設備使用<=128的最低值)

　　2.時鐘類別（如GPS鎖定或自由運行）

　　3.時鐘精度

　　4.時鐘方差（抖動和漂移）

　　5.優(yōu)先權(quán)2字段（范圍0-255,從設備通常設置為255,主設備使用≤128的最低值）

　　6.決定點是時鐘源端口號（通常是以太網(wǎng)MAC地址）

圖9確定主/從時鐘狀態(tài)

　　怎樣才能保證備用設備在發(fā)生故障時接管任務？

　　為確保主設備和備用設備自動實現(xiàn)故障切換，可以使用PriorityTwo字段，識別兩個或兩個以上完全一樣的冗余設備的主時鐘和備用時鐘，具體如下：

　　主設備(PriorityOneField=128;PriorityTwoField=127)

　　備用設備(PriorityOneField=128;PriorityTwoField=128)

　　如果兩個完全一樣的主設備鎖定到GPS，它們將有相同的時鐘質(zhì)量，因此PriorityTwoField最低值將確定選擇哪個作為大師設備。如果主時鐘GPS失鎖，那么備用時鐘將成為較好的主設備，接管任務而成為大師設備。

圖10主/備用大師設備的自動故障切換設置

　　值得一提得是，如果任何同步GPS的主設備GPS失鎖，那么它本身自然而然會變成自由運行，并依賴自己的內(nèi)部本振。不管這個振蕩器有多好，在延長的時間周期內(nèi)它都會漂移，即使相對于GPS時鐘漂移程度不大。一旦重新獲得GPS鎖定，除非主設備的本振鎖相環(huán)（PLL）被慢慢驅(qū)動到與GPS時鐘再同步，否則系統(tǒng)會在主設備的時鐘頻率突然變化時發(fā)生“同步震動”。盡管這在某些IT應用中是可以接受，但視頻制作應用中則非常不愿意看到這種問題。在SPG8000A中，“StayGenlock”功能通過認真控制PLL，來專門避免同步震動問題。

　　在實時視頻制作應用中，視頻處理要求非常高的時鐘精度。大師設備（如SPG8000A）鎖定到GPS(或GLONASS或兩者以提供更高的星座彈性)，其中大師設備的本振鎖相到GPS基準。

　　相對于數(shù)據(jù)包的時間標記，最好在MAC和PHY層使用專用硬件方法，來避免基于軟件的堆棧中的時延變化。

PTP測量和監(jiān)測

　　在考慮準確的PTP性能時，應了解網(wǎng)絡是否不對稱性過高。也就是說，自主設備到從設備(M-S)的包延遲明顯不同于自從設備到主設備(S-M)的包延遲。如果兩個方向的傳播延遲不同，那么從設備會進行偏置校正，即把其時鐘調(diào)節(jié)到不對稱度一半的值。時鐘的控制環(huán)路調(diào)節(jié)從設備時間，使主從傳播延遲和從主傳播延遲看上去相等。如果不對稱度過高，那么將不能準確補償絕對時鐘值的M-S或-SM包延遲。另外為了保證時鐘準確性，交換機和路由器必需考慮自己的排隊延遲，因此需要能夠識別PTP。也就是說，它們可以作為透明時鐘或邊界時鐘，這兩種情況都考慮了自己的排隊延遲，但方式不同。

　　邊界時鐘從大師設備接收PTP定時，在一個端口上作為從設備。它使用這個定時鎖定內(nèi)部時鐘相位，然后設備作為PTP主設備，在輸出端口上創(chuàng)建新的Sync和Announce消息。在這種方式下，邊界時鐘的排隊延遲沒有關系，因為在其離開設備時，PTP消息會加上新的時間標記。

　　在通過交換機傳播時，透明模式下運行的交換機會測量PTP消息的傳送時間，然后把該時間提供給其傳送的PTP消息相關領域中的從設備。從設備使用這種相關性計算偏置和頻率。由于計算結(jié)果中去掉了交換機中的延遲，因此從設備的定時不受交換機內(nèi)部的排隊延遲影響。

圖11測量S-M/M-S包延遲不對稱性和包延遲變化

圖12監(jiān)測PTP包頭，保證設備位于正確的域

　　同一網(wǎng)絡中的設備應位于相同的域，兩者正確設置MCA優(yōu)先等級至關重要，以確保選擇最佳的主設備作為大師設備，在主大師設備發(fā)生故障切換時選擇適當?shù)膫溆弥髟O備。

混合黑突發(fā)/三電平和PTP網(wǎng)絡

　　在可以預見的未來，許多視頻網(wǎng)絡將結(jié)合使用SDI和IP。在這些情況下，為實現(xiàn)畫面準確切換，BB/三電平的定時與PTP同步至關重要。

圖13測量BB/三電平和PTP之間的時間關系

最后一個考慮因素

　　在實時制作應用中，網(wǎng)絡專家不可能出現(xiàn)在制作現(xiàn)場，網(wǎng)絡設備也不一定位于很容易接入的位置。

　　通過測量PTP與黑突發(fā)/三電平之間的定時關系，然后調(diào)節(jié)混合SPG/PTP大師設備（如泰克SPG8000A）中的BB/三電平到PTP偏置，可以簡便地實現(xiàn)這一目標。任何診斷設備最好都能遠程控制。

小結(jié)

　　在視頻工程和網(wǎng)絡工程交匯的環(huán)境中，IP既給廣播公司帶來了機遇，也帶來了挑戰(zhàn)，提供視頻工程師和網(wǎng)絡工程師都能使用的診斷監(jiān)測和分析工具至關重要。

　　必需監(jiān)測測量期間的抖動性能，避免溢出及導致的丟包。帶有時間標記的延遲因數(shù)是一個實用的指標，可以協(xié)助開通網(wǎng)絡，迅速識別導致緩沖問題的抖動過高的情況。如果確實發(fā)生了網(wǎng)絡問題，那么必需確定視頻錯誤方面的影響，以及圖像損傷方面的影響。

　　PTP為在實時制作工作流程中使用IP提供了必要的同步功能，監(jiān)測定時穩(wěn)定性十分重要。最后，遷移到IP是逐步實現(xiàn)的，在可以預見的未來，需要SDI/IP“混合”工作流程，進而需要混合診斷監(jiān)測和分析工具及混合同步脈沖發(fā)生器/大師設備。