精確時間協(xié)議在全臺同步中的應(yīng)用探討

莊敏

【摘要】 本文闡述了精確時間協(xié)議規(guī)范（PTP）的原理，結(jié)合同步信號IP傳輸?shù)奶攸c和我臺同步部署案例，探討在全臺建立統(tǒng)一同步的可能性和合理性。

【關(guān)鍵詞】精確時間協(xié)議（PTP）時鐘 時間

一、引言

無論模擬還是數(shù)字時代，同步信號在廣播電視系統(tǒng)中至為關(guān)鍵，BB黑場信號包括了相位和頻率同步，是系統(tǒng)定時和信號干凈切換的保證。很多廣播電視用戶在建設(shè)新大樓系統(tǒng)時，總是希望能找到一種方法論證全臺同步的可行性：當全臺時鐘和時間統(tǒng)一到一個基準，可減少不同系統(tǒng)間信號傳輸中幀同步器的使用，節(jié)約投資；更能將全臺時間統(tǒng)一到一個精確的時鐘源，優(yōu)化工作流程，少發(fā)生錯誤。我臺播總控機房在三樓，制作技術(shù)部的演播室分布在二樓、一樓、負一樓，演播室到播總控機房，布線長度最長的超過250米，最短的的也超過100米，由于模擬信號受傳輸距離的限制，在全臺完整建立一套同步系統(tǒng)的想法很難實現(xiàn)。

隨著IT技術(shù)的廣泛應(yīng)用，廣電人開始探討將基帶SDI信號通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，2017年9月發(fā)表的ST 2110吸收了ST 2059作為系統(tǒng)中的精確時間協(xié)議（PTP）和規(guī)范。

ST 2059包括ST 2059-1和ST 2059-2兩個規(guī)范，ST 2059-1描述了時間的起點（Epoch：1970-01-01T00：00：00TAI），視頻同步信號、音頻同步信號要求，及符合ST 12-1規(guī)范的時碼生成。本文所述的ST 2059規(guī)范，是包括上面兩個規(guī)范的統(tǒng)稱。

二、PTP精確時間同步概念

IP網(wǎng)絡(luò)中許多業(yè)務(wù)的正常運行都要求網(wǎng)絡(luò)時鐘同步，即整個網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備之間的時間或頻率差保持在合理的誤差水平內(nèi)。國際電聯(lián)組織發(fā)表的IEEE 1588規(guī)范（2008年更新為IEEE 1588 V2，下文所述的IEEE 1588規(guī)范，指的是IEEE 1588 V2規(guī)范），描述了在網(wǎng)絡(luò)中的精確時間協(xié)議（Precision Timing Protocol，簡稱PTP）要求。

1.PTP域

我們將應(yīng)用了PTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)稱為PTP域。PTP域內(nèi)有且只有一個同步時鐘，域內(nèi)的所有設(shè)備都 與該時鐘保持同步。

2.PTP端口

我們將設(shè)備上運行了PTP協(xié)議的端口稱為PTP端口。如圖1所示，PTP端口的角色可分為以下三種：

（1）主端口（Master Port）：發(fā)布同步時間的端口，可存在于BC或OC上。

（2）從端口（Slave Port）：接收同步時間的端口，可存在于BC或OC上。

（3）被動端口（Passive Port）：既不接收同步時間、也不對外發(fā)布同步時間的端口，只存在于BC 上。

3.時鐘節(jié)點

PTP 域中的節(jié)點稱為時鐘節(jié)點，PTP協(xié)議定義了以下三種類型的基本時鐘節(jié)點：

（1）OC（Ordinary Clock，普通時鐘）：該時鐘節(jié)點在同一個PTP域內(nèi)只有一個PTP端口參與時間同步，并通過該端口從上游時鐘節(jié)點同步時間。此外，當時鐘節(jié)點作為時鐘源時，可以只通過一個PTP端口向下游時鐘節(jié)點發(fā)布時間，我們也稱其為OC。

（2）BC（Boundary Clock，邊界時鐘）：該時鐘節(jié)點在同一個PTP域內(nèi)擁有多個PTP端口參與時 間同步。它通過其中一個端口從上游時鐘節(jié)點同步時間，并通過其余端口向下游時鐘節(jié)點發(fā) 布時間。此外，當時鐘節(jié)點作為時鐘源時，可以通過多個PTP端口向下游時鐘節(jié)點發(fā)布時間的， 我們也稱其為BC，如圖1中的BC1。

（3）TC（Transparent clock，透明時鐘）：與BC/OC相比，BC/OC需要與其它時鐘節(jié)點保持時間同步，而TC則不與其它時鐘節(jié)點保持時間同步。TC有多個PTP端口，但它只在這些端口間轉(zhuǎn)發(fā)PTP協(xié)議報文并對其進行轉(zhuǎn)發(fā)延時校正，而不會通過任何一個端口同步時間。

TC包括 以下兩種類型：

？E2ETC（End-to-End Transparent Clock，端到端透明時鐘）：直接轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中非 P2P （Peer-to-Peer，點到點）類型的協(xié)議報文，并參與計算整條鏈路的延時

？P2PTC（Peer-to-Peer Transparent Clock，點到點透明時鐘）：只直接轉(zhuǎn)發(fā)Sync報文、Follow_Up報文和Announce報文，而終結(jié)其它PTP協(xié)議報文，并參與計算整條鏈路上每一段鏈路的延時。

如圖1所示，是上述三種基本時鐘節(jié)點在PTP域中的位置。

除了上述三種基本時鐘節(jié)點以外，還有一些混合時鐘節(jié)點，譬如融合了T C和OC各自特點的TC+OC：它在同一個PTP域內(nèi)擁有多個PTP端口，其中一個端口為OC類型，其它端口則為TC類型。一方面，它通過TC類型的端口轉(zhuǎn)發(fā)PTP協(xié)議報文并對其進行轉(zhuǎn)發(fā)延時校正；另一方面，它通過OC類型的端口進行時間的同步。與TC的分類類似，TC+OC也包括兩種類型：E2ETC+OC和P2PTC+OC。

4.最優(yōu)時鐘

如圖1所示，PTP域中所有的時鐘節(jié)點都按一定層次組織在一起，整個域的參考時間就是最優(yōu)時鐘（Grandmaster Clock，GM），即最高層次的時鐘。通過各時鐘節(jié)點間PTP協(xié)議報文的交互，最優(yōu)時鐘的時間最終將被同步到整個PTP域中，因此也稱其為時鐘源。

最優(yōu)時鐘可以通過手工配置靜態(tài)指定，也可以通過BMC（Best Master Clock，最佳主時鐘）協(xié)議動態(tài)選舉，動態(tài)選舉的過程如下：

（1）各時鐘節(jié)點之間通過交互的Announce報文中所攜帶的最優(yōu)時鐘優(yōu)先級、時間等級、時間精度等信息，最終選出一個節(jié)點作為PTP域的最優(yōu)時鐘，與此同時，各節(jié)點之間的主從關(guān)系以及各節(jié)點上的主從端口也確定了下來。通過這個過程，整個PTP域中建立起了一棵無環(huán)路、全連通，并以最優(yōu)時鐘為根的生成樹。

（2）此后，主節(jié)點會定期發(fā)送Announce報文給從節(jié)點，如果在一段時間內(nèi)，從節(jié)點沒有收到主節(jié)點發(fā)來的Announce報文，便認為該主節(jié)點失效，于是重新進行最優(yōu)時鐘的選擇。

5.主從關(guān)系

相較于最優(yōu)時鐘，主從關(guān)系（Master-Slave）是相對而言的，對于相互同步的一對時鐘節(jié)點來說，存在如下主從關(guān)系：

？發(fā)布同步時間的節(jié)點稱為主節(jié)點，而接收同步時間的節(jié)點則稱為從節(jié)點。

？主節(jié)點上的時鐘稱為主時鐘，而從節(jié)點上的時鐘則稱為從時鐘。

？發(fā)布同步時間的端口稱為主端口，而接收同步時間的端口則稱為從端口。

三、PTP延時處理機制

PTP同步的基本原理如下：主、從時鐘之間交互同步報文并記錄報文的收發(fā)時間，通過計算報文往返的時間差來計算主、從時鐘之間的往返總延時，如果網(wǎng)絡(luò)是對稱的（即兩個方向的傳輸延時相同），則往返總延時的一半就是單向延時，這個單向延時便是主、從時鐘之間的時鐘偏差，從時鐘按照該 偏差來調(diào)整本地時間，就可以實現(xiàn)其與主時鐘的同步。

P T P協(xié)議定義了兩種傳播延時測量機制：請求應(yīng)答（Requset_Response）機制和端延時（Peer Delay）機制，且這兩種機制都以網(wǎng)絡(luò)對稱為前提。

1.請求應(yīng)答機制

請求應(yīng)答方式用于端到端的延時測量。如圖2所示，其實現(xiàn)過程如下：

（1）主時鐘向從時鐘發(fā)送Sync報文，并記錄發(fā)送時間t1；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。

（2）主時鐘發(fā)送Sync報文之后，緊接著發(fā)送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

（3）從時鐘向主時鐘發(fā)送Delay_Req報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，并記錄發(fā)送時間t3；主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。

（4）主時鐘收到Delay_Req報文之后，回復(fù)一個攜帶有t4的Delay_Resp報文。

（5）此時，從時鐘便擁有了t1～t4這四個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時為[（t2–t1）+（t4–t3）]，由于網(wǎng)絡(luò)是對稱的，所以主、從時鐘間的單向延時為[（t2–t1）+（t4–t3）]/2。因此，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為：Offset=（t2–t1）-[（t2–t1）+（t4–t3）]/2=[（t2–t1）-（t4–t3）]/2。

此外，根據(jù)是否需要發(fā)送Follow_Up報文，請求應(yīng)答機制又分為單步模式和雙步模式兩種：

？在單步模式下，Sync報文的發(fā)送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發(fā)送Follow_Up報文。

？在雙步模式下，Sync報文的發(fā)送時間戳t1由Follow_Up報文攜帶。

2.端延時機制

與請求應(yīng)答機制相比，端延時機制不僅對轉(zhuǎn)發(fā)延時進行扣除，還對上游鏈路的延時進行扣除。如圖3所示，其實現(xiàn)過程如下：

（1）主時鐘向從時鐘發(fā)送Sync報文，并記錄發(fā)送時間t1；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。

（2）主時鐘發(fā)送Sync報文之后，緊接著發(fā)送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

（3）從時鐘向主時鐘發(fā)送Pdelay_Req報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，并記錄發(fā)送時間t3；主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。

（4）主時鐘收到Pdelay_Req報文之后，回復(fù)一個攜帶有t4的Pdelay_Resp報文，并記錄發(fā)送時間t5；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t6。

（5）主時鐘回復(fù)Pdelay_Resp報文之后，緊接著發(fā)送一個攜帶有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up報文。

此時，從時鐘便擁有了t1～t6這六個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時為[（t4–t3）+（t6–t5）]，由于網(wǎng)絡(luò)是對稱的，所以主、從時鐘間的單向延時為[（t4–t3）+（t6–t5）]/2。因此，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為：Offset =（t2–t1）-[（t4–t3）+（t6–t5）]/2。

此外，根據(jù)是否需要發(fā)送Follow_Up報文，端延時機制也分為單步模式和雙步模式兩種：

？在單步模式下，Sync報文的發(fā)送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發(fā)送Follow_Up報文；而t5和t4的差值由Pdelay_ Resp報文攜帶，不發(fā)送Pdelay_Resp_Follow_Up報文。

？在雙步模式下，Sync報文的發(fā)送時間戳t1由Follow_ Up報文攜帶，而t4和t5則分別由Pdelay_Resp報文和Pdelay_ Resp_Follow_Up報文攜帶。

四.PTP在廣播電視系統(tǒng)同步中應(yīng)用的可行性

我們回顧一下廣播電視系統(tǒng)中對不同同步信號的要求：

在模擬視頻中，同步包括行同步、場同步和副載波同步（色同步）。在每一模擬視頻信息行期間都存在著行消隱期，行消隱期是由行同步信號、前肩和后肩組成的，其中行同步的時間閾值為4.7 μs +- 0.2 μs。

在數(shù)字視頻中沒有模擬同步信號。數(shù)字環(huán)境中的同步是通過特定的編碼字序列來實現(xiàn)的。這些編碼字序列代表著有效視頻的開始（SAV）和有效視頻的結(jié)束（EAV）。在每個編碼字序列中，都用3FF作為起始字，隨后是000、000兩個字，最后是XYZ字。在XYZ字中，包含有場序（F）、場消隱（V）和行消隱（H）信息