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关键词:IP - 视频网络
相关期刊:201709

【摘要】主要从IP视频网络的时延敏感特性、IP视频网络精确同步需求、PTP精确时间协议、PTP同步域、帧精度净静视频切换、IP冗余保护无缝切换等方面,探讨研究了精确时间协……

精确时间协议PTP在IP视频网络中应用探究

2017-09-11   传播与制作  徐俭 扬州广电传媒集团(总台)  


  【摘要】主要从IP视频网络的时延敏感特性、IP视频网络精确同步需求、PTP精确时间协议、PTP同步域、帧精度净静视频切换、IP冗余保护无缝切换等方面,探讨研究了精确时间协议(PTP)在IP视频网络中应用的诸多问题。

【关键字】PTP IP视频网络 最优主时钟算法 PTP大师设备 PTP主设备 PTP从设备

  目前传统电视中心系统普遍采用的SDI标准是一种简单、开放、非专有且获得广泛支持的单向协议,SDI基带视频信号传统传输方式抖动和时延极小,同步定时及画面准确切换容易实现,图像质量也容易保证。近几年快速发展和应用的全IP化视频工作流程,采用了IP网络来承载MPEG-2/ASI视频TS流、无压缩(或浅压缩)基带视频流、视频文件流和网络控制信息流。采用IP技术传输视频数据流的主要优势,除了可在规模相对较小的广电行业利用IT行业的规模优势,降低布线成本和重量,更重要的是可提供路由灵活性,使得系统扩充能力不再与端口密度有关,而只与带宽有关。采用IP网络承载无压缩SDI基带视频流必须面对的挑战、有待解决的难题众多,本文试图以电视中心技术人员的视角,对精确时间协议(PTP)在IP视频网络中应用的诸多问题进行一些探讨和研究。

一.IP视频网络的时延敏感特性

  通过IP协议、实时传输协议(RTP)或用户数据报协议(UDP)来传输的无压缩SDI基带视频流称为IP视频流,鉴于IP协议是双向协议,以及SDI基带视频信号IP化传输方式的封装和传输协议特性,使得IP视频网络传输链路在传输IP视频流的同时伴随着巨大但可克服的挑战,不仅存在抖动、丢包风险,本身缺乏同步性和对称性而必然产生不同的路径时延,其延时量明显高于SDI基带视频信号传统传输方式,因此必须管控好SDI基带视频信号IP化传输的延时。在传输层使用RTP较使用UDP具有双重优势,RTP包可打上时间标记,且包中还携带一个序列号,可以更简便地检测丢包或失序包及包时延变化。

  致力于视频IP化的国际标准化组织主要有自适应取样图像封装(ASPEN)和IP媒体解决方案联盟(AIMS),两个组织在处理视频同步方面有所不同,ASPEN通过嵌入系统时钟(27MHz)来同步视频和音频码流,AIMS的网络定时来自用IEEE1588精确时间协议(PTP)产生带RTMP时间标记的RTP。

  通过IP网络传输SDI基带视频流的标准和方法主要有:

  SMPTE(电影电视工程师协会)ST2022-6,是通过RTP/UDP传输无压缩SDI视频、嵌入式音频和元数据的一种标准,SMPTEST2022-6通过SMPTEST2059-2来实现PTP同步。

  VSF(视频服务论坛)TR-03,其与SMPTEST2022-6的差异在于将视频、音频和元数据分隔到使用RTP/UDP的不同IP流量中,VSFTR-03通过支持IEEE1588默认配置及SMPTEST2059-2配置,来实现PTP同步。

  Evertz公司主导的ASPEN,其与TR-03的相同点是使用RTP/UDP的不同IP流量专门传输视频、音频和元数据,ASPEN也是通过兼容SMPTEST2059-2来实现PTP同步。

二.IP视频网络精确同步需求

  电视中心系统内所有电视信号在时间上必须同步,周期性的电视信号存在帧与行两个固定周期,两个以上电视信号必须同步才能进行正常切换、混合。根据SMPTERP-168规定,在精确同步的基础上,高清电视信号的切换点必须在场消隐期间的第7行,这样信号切换时就不会影响图像、声音和辅助数据,就能够实现帧精度净静视频切换。IP化电视中心系统无需专用线缆传输同步信号,是将同步信息嵌入网络,在以太网中实时、准确地传输同步定时信息。但是在IP网络环境中实现同步锁定和精确定时的难度较大,原因是环境复杂、流量变化、传输抖动、交换机延时量变化等不确定因素较多。IP流是采用分组数据包来适配网络传输,虽然以太网本身的同步协议NTP(网络时间协议)可以用于局域网的同步定时,但其ms量级的精度无法满足IP化电视中心系统视频应用对同步的精度要求(一般≤1ms)。基于SMPTE2059协议及其最优主时钟算法,可以将精度控制在ps量级,可解决IP化电视中心系统的同步问题,支持视频切换设备实现同步无缝净静切换。

三.PTP精确时间协议

  IEEE1588标准称为“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”,简称精确时间协议(PTP),是一种对标准以太网终端设备进行高精度时间同步和频率同步的协议,用于在局域网设备之间解决同步定时问题,实现高精度频率同步、时间(相位)同步和视频帧、行同步。PTP分为ns级精度的硬件PTP和us级精度的软件PTP,SMPTE2059和IEEE802.1AS均以PTP为基础。

  PTP是用于局域网的一主带多从模式的定时协议,在PTP时钟同步网络中,PTP定时系统架构采用树形拓扑,最多服务长度可达7跳。所有时钟都按照主从(Master-Slave)层次关系组织在一起,各节点向网络的PTP大师设备逐级同步时钟,整个同步的过程通过交换PTP报文来完成,从时钟通过PTP报文中携带的时间戳信息,计算与主时钟之间的偏移和延时,据此调整本地时钟达到与主时钟同步。PTP采用请求应答方式进行端到端的延时测量,主时钟通过周期性地向局域网中发送一个包含时间戳的信息包,局域网中所有设备均可被PTP同步系统同步,在局域网环境中采用通用IP交换机就可达到亚微秒级精度,实现全网级的时钟同步,严格保证时延敏感的视音频业务在基于以太网的局域网传输介质中同步传输。

  IP的异步特点是可以通过一个以太网络承载许多不同类型的业务,而不必担心同步问题。但在实况视频节目制作环境中,必须解决同步和定时问题。IP视频网络制作环境的同步要求对实现画面准确切换及同步视频处理至关重要,仍需要一种精密定时标准。IP视频以太网络可采用IEEE1588-2008(PTP/v2)精确时间协议(PTP),这是SMPTEST2059-1PTP和2059-2PTP标准的基础,用于通过RTP传输的视频的定时和同步,SMPTEST2059-1:2015标准称为“接口信号生成及对准SMPTEEpoch”(Date1970-01-01Time00:00:00),SMPTEST2059-2:2015则规定了“用于专业广播应用的IEEE1588精密定时协议的SMPTE配置文件”,SMPTEST2059-2旨在使网络中引入的任何从设备在5秒钟内同步,使从设备之间基于网络的时间精度保持在1微秒以内。还有一种AES67-2015PTP配置,适用于采用AES67格式通过RTP传输的音频。尽管PTP提供了一种机制,可以把以太网上设备的实时时钟同步到相同时间上,但网络本身并没有同步(即实现同步以太网SyncE)。

四.PTP同步域

  采用IP视频及使用PTP来同步不同网络节点的实时时钟,意味着任何此类网络都要求一台网络时间服务器,以便提供与SDI基带信号系统中同步脉冲发生器(SPG)地位同等的PTP同步功能。一起同步的多个时钟组成的任何逻辑组称为一个PTP同步域或PTP域,一个PTP域的时钟不能同步到另一个PTP域的时钟。

图1 PTP域同步到大师时钟示意图

  1.PTP大师设备

  PTP主设备是在给定PTP域中提供时间的装置,PTP从设备是同步到PTP主设备的装置。PTP网络时间服务器是在网络中提供时钟同步源的主设备,通常称为PTP大师设备(PTPGrandmaster),其带的PTP从设备可从PTP中导出其定时同步,普通时钟是位于网络末端的非交换机、非路由器设备。纯从时钟永远不会作为主设备,主/从时钟可以作为主设备,也可以作为从设备,大师设备配置成永远不会成为从设备。PTP大师设备通常同步到GPS时钟等授时系统,采用1970Epoch导出准确的时间代码。例如,泰克公司的SPG8000A同步信号发生器混合了PTPGrandmaster和SDI/SPG(黑场脉冲、三电平、SDI测试)信号功能,能够相对于1970或1958Epoch确定其基带定时输出相位。

  基于软件基准时钟的主设备不能满足实况视频节目制作应用中必需的时钟精度,采用专用硬件基准时钟(本振)的大师设备(如SPG8000A),会锁相到GPS基准频率,不受制于操作系统或网络业务时延,可对输入PTP消息和PTP同步包提供精确时间标记,能够满足实况视频节目制作应用中必需的时钟精度。

  在任何PTP域内,需采用大量的消息以便在该网络内部确定时间。通知消息用来建立同步层级,提供时钟状态和时钟标准,用来确定哪个时钟变成大师设备。大师设备传输同步消息和跟进消息,从设备使用这些消息导出时间。延时请求消息发出定时消息信息,自从设备传输到大师设备,以便确定从设备和大师设备之间的反向路径传播时延。大师设备发出延时响应消息,包含着大师设备收到延时请求消息的时间。

  2.PTP从设备

  PTP是通过网络传输时间的协议,一台PTP大师设备提供时间源,同步一台或多台PTP从设备。大师设备定期传输同步消息和跟进消息,从设备使用这些消息导出时间。理想环境下对称的点到点IP网络链路的时延可以编程到每台从设备中,然后从设备偏置收到的包中的时间,导出正确时间。交换式/路由式IP网络中的时延既可变又不对称,从设备必须定期向大师设备发送延时请求消息,大师设备在收到这些消息时打上准确的时间标记,在延时响应消息中把接收时间发回从设备。

  3.PTP透明时钟和边界时钟

  在基于PTP的IP视频网络中,交换机和路由器必须能够识别PTP协议并能透传PTP报文,且要能考虑自己的排队时延,以保证下游定时精度,可通过两种方式实现,第一是交换机或路由器作为透明时钟,在同步消息和延时请求消息到达和离开时提供时间标记,把时间差值加到消息的校正字段中;第二是交换机或路由器作为边界时钟,从一个从端口上的主设备中接收时钟,为PTP域的下游从设备提供一个或多个主(非大师)端口。

  4.PTP实现时间同步过程

  基于最优主时钟算法(BMCA)的主要步骤:

  (1)主设备向从设备发送同步命令,紧随其后是一个含主设备时间戳的数据包。

  (2)从设备纠偏,从设备计算自己的时钟与主设备之间的差,此时主从设备的时间还存在差值,该差值为“主→从”的传输时延值。

  (3)测量“主→从”的同步包时延值=(T2-T1)。

  (4)由从设备发起测量“从→主”时延请求。

  (5)主设备记录收到请求报文时刻,并打成时间戳发给从设备,从设备收到该报文后获得“从→主”时延请求包时延值=(T4-T3)。

  (6)两个时延值相加除2得到主从间的单向传输时延=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2,偏置(从时间-主时间)=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2。

  (7)从设备传输时延纠偏,去除“主→从”传输时延。为了使从设备时间正确,两个方向中的传播时延必须相等。如果两个方向中的传播时延存在差异,那么将偏置从设备,将其时钟调节到不对称性一半的值,来校正该时延差异。时钟的控制环路调整从设备时间,使主设备到从设备传播时延与从设备到主设备传播时延相等,即T2-T1=T4-T3。

  至此主从设备的时间已保持同步,精度只受本地时钟精度及网络传输的稳定性影响,同步操作需要定时进行。图2所示是以一段具体的时间说明了PTP网络中从时钟同步到主时钟的过程。

图2 PTP网络中从时钟同步到主时钟过程示意图

  5.PTP大师设备自动倒换

  PTP采用的最优主时钟算法(BMCA),在前一个大师设备发生GPS失锁、断网故障或因任何原因不能再作为大师设备时,BMCA允许最准确的主设备自动接管大师设备的任务。BMCA在网络中所有时钟上运行,按照以下优先顺序确定将哪个主设备作为大师设备:(1)用户自定义的Priority(优先权)1字段值(最低值≤128);(2)时钟类别(GPS锁定、自由运行);(3)时钟精度;(4)时钟偏移(抖动和漂移);(5)用户自定义的Priority2字段值(最低值≤128);(6)时钟源端口号(或以太网MAC地址)。

  简言之,为了实现主大师设备和备大师设备故障自动倒换,可使用Priority字段值识别两个或两个以上相同的冗余大师设备之间的主时钟和备用时钟,两个或两个以上完全相同的锁定到GPS的主设备拥有相同的时钟质量,哪个设备的Priority字段值最低,就选择该设备作为大师设备。如果主时钟发生GPS失锁,那么备用时钟将成为次优主设备,作为大师设备接管授时任务。例如,主大师设备的Priority字段值,Field1=128、Field2=127;备大师设备的Priority字段值,Field1=128、Field2=128。

  如果与GPS同步的主设备出现GPS失锁,它将依赖自身内置本振按自由运行模式运行,由于该本振必然会发生漂移,哪怕是相对于GPS时钟的略微漂移,一旦重新获取GPS锁定,除非主设备的本振锁相环(PLL)被慢慢驱动到与GPS时钟重新同步,否则在主设备的时钟频率突然变化时,系统就会遭受视频制作应用难以容忍的同步震动。值得一提的是,SPG8000A的“StayGenlock”功能通过控制PLL,可避免同步震动问题。

五.帧精度净静视频切换

  IP视频流的每个视频帧都包括许多数据包,在IP化视频切换或主备切换应用中,两路IP视频流在切换时如果以视频流的数据包为单位进行切换,由于标准以太网交换机无法知道视频帧的分界,也不知道应该在视频帧的什么位置进行切换,这样切换点就可能处于视频帧中间,从而造成切换点画面紊乱及声音有咔嚓声,也即无法实现帧精度净静视频切换。针对这一问题,SMPTEST2022-7和IEEEAVB两种标准均提供了两路IP视频流以视频帧为单位进行切换时实现帧精度净静视频切换的方案。

图3 帧精度净静视频切换示意图

六.IP冗余保护无缝切换

  IP化电视中心系统可采用主从同步热备份、主备自动热切换、设备集中控制、零帧精确控制、高可靠实时容错、网络化流程控制、软件定义网络等技术来确保其安全可靠性,IP视频网络系统可采用一主一备双链路,崩溃节点较SDI基带视频系统变少,SMPTEST2022-5还规定了一种前向纠错(FEC)方法,通过创建冗余行FEC包和列FEC包,来校正视频数据包中的错误。为解决IP化电视中心系统无缝(无损伤)切换和冗余保护问题,SMPTEST2022-7提供了一种冗余保护机制,为两个SMPTEST2022数据报提供冗余保护无缝切换,以便在发生故障时实现切换保护。当IP视频网络传输一路IP视频数据流时,会同时复制一份相同的数据流,并采用不同的网络链路传输,任一网络链路的数据包丢失,可从另一网络链路的数据包恢复成完整的数据流送出。SMPTEST2022-7IP冗余保护无缝切换由IGMP组播实现,可以容忍一条网络路径完全失效,通过无缝故障切换,接收机从主数据流或备用数据流中选择包,以生成无差错输出,其代价是要求的网络带宽提高一倍。下面的实例显示了尽管主数据流受到网络故障影响,但仍然实现了无差错输出。

图4 IP冗余保护无缝切换示意图

七.结语

  电视中心系统基础设施IP化已经成为必然趋势,IP视频网络系统需要准确可靠的定时和同步解决方案,实况视频节目制作应用高度依赖稳定而精密的同步基准源,定时和同步设备必须安全、可靠、有效地工作。本文以电视中心技术人员的视角,对精确时间协议PTP在IP视频网络中应用的诸多问题进行的探讨和研究,希望能够给广电业内同行带来些许启发。

参考文献:

  1.谢希仁:《计算机网络》[M],第7版,2017年。

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

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

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