无压缩4K超高清EFP系统中PTP精确时钟同步技术解析

2019年总台搭建的超高清EFP制作系统在结构上来说就是一个支持广电4K数据业务的三层IP系统网，在全IP化及无压缩标准进程中，以往视音频、辅助数据的基带SDI信号、控制信号都变成了IP数据包通过交换机的收发调度在制作网中传送。这种情况下新的基于网络环境的数据包同步时钟系统——PTP精确同步授时对制作系统来说就非常重要。PTP同步时钟系统的作用与传统基带B.B同步是一样的，但其同步原理、适用类别、系统组建、倒换机制等却与B.B同步很不相同，对于一个4K-IP制作系统来说，精确时钟同步系统既是核心也是难点。另外在ST-2110无压缩标准要求下，4K视频数据被封装成4条无压缩的3G 2SI IP流以组播形式在网中传输，音频和辅助数据流也与其拆开分别传输，这对制作数据正确重组还原也是个挑战。为了数据传输同步、有序、稳定的运行，PTP精确时钟及策略配置是对节目制作的安全保障。没有PTP时钟同步，4K超高清EFP制作系统就只有骨架而没有节目生产。下面本文将对新搭建的4K超高清EFP系统中所涉及的PTP时钟同步技术进行详细解析和思考。

1.1 PTP时钟标准协议和概念

SDI over IP过程中在制作网中以IP格式传输的视音频及辅助数据包，它们的发送、接收和重组节目信息都需要通过统一的时间标识来实现。与基带系统中的B.B同步信号一样，IP化网络系统里也必须加入同步基准信号以对视音频数据流的传输进行同步锁定。

IP是互联网的产物，在互联网领域早就有一种基于网络主-从模式的同步技术——PTP（Precision Time Protocol）精确时间协议，用于定时的同步信息直接在IP网络内传输，同步网内所有设备的时间和频率。该技术后来适用于专业广电环境的网络同步标准是SMPTE-2059-1、2。其中ST-2059-2是专业广播环境中时间和频率同步的精确时间协议，为主档行为；ST-2059-1规定接口信号恒定相位延迟及生成和校准，为从档行为。PTP网络同步的相关协议和技术完全可以取代传统视音频B.B同步信号的功能和精度（事实上精度更精，在纳秒级）且占用IP资源很小。

1.2 PTP时间戳（TimeStamp）和传输机制

时间戳是能证明一个数据包在某个特定时间之前已经存在的可验证数据，通常是一个字符序列唯一地标识某一刻的时间，是使用数字签名技术产生的数据。

目前在4K-EFP制作系统中视音频媒体流的IP传输都是利用UDP数据报协议建立连接完成的。UDP协议传输数据的实时性较好但缺点是不可靠，不符合广电制作业务的安全要求，因此在此基础上扩展出RTP实时传输协议（Realtime Transport Protocol），RTP是传输层上的协议，它需要依靠UDP先建立连接。RTP协议依然对实时性要求高的视音频数据流保持良好的传输性，但是业务服务的质量则需要RTCP（Realtime Transport Control Protocol）子协议来负责，二者机制一样必须配合使用。RTCP能够监控和诊断传输过程中各参与流的信息状态（包括丢包信息、网络状态等），从而对RTP的传输操作做出相应的调控以达到实时传输下的质量控制。

PTP协议用于时钟同步数据包的传输，其时钟的精确同步机制在于主、从时钟之间周期性的交换同步报文来确定时钟偏移量和网络延时估值以达到持续校准从时钟与主时钟同步的作用。这个估值精度决定了同步的精度，但它（估值精度）又取决于时钟同步报文时间戳的精确程度（时间戳包含有同步包的发送时间信息）。因为PTP时钟同步报文从主时钟发出，需要经过网络OSI模型从高到低的层层下传后由物理层送到网络上，这一过程最大的问题就是延时干扰。消除延时是实现高精度时钟同步的必要方法，因此采用在物理层上给PTP时钟同步包打时间戳的办法是解决时钟精度的精确方式。

那么视音频数据包传输用的RTP/RTCP协议是如何携带上时钟同步信息的呢？答案还是时间戳。RTP报文内容包括待传数据的报文头和报文负载，报文数据头包括序列号、时间戳和传输监视等信息，负载就是视音频数据流。报文头会专门提供固定字节位用于时间戳的携带，这样接收设备就可以通过时间戳解读出负载数据的同步时间用于数据重组。由此可见视音频、辅助数据包最后都是通过同步时钟组合在一起的。

2.1 PTP同步系统

新搭建的4K-EFP视频制作系统中PTP同步时钟系统由2台Tektronix的SPG8000A信号发生器、1GE/40GE接口光模块、MPO线缆、2台Cisco-N9336c主备交换机和若干制作设备组成。两台SPG8000A信号发生器互为主备，各自通过1GE光模接口分别与主、备交换机连接，主备交换机之间再各取一个40GE接口做互通来传递PTP同步数据，这样整个PTP传输的主备环路就打通了，每台交换机都能够收到两台SPG8000A发出的同步信号，方便进行数据比对。SPG8000A信号发生器本身通过内置的高稳定性晶振就可以产生PTP，当然也可以在SPG8000A上外接GPS来产生更高精度的PTP，不过这套EFP系统暂且没有涉及。在4K制作系统中用来传输PTP同步数据包的整个网络路由和设备统称为PTP域（如图1所示）。

在该4K-EFP制作系统内仍然有需要接基带B.B同步信号的制作设备，SPG8000A也可以同出这些同步信号，其中基带B.B、音频AG、WC信号经ECO8000同步倒换器和模拟视分后分别选择送入视音频系统、设备中。

此外EFP制作系统没有接GPS信号时需要主备SPG8000A互锁，主SPG8000A出带VITC的B.B环进备SPG8000A的REF IN即可，这样做保证备机的PTP和B.B都可以与主机同步关联。

2.2 PTP与B.B同步时钟在4K-EFP制作域中的最大区别

在技术原理和传输介质上PTP这种网络精确时钟与传统基带B.B同步肯定是不同的，一个是IP数据包在网络中传输，一个是模拟电平在基带中传输。但就整个4K-EFP制作系统来说最大的方向性区别在于：传统B.B同步信号是独立于视音频制作系统外的单独系统，B.B信号根本不来自于媒体业务SDI信号内部，时钟在自己专有的外部同步系统中传输不与业务系统混合，只有到终端设备上才会通过BNC接口将B.B信息接入视音频数据中。而PTP时钟信号在ST-2059基础标准下就决定了其必须要与视音频业务数据流混合在一起并在一个制作系统网的带内传输，这点很难改变。这导致产生一个问题就是以往多个SDI系统协同制作时（例如几个演播室）它们的时钟同步都可以由一个统一的总控来分配，但现在多个IP网络制作系统之间想要统一一个PTP时钟同步就有很大困难，这与各网络系统的设计方法和容量有关（除非各网络系统都架设自己的GPS），这是今后越来越多制作系统IP网络化后需要解决的重要问题。

2.3 主时钟——Grandmaster Clock

在PTP域中只能存在一个主时钟GM，它是域中排名级别最高的时钟，也是系统中所有设备时钟同步的参考来源。拥有时钟属性的设备SPG8000A信号发生器可作为主时钟GM使用（一般情况下GM只能是信号发生器），连在系统中的设备都要锁在主时钟GM下面以此保证整个系统时钟的统一性、稳定性和精确性。

2.4 最佳主时钟——Best Master Clock选举方式

信号发生器即是PTP域中的主时钟GM，但在4K-EFP制作系统里有两台SPG8000A，它们都是GM，这是从系统同步主备安全考虑的配置办法。因此边界时钟交换机在收到两台GM发出的PTP信号后，就要针对同步数据包进行一系列的优先级算法推选出谁是BMC最佳主时钟，用它的时间优先作为整个PTP域的参考时间。这一方法也被称作BMC最佳主时钟选举方式，这种算法是发生在交换机中的（如图1所示）。

边界时钟交换机的BMC算法有一个标准次序，首先比对的是两个GM的优先级（priority1）值，这又有两种方法：一种是人工指定法，一种是动态BMC推举算法。人工指定是说手动将两台SPG8000A的priority1值设置成一个最小另一个次小（例如1和2），BMC算法首先比对信号发生器的priority1参数，谁的数值最小谁的PTP优先级就最高谁就是BMC最佳主时钟。但是如果系统中存在两个priority1数值相同的GM时钟（两台SPG8000A的数值一样），那么交换机就进行动态BMC推举算法，也就是跳过第一步比对GM优先级1值，按比对标准规则往下进行。这一方法会继续依次比对两台GM时钟的等级、精确性，priority2（8000A有2个priority值）、MAC/IP地址等几项数值涵盖GPS锁定状态、路径延时等参量哪个最好从而选出最佳主时钟，在4K-EFP制作系统中BMC-PTP使用的就是该方法。需要注意的是BMC比对是在主、备交换机中不停进行的，只要它们的端口收到两台GM发出的PTP信息就时刻发生比对。

2.5 主时钟GM的主备倒换

两台SPG8000A都是GM，当一台被比对确定为BMC后，系统内主备交换机都会首先使用它的PTP信号，它就定义为主GM。而另一台SPG8000A处于Passive候选状态，但它仍旧时刻往交换机中发送PTP信息，只是系统比对后没有采纳。两台GM都是Active的，一旦主GM出现损坏、失锁、级别降低或者交换机故障，那么另一台SPG8000A马上无缝接管过来，不允许系统同步失锁，这就是GM的主备概念。可见一个PTP域内只有一个BMC，但不一定是固定的。

2.6 主时钟Master、从时钟Slave、Passive状态

Master和Slave的概念是针对收发PTP信息的端口而言，SPG8000A发端即为Master，交换机接收PTP的端口即为Slave；交换机修正时钟信号后就又把它面向终端设备的端口变成Master，终端设备接口就是Slave。两台交换机之间的PTP对连端口一个是Master，一个是Passive，这取决于哪台SPG8000A是BMC，从而决定交换机之间是由谁锁定谁（如图1所示）。

2.7 BC边界时钟交换机

该4K-EFP制作系统使用的Cisco-N9336c是边界时钟交换机（Boundary Clock），这是因为BC交换机收到PTP信号后就作为时钟的边界以主钟Master方式将同步信号分散到下面链路上的终端设备中去，交换机完全承担了同步负载压力，顶层同步机的压力就会很小。在大规模系统中为确保成百个锁相终端的同步安全，BC交换机是首选。透传时钟（Transparent Clock）交换机链接的所有终端都得透过交换机去和同步机锁相握手，当同步终端众多时同步机的负载压力加大会导致崩溃。

2.8 视音频PTP同步标准的异同

4K-EFP制作系统中视频同步部分使用的是ST-2059指导标准，SPG8000A的PTP输出模块将同步数据包送入整个视频网络即可。由于音频制作系统的全IP化改造尚在进行中，当前数字音频系统仍然使用音频基带同步的字时钟Word Clock信号，SPG8000A可同时送出该信号。但是针对IP化后的音频系统该如何确定同步信号的使用呢？其实也有一个指导标准就是AES67 PTP。AES67 PTP网络音频同步标准本质上与ST-2059相同（名称上看一个针对视频，一个针对音频），只是在确定时钟精度的过程中主、从时钟交换同步消息的请求次数、频率的定义不同而已，当然PTP终端配置的文件类型（Profiles）也会稍有不同，但其实文件本质都一样，在视音频系统中完全可以共用一个同步时钟。当视音频都是IP网络混合制作时它们共用一个SPG8000A时钟的PTP，ST-2059和AES67 PTP同步从模块中发出进入交换机网络并在相同的PTP-domain里传送（当视音频是各自独立的IP网络独自使用时，SPG8000A需要设置不同的PTP-domain）。终端是音频设备时在端口处配置AES67 PTP文件类型，视频设备就配置ST-2059文件类型即可。

2.9 视音频媒体PTP Profiles文件类型解析

视音频设备端口PTP Profiles文件类型只在主、从时钟交换同步消息的参数上不同，下面来看基于终端5秒快速同步锁定要求的ST-2059视频同步驱动配置文件：

Announce：-2｛-3，1｝；

Sync：-3｛-7，1｝；

DelayReq：0｛Sync +0，Sync +5｝；

默认Slave模式；

附加PTP TLV媒体特定信息；

支持Multicast and Unicast modes；

默认PTP domain：127｛0-127｝。

以上含义是视频设备PTP宣告时间1秒钟4次（2的-2次方），同步时间一秒8次，间隔请求1秒1次，Slave时钟，支持组播和单播，PTP域127。

基于终端AES67 PTP音频驱动配置文件：

Announce：1｛0，4｝；

Sync：-3｛-4，1｝；

DelayReq：0｛-3，Sync +5｝；

默认Slave；

支持Multicast modes；

默认PTP domain：0｛0-255｝。

可以看出与ST-2059不同只在于同步请求频率和域上，这是AES67 PTP自身就定义好的。

2.10 交换机端PTP配置命令

PTP交换机端的配置信息也要根据所连接的视音频设备来区分，以视频设备为例它的交换机端ST-2059 Profiles配置命令包含有：

ptp domain 127；

ptp source 192.168.100.2；

clock protocol ptp vdc 1；

interface Ethernet 1/49；

! Interface with SMPTE 2059-2 profile ptp；

ptp delay-request minimum interval smpte-2059-2 -3；

ptp announce interval smpte-2059-2 0；

ptp sync interval smpte-2059-2 -3；

ptp announce timeout smpte-2059-2 3。

翻译过来就是确定同步信息包括PTP阈值127、源钟IP地址、PTP交换端口、PTP标准、PTP请求频率最小1秒8次、宣告时间1秒1次、同步次数1秒8次、8秒即为超时。最后还会加入一条ptp multicast master-only命令，限制终端设备永远是Slave从时钟，防止越权倒发PTP。若是音频设备的交换机端AES67 Profiles配置只需按要求修改上述命令参数值即可。

2.11 SPG8000A时钟设置

根据以上解析，主SPG8000A的设置如图2所示。备SPG8000A的区别是把Priority1值设为2台相同，Priority2值20要高于主设备，使它成为候选GM（数值小的是主GM）。另外音频制作系统满足AES67且共用PTP，就需要在图中下方的Secondary Configuration中将Profile Type选成AES67，音频Domain 127（独立使用PTP Domain 0）。若还使Word Clock同步则不需要修改（如图2所示）。

2.12 CoPP（Control Plane Policing）控制平台策略设置

CoPP是Cisco交换机为了保护CPU正常工作而设置的策略。在交换机数据交换业务中，一般数据转发不需要经过CPU就可以直接建立连接转发出去。但有一些很特殊的协议报文信息会上报到CPU中处理，CoPP检测这些特殊报文避免恶意干扰CPU的工作。当报文发送超过一定流量、频率时，CoPP就认为其有非法行为从而采取屏蔽策略来防止CPU运算崩溃（CPU崩溃的话交换机所有转发业务都会出问题）。

PTP报文属于需要上报CPU来处理的特殊组播协议，由于网络系统中终端设备众多，这些端口对PTP的呼叫请求速率非常高（每个都按1秒8次请求），导致CoPP认为这不正常从而把PTP报文降速或拦截丢弃了，这一处理使网络系统内时钟精度的比对遭到破坏。因此在CoPP策略中需要修改一条命令：

! Create a copy of the default CoPP profile；

N9k# copp copy profile strict prefix pmn；

! Modify the class that includes PTP and increase the CIR to 1024 kbps。

就是把CoPP在检查进入CPU报文时的CIR承诺信息速率从256 kbps增加到1024 kbps，加大消息速率的许可。

Cisco-N9336c交换机会将自己有关PTP报文实时交换的所有信息都记录在案，供专业技术人员随时有据可查。学会读懂这些交换机语言并理解其含义，合理排查和解决同步出现的问题。我们来看下面的PTP授文记录具体如何解读：

3.1 Port——端口授文                                  

如图3A所示，图中信息是交换机端口PTP从属的信息记录，详细指明：某一端口是Slave，那说明它连接的对端是Master（比如说SPG8000A母钟）。某个端口是Master，说明它连接的指向端是Slave（连接了一个网关卡终端）。某个端口是个备选的Passive，那它的对端一定是Master。

3.2 corrections——PTP历史记录授文

如图3B所示，图中信息描述了交换机一个端口在一个短时间内收发PTP信息的状态，详细指明：该端口在2019年3月4日周一17点33分31秒内出现的PTP数据传输线路状态值。在制作网内交换机与终端设备的路径及物理线缆是固定的，那么PTP传输路径状态也应该是稳定的，不能出现延时状态忽大忽小的情况，MeanPath Delay数值正是这种稳定状态的反映，同一路径延时值变化过大说明该路径出问题了。Correction时间抖动变化要在合理的范围内（500ns以内），出现大的上下抖动变化（比如超过几万纳秒）就需要检查终端设备了。

3.3 Parent—— PTP继承授文

如图3C所示，图中信息描述了交换机PTP继承状态，详细指明：该交换机的时钟信息是从谁那里继承的。是上一级的SPG8000A母钟，包含的MAC地址、IP地址、优先级1/2、精度等，每一级继承的Parent详细信息记录需要清晰的知道，这是主、从时钟关系确立的依据。

3.4 Clock——PTP时钟属性授文

如图3D所示，若系统中有多层交换机结构，上述信息详细描述了下级交换机PTP继承上级交换机的信息，例如BC模式、3层结构、各类地址、域名、交换方式、端口、时钟优先级、精度，还有发生的PTP时钟选举变化的情况都可以从这些信息里看到。

3.5 Counters——PTP报文交换统计

如图3E所示，图中信息的重点是在two-step运行的边界时钟中，主时钟发送给从时钟的PTP同步和跟随报文数值要匹配，主、从时钟之间发送的延时请求和延时应答报文条数也要相同，这是PTP同步和计算延时偏移量的核心。若两边数据出现不成比例的较大变化则很可能表明PTP数据包已经丢失了，时钟精度将下降，这是不可接受的需要及时查错。

在全IP化的4K超高清EFP制作系统中各类业务数据包的交换受网络延时和传输次序的影响很大，这对4K安全制作是个挑战。不过PTP精确时钟同步协议的存在确保了各数据包到达目的地后的时间性、顺序性和重组都能精确统一，能够有效保证节目制作的实时、安全和稳定。