精確時間協議在全臺同步中的應用探討

莊敏

【摘要】 本文闡述了精確時間協議規范（PTP）的原理，結合同步信號IP傳輸的特點和我臺同步部署案例，探討在全臺建立統一同步的可能性和合理性。

【關鍵詞】精確時間協議（PTP）時鐘 時間

一、引言

無論模擬還是數字時代，同步信號在廣播電視系統中至為關鍵，BB黑場信號包括了相位和頻率同步，是系統定時和信號干凈切換的保證。很多廣播電視用戶在建設新大樓系統時，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一到一個基準，可減少不同系統間信號傳輸中幀同步器的使用，節約投資；更能將全臺時間統一到一個精確的時鐘源，優化工作流程，少發生錯誤。我臺播總控機房在三樓，制作技術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的想法很難實現。

隨著IT技術的廣泛應用，廣電人開始探討將基帶SDI信號通過IP網絡傳輸，2017年9月發表的ST 2110吸收了ST 2059作為系統中的精確時間協議（PTP）和規范。

ST 2059包括ST 2059-1和ST 2059-2兩個規范，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規范的時碼生成。本文所述的ST 2059規范，是包括上面兩個規范的統稱。

二、PTP精確時間同步概念

IP網絡中許多業務的正常運行都要求網絡時鐘同步，即整個網絡各設備之間的時間或頻率差保持在合理的誤差水平內。國際電聯組織發表的IEEE 1588規范（2008年更新為IEEE 1588 V2，下文所述的IEEE 1588規范，指的是IEEE 1588 V2規范），描述了在網絡中的精確時間協議（Precision Timing Protocol，簡稱PTP）要求。

1.PTP域

我們將應用了PTP協議的網絡稱為PTP域。PTP域內有且只有一個同步時鐘，域內的所有設備都 與該時鐘保持同步。

2.PTP端口

我們將設備上運行了PTP協議的端口稱為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、也不對外發布同步時間的端口，只存在于BC 上。

3.時鐘節點

PTP 域中的節點稱為時鐘節點，PTP協議定義了以下三種類型的基本時鐘節點：

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

（2）BC（Boundary Clock，邊界時鐘）：該時鐘節點在同一個PTP域內擁有多個PTP端口參與時 間同步。它通過其中一個端口從上游時鐘節點同步時間，并通過其余端口向下游時鐘節點發 布時間。此外，當時鐘節點作為時鐘源時，可以通過多個PTP端口向下游時鐘節點發布時間的， 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需要與其它時鐘節點保持時間同步，而TC則不與其它時鐘節點保持時間同步。TC有多個PTP端口，但它只在這些端口間轉發PTP協議報文并對其進行轉發延時校正，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）：直接轉發網絡中非 P2P （Peer-to-Peer，點到點）類型的協議報文，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）：只直接轉發Sync報文、Follow_Up報文和Announce報文，而終結其它PTP協議報文，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點在PTP域中的位置。

除了上述三種基本時鐘節點以外，還有一些混合時鐘節點，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類型的端口轉發PTP協議報文并對其進行轉發延時校正；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.最優時鐘

如圖1所示，PTP域中所有的時鐘節點都按一定層次組織在一起，整個域的參考時間就是最優時鐘（Grandmaster Clock，GM），即最高層次的時鐘。通過各時鐘節點間PTP協議報文的交互，最優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。

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

（1）各時鐘節點之間通過交互的Announce報文中所攜帶的最優時鐘優先級、時間等級、時間精度等信息，最終選出一個節點作為PTP域的最優時鐘，與此同時，各節點之間的主從關系以及各節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路、全連通，并以最優時鐘為根的生成樹。

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

5.主從關系

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

？發布同步時間的節點稱為主節點，而接收同步時間的節點則稱為從節點。

？主節點上的時鐘稱為主時鐘，而從節點上的時鐘則稱為從時鐘。

？發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，如果網絡是對稱的（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 偏差來調整本地時間，就可以實現其與主時鐘的同步。

P T P協議定義了兩種傳播延時測量機制：請求應答（Requset_Response）機制和端延時（Peer Delay）機制，且這兩種機制都以網絡對稱為前提。

1.請求應答機制

請求應答方式用于端到端的延時測量。如圖2所示，其實現過程如下：

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

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

（3）從時鐘向主時鐘發送Delay_Req報文，用于發起反向傳輸延時的計算，并記錄發送時間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）]，由于網絡是對稱的，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，根據是否需要發送Follow_Up報文，請求應答機制又分為單步模式和雙步模式兩種：

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

？在雙步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Follow_Up報文攜帶。

2.端延時機制

與請求應答機制相比，端延時機制不僅對轉發延時進行扣除，還對上游鏈路的延時進行扣除。如圖3所示，其實現過程如下：

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

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

（3）從時鐘向主時鐘發送Pdelay_Req報文，用于發起反向傳輸延時的計算，并記錄發送時間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，回復一個攜帶有t4的Pdelay_Resp報文，并記錄發送時間t5；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t6。

（5）主時鐘回復Pdelay_Resp報文之后，緊接著發送一個攜帶有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）]，由于網絡是對稱的，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，根據是否需要發送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報文的發送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發送Follow_Up報文；而t5和t4的差值由Pdelay_ Resp報文攜帶，不發送Pdelay_Resp_Follow_Up報文。

？在雙步模式下，Sync報文的發送時間戳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在廣播電視系統同步中應用的可行性

我們回顧一下廣播電視系統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。

在數字視頻中沒有模擬同步信號。數字環境中的同步是通過特定的編碼字序列來實現的。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