精确时间协议在全台同步中的应用探讨

　　【摘要】 本文阐述了精确时间协议规范（PTP）的原理，结合同步信号IP传输的特点和我台同步部署案例，探讨在全台建立统一同步的可能性和合理性。

　　【关键词】精确时间协议（PTP）时钟 时间

　　一、引言

　　无论模拟还是数字时代，同步信号在广播电视系统中至为关键，BB黑场信号包括了相位和频率同步，是系统定时和信号干净切换的保证。很多广播电视用户在建设新大楼系统时，总是希望能找到一种方法论证全台同步的可行性：当全台时钟和时间统一到一个基准，可减少不同系统间信号传输中帧同步器的使用，节约投资；更能将全台时间统一到一个精确的时钟源，优化工作流程，少发生错误。我台播总控机房在三楼，制作技术部的演播室分布在二楼、一楼、负一楼，演播室到播总控机房，布线长度最长的超过250米，最短的的也超过100米，由于模拟信号受传输距离的限制，在全台完整建立一套同步系统的想法很难实现。

　　随着IT技术的广泛应用，广电人开始探讨将基带SDI信号通过IP网络传输，2017年9月发表的ST 2110吸收了ST 2059作为系统中的精确时间协议（PTP）和规范。

　　ST 2059包括ST 2059-1和ST 2059-2两个规范，ST 2059-1描述了时间的起点（Epoch：1970-01-01T00：00：00TAI），视频同步信号、音频同步信号要求，及符合ST 12-1规范的时码生成。本文所述的ST 2059规范，是包括上面两个规范的统称。

　　二、PTP精确时间同步概念

　　IP網络中许多业务的正常运行都要求网络时钟同步，即整个网络各设备之间的时间或频率差保持在合理的误差水平内。国际电联组织发表的IEEE 1588规范（2008年更新为IEEE 1588 V2，下文所述的IEEE 1588规范，指的是IEEE 1588 V2规范），描述了在网络中的精确时间协议（Precision Timing Protocol，简称PTP）要求。

　　1.PTP域

　　我们将应用了PTP协议的网络称为PTP域。PTP域内有且只有一个同步时钟，域内的所有设备都 与该时钟保持同步。

　　2.PTP端口

　　我们将设备上运行了PTP协议的端口称为PTP端口。如图1所示，PTP端口的角色可分为以下三种：

　　（1）主端口（Master Port）：发布同步时间的端口，可存在于BC或OC上。

　　（2）从端口（Slave Port）：接收同步时间的端口，可存在于BC或OC上。

　　（3）被动端口（Passive Port）：既不接收同步时间、也不对外发布同步时间的端口，只存在于BC 上。

　　3.时钟节点

　　PTP 域中的节点称为时钟节点，PTP协议定义了以下三种类型的基本时钟节点：

　　（1）OC（Ordinary Clock，普通时钟）：该时钟节点在同一个PTP域内只有一个PTP端口参与时间同步，并通过该端口从上游时钟节点同步时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以只通过一个PTP端口向下游时钟节点发布时间，我们也称其为OC。

　　（2）BC（Boundary Clock，边界时钟）：该时钟节点在同一个PTP域内拥有多个PTP端口参与时 间同步。它通过其中一个端口从上游时钟节点同步时间，并通过其余端口向下游时钟节点发 布时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以通过多个PTP端口向下游时钟节点发布时间的， 我们也称其为BC，如图1中的BC1。

　　（3）TC（Transparent clock，透明时钟）：与BC/OC相比，BC/OC需要与其它时钟节点保持时间同步，而TC则不与其它时钟节点保持时间同步。TC有多个PTP端口，但它只在这些端口间转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间。

　　TC包括 以下两种类型：

　　？E2ETC（End-to-End Transparent Clock，端到端透明时钟）：直接转发网络中非 P2P （Peer-to-Peer，点到点）类型的协议报文，并参与计算整条链路的延时

　　？P2PTC（Peer-to-Peer Transparent Clock，点到点透明时钟）：只直接转发Sync报文、Follow_Up报文和Announce报文，而终结其它PTP协议报文，并参与计算整条链路上每一段链路的延时。

　　如图1所示，是上述三种基本时钟节点在PTP域中的位置。

　　除了上述三种基本时钟节点以外，还有一些混合时钟节点，譬如融合了T C和OC各自特点的TC+OC：它在同一个PTP域内拥有多个PTP端口，其中一个端口为OC类型，其它端口则为TC类型。一方面，它通过TC类型的端口转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正；另一方面，它通过OC类型的端口进行时间的同步。与TC的分类类似，TC+OC也包括两种类型：E2ETC+OC和P2PTC+OC。

　　4.最优时钟

　　如图1所示，PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起，整个域的参考时间就是最优时钟（Grandmaster Clock，GM），即最高层次的时钟。通过各时钟节点间PTP协议报文的交互，最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中，因此也称其为时钟源。

　　最优时钟可以通过手工配置静态指定，也可以通过BMC（Best Master Clock，最佳主时钟）协议动态选举，动态选举的过程如下：

　　（1）各时钟节点之间通过交互的Announce报文中所携带的最优时钟优先级、时间等级、时间精度等信息，最终选出一个节点作为PTP域的最优时钟，与此同时，各节点之间的主从关系以及各节点上的主从端口也确定了下来。通过这个过程，整个PTP域中建立起了一棵无环路、全连通，并以最优时钟为根的生成树。

　　（2）此后，主节点会定期发送Announce报文给从节点，如果在一段时间内，从节点没有收到主节点发来的Announce报文，便认为该主节点失效，于是重新进行最优时钟的选择。

　　5.主从关系

　　相较于最优时钟，主从关系（Master-Slave）是相对而言的，对于相互同步的一对时钟节点来说，存在如下主从关系：

　　？发布同步时间的节点称为主节点，而接收同步时间的节点则称为从节点。

　　？主节点上的时钟称为主时钟，而从节点上的时钟则称为从时钟。

　　？发布同步时间的端口称为主端口，而接收同步时间的端口则称为从端口。

　　三、PTP延时处理机制

　　PTP同步的基本原理如下：主、从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间，通过计算报文往返的时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时，如果网络是对称的（即两个方向的传输延时相同），则往返总延时的一半就是单向延时，这个单向延时便是主、从时钟之间的时钟偏差，从时钟按照该 偏差来调整本地时间，就可以实现其与主时钟的同步。

　　P T P协议定义了两种传播延时测量机制：请求应答（Requset_Response）机制和端延时（Peer Delay）机制，且这两种机制都以网络对称为前提。

　　1.请求应答机制

　　请求应答方式用于端到端的延时测量。如图2所示，其实现过程如下：

　　（1）主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录發送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。

　　（2）主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

　　（3）从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。

　　（4）主时钟收到Delay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。

　　（5）此时，从时钟便拥有了t1～t4这四个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为[（t2–t1）+（t4–t3）]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为[（t2–t1）+（t4–t3）]/2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：Offset=（t2–t1）-[（t2–t1）+（t4–t3）]/2=[（t2–t1）-（t4–t3）]/2。

　　此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，请求应答机制又分为单步模式和双步模式两种：

　　？在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文。

　　？在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带。

　　2.端延时机制

　　与请求应答机制相比，端延时机制不仅对转发延时进行扣除，还对上游链路的延时进行扣除。如图3所示，其实现过程如下：

　　（1）主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。

　　（2）主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

　　（3）从时钟向主时钟发送Pdelay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。

　　（4）主时钟收到Pdelay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Pdelay_Resp报文，并记录发送时间t5；从时钟收到该报文后，记录接收时间t6。

　　（5）主时钟回复Pdelay_Resp报文之后，紧接着发送一个携带有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

　　此时，从时钟便拥有了t1～t6这六个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为[（t4–t3）+（t6–t5）]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为[（t4–t3）+（t6–t5）]/2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：Offset =（t2–t1）-[（t4–t3）+（t6–t5）]/2。

　　此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，端延时机制也分为单步模式和双步模式两种：

　　？在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文；而t5和t4的差值由Pdelay_ Resp报文携带，不发送Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

　　？在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_ Up报文携带，而t4和t5则分别由Pdelay_Resp报文和Pdelay_ Resp_Follow_Up报文携带。

　　四.PTP在广播电视系统同步中应用的可行性

　　我们回顾一下广播电视系统中对不同同步信号的要求：

　　在模拟视频中，同步包括行同步、场同步和副载波同步（色同步）。在每一模拟视频信息行期间都存在着行消隐期，行消隐期是由行同步信号、前肩和后肩组成的，其中行同步的时间阈值为4.7 μs +- 0.2 μs。

　　在数字视频中没有模拟同步信号。数字环境中的同步是通过特定的编码字序列来实现的。这些编码字序列代表着有效视频的开始（SAV）和有效视频的结束（EAV）。在每个编码字序列中，都用3FF作为起始字，随后是000、000两个字，最后是XYZ字。在XYZ字中，包含有场序（F）、场消隐（V）和行消隐（H）信息

　　庄敏