PTP协议在广电时间同步网中的应用研究

权雨,彭良福,何永青

(1.西南民族大学 电气信息工程学院,四川 成都 610041;2.桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重点实验室,广西 桂林 541004)

0 引 言

计算机技术、大数据技术和云计算技术的高速发展与融合,把媒体行业带入了一个全新的发展时代．广电系统网络设备类型多样化、视频类业务的多元化运营,使得系统对时钟同步信息的需求越来越高,采用IP化架构是广电网络系统重要的发展方向．近年来IP和IT产业的蓬勃发展给广电行业带来较大的冲击和新的机遇,可以看到IP化变革在广电行业中已有不可阻挡之势,它使得网络系统的架构更加简化[1-2]．多种格式的传输能够适应更广泛的业务扩展,顺应新时期的发展需求．但是同样也面临着一些挑战,在传统的广播电视视频音频基带系统中,通常使用模拟黑场同步信号、高标清数字同步信号、高清三电平同步信号作为同步基准．而在广播电视IP视音频系统中,为了使系统同步锁相,广电系统网络中的相关设备对于时钟同步信息的需求越来越高[3]．随着移动互联网业务的迅速增长,广电无线网络升级演进速度逐步加快,不仅网络架构发生了变化,对时间同步的精度要求也进一步提高[4]．因此,广电行业需要应用一个更为精确的时间同步协议,以此来构建一套全新的网络化时间同步系统,提高设备之间的时间同步能力．

由于以太网数据传输技术的广泛应用,数据传输速率的不断提升,在兼顾精度和低成本方面,已有的时间同步技术例如NTP/SNTP等在实时以太网中不具备实用优势,同步精度不够高、出错率增高等问题使得它们越来越满足不了设备之间更高时间同步精度的需求[5-7]．精确时间协议(PTP)把时间同步的精度提高到了亚微秒精度的级别,满足设备对更高时间精度的要求,且所占用网络和硬件资源较少．因此,研究将PTP作为时间同步基础并应用于广电无线局时间同步网中具有十分重要的意义[8]．本文首先介绍广电无线局时间同步网的组网方式和业务需求,阐述PTP协议的基本原理及同步实现过程,然后搭建实验室测试平台并完成测试,最后对测试数据进行分析并得出结论．

1 广电专用以太网的时间同步网架构

1.1 广电同步系统的发展

传统电视信号的传输是基于串行数字接口(SDI)基带信号,是一种使用同轴电缆来进行视音频信号同步传输的标准．尽管在高清时代,基带信号的传输还具有一定的优势,但是随着新媒体的不断发展,超高清时代的到来,采用传统SDI信号会面临许多问题．首先是电缆数目多、难以维护．由于涉及的系统较多,信号的传输和采集需要非常多的线缆,且长时间捆绑在一起,一旦出现故障,也无法更换,只能增加新的线缆,维护起来十分不便．另外由于广电系统业务的不断扩展,需要的信号格式也更多样,使用传统基带点对点的信号,需要花费额外的时间去处理信号的转换,不利于数据的快速传播,缺乏灵活性和扩展性．

采用将信息嵌入到网络中,利用以太网来传输同步信息的方法,能够使整个传输系统的架构更加简洁、灵活、方便,这也正是IP化广电网络系统所采用的解决方式[9]．多媒体的发展、以太网标准的进一步优化都推动着时间同步走向IP化．与传统基带系统不同,IP网络属于异步传输系统,信道内能够双向传输多种业务数据．为了在异步传输网络中对视音频数据包实现帧级别的同步,需要引入PTP精准时间协议．

PTP协议可将时间同步精确至纳秒级,并且能够解决以太网网络延迟大和同步能力差的问题,是从SDI信号转向IP化的过程中解决信号时间同步问题的关键．PTP协议具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点．广电系统IP化后利用PTP这种带内传输的同步方式可以简化系统的物理结构,提高网络的整合度,提供极为精确的同步信号,满足广电系统中需要高精度时间同步的要求．

1.2 时间同步组网

在企业专网市场中,广电系统正在建设覆盖全国的数字电视系统,不同地点的多部发射机都需要同步发射携带相同内容的数字信号,发射站点需要提供精准的时间同步信号．广电网络通过租用运营商专线链路组建企业以太专网,在现有的广电无线局网络中已实现所有台站以太网的连接[10]．各站台可包括多个台址,通过以太网连接每个台站已经建成的覆盖各台址的局域网．为了实现更强健、管理层级更清晰、有更大同步处理能力的时间同步网络,需要完成时间服务器节点对所有台站的覆盖,以及进一步完善各台站不同局址时间服务器节点的覆盖．

时间同步组网采用主从同步方式,强调一级时间服务器提供基准的保障作用,两套互为主备用一级时间服务器能为二级、三级时间服务器提供多源的地面参考,充分利用网络授时多源优选的特点,确保广电时间同步网统一同步系统的健壮性,从而保障生产可靠性和安全性．

要实现时间同步组网需要对时间服务器节点进行有效分层．在广电网络中时间同步网是由上至下、由高级到低级的,由时间服务器节点和时间同步链路两部分组成,广电无线局时间同步网架构如图1所示．时间同步节点根据其在网络中部署位置和输出精度分成不同等级:一级时间服务器、二级时间服务器、三级时间服务器．一级时间服务器作为广电无线局全国时间基准源,二级时间服务器能获取一级时间服务器的时间基准和频率基准,向本地最终用户提供授时服务,同时向三级时间服务器提供时间基准．三级时间服务器在获取卫星参考信号的同时,接收二级时间服务器通过时间传递链路过来的地面时间基准,最终根据优先级设置或优选算法跟踪一路基准参考调整本地时间,向本地最终用户提供授时服务．当跟踪卫星信号(北斗卫星导航系统(BDS)、GPS等)时相对于UTC时间的误差,PTP输出精度能够达到亚微秒量级,准确度在100 ns以内．在经过有限跳同步以太网传输后授时精度能够达到微秒量级[11-12]．

图1 广电无线局时间同步网架构

2 精确时间协议(PTP)的原理

2.1 时间同步协议的发展与比较

在传统的广电网络系统中,通常用网络时间协议(NTP)来进行时间同步,该协议在发展的初期解决了以太网中时间同步精度较差的问题．但是由于NTP在应用层来获取时间戳,引入了信号在协议栈中处理的延迟,导致NTP协议获取的时间戳精度不高,只能提供毫秒级的同步,难以满足对时间精度有更高需求的传输网络[13]．为了解决这一难题,2008年7月正式推出IEEE l588v2标准(即PTP协议)．

相较于NTP协议来说,PTP协议与之最大区别在于时间戳的标记上．如图2所示,PTP协议在物理层与MAC层之间的位置获取时间戳．这样做的目的是在尽可能靠近网口的位置来记录时间标记,消除如TCP/IP等网络协议栈造成的误差,能够确保时钟速率的写入和接收是在同一个误差范围,降低信号传输带来的时间偏移,使得数据传输和处理的准确度更高,因此PTP协议能够达到亚微秒量级的时间同步精度．另外,NTP协议一般采用客户端/服务器的模式来进行同步,而PTP协议的同步过程采用主从模式[14-15]．PTP较NTP占用更少的网络资源,同时具有和以太网兼容的特性,更适合在利用以太网环境进行传输的网络中使用．

图2 PTP协议与NTP协议获取时间戳位置

2.2 基本原理

根据功能的不同PTP协议定义了三种类型的基本时钟,分别是普通时钟、边界时钟和透明时钟．普通时钟只有一个物理端口,在系统同步中该端口可以作为主时钟同时也是系统精准的时间源向下级节点发送同步时间信号;或者作为从时钟从相应的上级节点获取同步时间信号并完成时间同步．边界时钟存在一个以上的物理端口,在同一个PTP域中,其中某一个端口作为从时钟来完成与上级节点的报文交换从而达到时间同步的目的．剩下的端口作为主时钟向下级节点发送时间同步信号．由于边界时钟多端口的特性,它多应用于系统中的中间网络节点,起着“中继”的作用．透明时钟主要应用于多跳的大型网络中,减少网络抖动带来的影响．透明时钟具有多个端口,但这些端口都只是对PTP报文进行转发,通过记录PTP报文携带的时间戳来计算时延从而完成主从时钟之间延时校正．透明时钟与另外两种时钟最大的不同在于它不通过任意一个端口与其他的设备进行时间同步．

在PTP协议中可以通过多播和单播两种方式来进行消息传播．在多播模式中同一PTP系统中的每个时钟节点都向其他的时钟发送Announce消息,利用最佳主时钟算法来确定最佳主时钟作为该系统的主时钟节点,主从层次建立好后通过报文交换,各从时钟节点分别与主时钟节点完成时间同步．单播模式则是在主从模式建立好后,从时钟主动向主时钟请求时间同步的消息传播模式．

2.3 同步实现

由前文可知,PTP时间同步技术采用的是主从同步模式．在主从时钟间交换相关携带时间戳的报文,从时钟节点通过解析报文得到的四个时间戳利用相应的算法,得出主从时钟之间的传输延迟以及时间偏差[16]．从时钟以主时钟为基准进行调整,从而达到时间同步的目的．主从时钟报文交互的流程如图3所示．假设主从时钟的时间偏差为offset,它们之间的链路传输时延是delay,由图3可以得到以下公式．

t1+delay+offset=t2，

(1)

t3+delay-offset=t4.

(2)

由式(1)、(2)可得:

offset=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2,

(3)

delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2.

(4)

图3 主从时钟报文交互流程

在PTP延时请求响应机制中,消息的发送与接收过程如下:

1) 主时钟周期性地发送Announce消息,时间戳为t1．

2) 从时钟接收到Announce消息后,使用BMC算法在网络层次中建立自己的位置．

3) 主时钟周期性地发送Sync消息,紧接着发送携带时间戳t1的Follow-Up消息．

4) 从时钟接收到Sync消息,并打上时间戳t2．

5) 从时钟接收到携带时间戳t1的Follow-Up消息．

6) 从时钟发送Delay-Req消息,时间戳为t3．

7) 主时钟接收到Delay-Req消息,并打上时间戳t4．

8) 主时钟发送携带时间戳t4的Delay-Resp消息．

9) 从时钟接收到Delay-Resp消息．

10) 从时钟使用时钟偏差offset和通过四个时间戳计算得到的链路延迟delay来调整自己的时钟,最终完成与主时钟同步．

11) 周期性地进行1)～10)步骤．

3 测试环境及测试结果分析

为了对主从时钟同步精度进行测量,在实验室环境下搭建了如图4所示的测试系统框图．时间服务器以卫星信号为时间基准源,并使服务器处于跟踪状态,作为主时钟节点．本次测试采用的测试仪表是XG7010 IEEE1588时间分析仪,同样将卫星信号作为分析仪的时间基准源,并使仪表处于跟踪状态,作为从时钟节点．主从时钟之间通过光纤相连,采用单播方式来进行消息传输．

图4 测试系统框图

抓取主从时钟之间的报文可以检验报文是否符合协议、主从之间是否能够进行正常通信．如图5所示,将时间分析仪中抓取的报文导入Wireshark软件中进行分析．主时钟节点的IP地址是172.18.21.3,从时钟节点的IP地址是172.18.21.21,主从之间周期性地进行报文交互,能够很好地通信．表1中示出了一组主从时钟之间交互的报文信息,可以看出四种报文的版本都是PTPv2,通过时间戳也能够反映出报文交互的过程．

图5 主从时钟的PTP报文

表1 PTP报文信息表

主从时钟通过光口1000 Mbps光纤相连,在实验室测试环境下进行连续48 h的测量,测试结果的基本信息如图6所示,结果统计如图7所示,时间精度如图8所示．经过长达48 h每秒一次采样的测量,得到172 798个样本,PTP的偏差范围在49～102 ns,平均偏差为75.728 ns,标准方差为6.275 ns．由测试结果可知,主从时钟同步精度在100 ns以内,大部分时间偏差都处于64～82 ns,具有很好的稳定性．可以看出跟踪卫星信号时,相对于UTC时间PTP时间准确度小于100 ns．

图6 测试项基本信息

图7 测试项结果统计

图8 测试项时间精度

由于广域网通信通道的非对称特性以及存在线路延迟偏差的情况,准确的同步指标需在网测算．受实验室测试环境的限制,不能在现网中进行测试,可以采用理论和测试数据相结合的方式来进行分析．在广电时间同步网中,时间同步为高优先级业务,由于设备延时处理的不对称性,理论上可估算一跳对同步精度的影响为50 μs．因此时间同步网末端PTP最低同步精度指标为:100 ns+N×50 μs(N为相邻时间服务器之间所经过网络设备的跳数或最低级时间服务器到最终客户端的网络设备的跳数),在经过有限跳同步以太网传输后授时精度能够达到μs级．

4 结束语

现阶段虽然传统的由SDI基带信号为基础的架构在运行的稳定性上还具有一定的优势,但随着IP化技术受大数据、云计算以及网络技术的影响而不断发展,广电制播系统IP化将带来很大的优势．广电系统的全IP化已经被行业公认为“下一代广电系统”的基本标志之一．时间同步网作为广电系统重要的组成部分为广电行业IP化的发展与运营提供了强大的基础支持．本文应用PTP时间同步技术在广电系统中进行时间同步组网,经过对主从时钟之间报文的分析,时间同步精度的测试,可以看出PTP时间同步技术能够达到亚微秒以内的同步精度,能够满足广电网络高精度时间同步的需求．