精确时间协议PTP在IP视频网络中应用探究
【摘要】主要从I P视频网络的时延敏感特性、I P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、I P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S D I标准是一种简单、开放、非专有且获得广泛支持的单向协议，S D I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I P化视频工作流程，采用了I P网络来承载M P E G-2/A S I视频T S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I P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I T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I P网络承载无压缩S D I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（P T P）在I P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I P协议、实时传输协议（R T P）或用户数据报协议（U D P）来传输的无压缩S D I基带视频流称为I P视频流，鉴于I P协议是双向协议，以及S D I基带视频信号I P化传输方式的封装和传输协议特性，使得I P视频网络传输链路在传输I P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S D I基带视频信号传统传输方式，因此必须管控好S D I基带视频信号I P化传输的延时。在传输层使用R T P较使用U D P具有双重优势，R T P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I P化的国际标准化组织主要有自适应取样图像封装（A SP E N）和I P媒体解决方案联盟（A I M S），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IEEE 1588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）ST 2022-6，是通过RTP/ U D P传输无压缩S D I视频、嵌入式音频和元数据的一种标准， SMPTE ST 2022-6通过SMPTE ST 2059-2来实现PTP同步。
VSF（视频服务论坛）TR-03，其与SMPTE ST 2022-6的差异在于将视频、音频和元数据分隔到使用R T P/U D P的不同I P流量中，VSF TR-03通过支持IEEE 1588默认配置及SMPTE ST 2059-2配置，来实现PTP同步。
Ev e r t z公司主导的a SP E N，其与T R-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SMPTE ST 2059-2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SMPTE RP-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。I P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I P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。I P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m s量级的精度无法满足i P化电视中心系统视频应用对同步的精度要求（一般≤1MS）。基于SMPTE 2059协议及其最优主时钟算法，可以将精度控制在p s量级，可解决i P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
IEEE 1588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（P T P），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。
P T P是用于局域网的一主带多从模式的定时协议，在P T P时钟同步网络中，P T P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（M as t e r-s la v e）层次关系组织在一起，各节点向网络的P T P大师设备逐级同步时钟，整个同步的过程通过交换P T P报文来完成，从时钟通过P T P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。P T P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