向量时钟同步算法_【精品】无压缩4K超高清EFP系统中PTP精确时钟同步技术解析...

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本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2020年第6期。

作者：钟辰 (中央广播电视总台，北京 100020)

【摘 要】

在SMPTE-2110无压缩标准指导下，新的4K-EFP超高清制作系统业务数据全IP化以及4K视频流无压缩处理已是必选方向。这种广电三层结构的IP制作网在IP网络层的互通只是第一步，由于网络环境存在未知性，为了真正确保数据流业务同步、有序、准确的运行使节目生产正常化，PTP网络精确时钟就是非常重要的事情，没有它整个超高清制作系统就会瘫痪无法进行节目制作。本文将依托新搭建的4K-EFP从标准、系统、授文解读、错误判断等方面着重解析PTP网络精确时钟同步涉及的应用技术理念。

【关键词】

时间戳， 主时钟， PTP配置文件， 交换机PTP授文

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0 引言

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 PTP网络精确时钟概念

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