羅春彧

（廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510000）

長久以來，在視頻網(wǎng)絡中，SDI系統(tǒng)以其高質量、低抖動、低延遲、部署簡單、無專利壁壘等各項優(yōu)勢穩(wěn)居頭端。但隨著規(guī)模擴大，4K/8K超高清需求的提升，SDI網(wǎng)絡在便利性及靈活性上拓展空間有限。此時，能否充分利用IT的產業(yè)優(yōu)勢進行IP網(wǎng)絡部署就成了廣電工程人員的挑戰(zhàn)。

在視頻系統(tǒng)中部署IP網(wǎng)絡除了帶來靈活度和擴展性外，相對應的也增加了額外挑戰(zhàn)。例如抖動、延時、丟包、網(wǎng)絡不對稱（上下路徑差異或端口隊列導致網(wǎng)絡的不對稱）。本文僅針對最后一項進行討論，在應用中，P2P和E2E是兩種重要的延遲測量機制，對理解PTP有很大幫助。

一、對PTP的相關說明及概念陳述

（一）時間精度

PTP的精度可達亞微米級，而NTP等網(wǎng)絡時間協(xié)議一般是毫秒級。在需要幀處理的視頻網(wǎng)絡環(huán)境下，PTP才可以實現(xiàn)同步需求。

高精度PTP設備（也有軟件實現(xiàn)，但精度相應降低）通過硬件支持，直接在MAC層進行協(xié)議包分析，不經(jīng)過UDP協(xié)議棧，減少駐留時間。

（二）PTP相關名詞回顧

PTP構成網(wǎng)絡的各節(jié)點稱為時鐘節(jié)點，協(xié)議定義了以下三類：

OC（ordinary clock） 只有一個PTP通信端口，一般是指最終設備

BC（boundary clock） 具有多個PTP端口的時鐘，通過其中一個從端口與主時鐘同步，并支持其他從端口與自身同步。

TC（transparent clock） 可測量PTP報文在其內部傳輸?shù)臅r間，并在轉發(fā)時提供相應矯正。

E2E（End-to-End） 通過Delay_Request和Delay_Response報文進行延遲計算的一種方法。

P2P（Peer-to-Peer） 通過Pdelay_Req和Pdelay_ Resp報文進行延遲計算的一種方法。

（三）計算涉及的重要報文

Sync：同步消息報文，一般由主鐘發(fā)給從鐘，可攜帶時間標

簽，也可在后續(xù)Follow up報文中攜帶

Delay Req：請求對端返回接收到此報文的時間，時間嵌入在Delay Resp報文中。

Delay Resp：對上述報文的響應，攜帶時間標記。

Pdelay Req：發(fā)起鏈路延時請求，類似Delay Req功能。

Pdelay Resp：對上述報文的響應。

Pdelay Resp Follow up：攜帶響應發(fā)生時的時間標記。

二、E2E與P2P的差異

計算方法簡析：

先以通用的E2E為例：首先由master主時鐘發(fā)送Sync報文開啟時間同步（在two-step clock中，時間標記由后續(xù)Follow-up報文協(xié)議，one-step clock中則由Sync攜帶，除非設計PTP設備，實際工程使用中并無太大影響），發(fā)送時間標記T1，slave從鐘接收到報文后記錄時間標記T2。Slave隨后向Master發(fā)送Delay Req報文并記錄時間標記T3，master收到后再回復報文Delay resp，并發(fā)送時間標記T4給slave。由此slave將得到T1，T2，T3，T4四個時間標記。設master和slave之間存在的時間差異為“offset”，單條鏈路延遲為“delay”，同時假定雙向鏈路延遲相等?？梢缘玫饺缦碌仁剑?/p>

T2=T1+delay+offset

T4=T3-offest+delay

為了得到offest的值，又因為兩個等式中delay相等，所以相減/相加后的到如下等式：

offest=（T2-T4+T3-T1）/2

delay=（T4-T3+T2-T1）/2

Slave則根據(jù)計算結果調整自己的時鐘。

問題：上述結論取決于雙向delay值相等，在這種情況下才能通過相減取得slave需要的調整值。

實際情況：在實際網(wǎng)絡中，考慮到報文在端口排隊的時間以及網(wǎng)絡整體的結構，上下行鏈路未必是對稱的，尤其在經(jīng)過多臺交換設備后差異尤為顯著。

優(yōu)化方法：在E2E算法中，有一個假設非常關鍵：即雙向鏈路對等，但這個假設是針對整個網(wǎng)絡進行的，如果網(wǎng)絡較大，中間交換設備較多那這個假設容易出現(xiàn)問題。換言之，如果縮小規(guī)模，甚至針對單條電纜進行假設那鏈路對稱則更為可靠，這就是P2P算法的基本原理。

（1） 在P2P的運算機制下，要求網(wǎng)絡中每臺交換設備都運行P2P算法。如上圖所示，同樣是4個時間標記，運算法則與第1小點一致，都是通過等式合并得到delay值。區(qū)別僅在于E2E得到的delay值是針對整個網(wǎng)絡，而P2P得到的Delay值僅發(fā)生在設備與設備之間，即每臺設備間的delay值都可以獲知并得到響應。由此解決網(wǎng)絡不對稱帶來上下行鏈路差異的問題。

（2） 具體應用場景。如上所述，是否說明P2P比E2E更有優(yōu)勢，系統(tǒng)部署時盡量采用P2P呢，也不盡然。使用P2P仍有其局限性，具體而言就是要求網(wǎng)絡中每個交換節(jié)點都能支持TC或BC模式，簡言之，網(wǎng)絡中不能存在普通交換機。如果存在普通交換機，它無法識別和響應Pdelay報文，無法測算它與周邊的鏈路延遲，將導致全網(wǎng)時鐘計算出現(xiàn)偏誤。E2E更為通用，如果系統(tǒng)內存在大量已購的普通交換機，采用E2E是更好的選擇。

（3） P2P的幾個重要優(yōu)點總結。鏈路間都是定期測量的，當網(wǎng)絡路徑發(fā)生改變時，master與slave間的延遲已知。

上下行鏈路不可能經(jīng)過不同的路由，因為P2P是在設備與設備間運行的，簡言之，在單條電纜中上下行鏈路不可能不同。而E2E則不然，上下行鏈路經(jīng)過的路有可能由于中間的交換設備而產生差異。

減少master的負載，尤其是當鏈路中存在大量slave時，因為它只需發(fā)送同步報文即可。延時測算報文并不需要master進行響應。

三、PTP部署中不同模式下可能遇到的規(guī)模問題

此部分在國內尚未有機構進行測試，以下結論引自Arista工程師Nicholas Ciarleglio，Thomas Edwards和Robert Welch在規(guī)模化部署PTP時進行的相關測試（僅兩點為例）：

（1） 交換設備在TC模式下運行P2P算法，并遵循ST2059-2協(xié)議的默認包速率。

在此模式下，交換設備處理單個slave收發(fā)的報文總計為68個/s，當終端數(shù)量達到438臺時，交換設備（7500R系列）的cpu利用率達到100%。

網(wǎng)絡規(guī)模限制在四百多臺設備。在降低速率的情況下可以提高支持的設備數(shù)量，但要犧牲鎖定的時間。

（2） 交換設備在TC模式下運行E2E算法，遵循默認組播方式，遵循ST2059-2協(xié)議默認的包速率。

因為運行E2E算法，按理并不會占用交換設備的處理資源，slave規(guī)模應該增大，但實際情況僅支持40臺。究其原因，分析為默認的組播地址下報文交互在交換機端口上并未隔離或處理，由此導致單臺slave需要從海量的報文中選出自己所需的少部分報文?？赏ㄟ^單播或者ACL策略的方式解決。

四、總結

本文所述僅是IP視頻網(wǎng)絡的冰山一角，單PTP論，就還有BMCA算法選擇帶來的管理問題、domain域設置隔離問題以及其他各項問題。篇幅所限無法一一闡述，也需要行業(yè)同仁共同探討。畢竟，在無壓縮視頻系統(tǒng)中應用IP網(wǎng)絡技術，任重而道遠。