王辰生

書接上文，前幾期我們介紹了IP測(cè)試工具和IP測(cè)量的思路，接下來(lái)三期就將基于項(xiàng)目中實(shí)際面對(duì)IP系統(tǒng)的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，針對(duì)性的介紹IP測(cè)量的實(shí)踐內(nèi)容。本期主要介紹PTP測(cè)量的相關(guān)內(nèi)容。本文旨在交流探討，如有不足，還請(qǐng)各位指正。

表4 基于標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議的測(cè)量指標(biāo)

首先，我們還是從這張表來(lái)看，根據(jù)我們測(cè)量的內(nèi)容，簡(jiǎn)單的把這些檢測(cè)項(xiàng)分成4個(gè)大類，分別是：

1PTP同步的相關(guān)檢測(cè)，主要涉及2059-2標(biāo)準(zhǔn)以及2110-10標(biāo)準(zhǔn)的一部分;

2流特征的檢測(cè)，包含2110-10的部分，以及2110-20，-30，-40標(biāo)準(zhǔn);

3傳輸特性的相關(guān)檢測(cè)，主要有2110-21的流量整形檢測(cè)和2022-7的冗余傳輸檢測(cè);

4控制方面的檢測(cè)，涉及NMOS系列的標(biāo)準(zhǔn)，如IS-04，IS-05等。

根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，目前階段我們根據(jù)測(cè)量值將指標(biāo)類型分為三種，分別是有明確標(biāo)準(zhǔn)值指標(biāo)，有建議值或參考值指標(biāo)，無(wú)規(guī)定值指標(biāo)。建議值指標(biāo)和無(wú)規(guī)定的指標(biāo)只能作為定性分析的判斷依據(jù)，無(wú)法作為判斷信號(hào)是否合格的指標(biāo)。

圖30 參考值指標(biāo)分類

一、PTP測(cè)量指標(biāo)

同步是系統(tǒng)的基石，同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這一部分主要涉及的標(biāo)準(zhǔn)是SMPTE 2110-10以及SMPTE 2059 。SMPTE在 2015年針對(duì)廣電行業(yè)IP視音頻傳輸特性，制定了基于IEEE 1588的ST2059標(biāo)準(zhǔn)。SMPTE 2059-1主要描述了以下技術(shù)：

SMPTE提出了自己的計(jì)時(shí)原點(diǎn)(SMPTE Epoch：1970.01.01.0000)

定義了信號(hào)與時(shí)間原點(diǎn)校準(zhǔn)對(duì)齊的算法

定義了通過(guò)1588計(jì)算時(shí)間碼(LTC，VITC)的算法

SMPTE 2059-2則是在IEEE 1588協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)廣播電視應(yīng)用的特點(diǎn)，定義了ST2059 profile。在ST2110系列標(biāo)準(zhǔn)中，ST2110-10詳細(xì)描述了ST2059如何在ST2110系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖31 SMPTE標(biāo)準(zhǔn)

在2019年和2021年，IEEE 1588和SMPTE 2059標(biāo)準(zhǔn)均有更新，新的標(biāo)準(zhǔn)中厘清了算法，允許announce報(bào)文的默認(rèn)速率調(diào)整為1秒鐘發(fā)送1次，增加了安全性和更多能被監(jiān)控的特性，并修改了一些叫法，如將“master”改為“l(fā)eader”，“slave”改為“follower”，例如主時(shí)鐘“master clock”變?yōu)椤發(fā)eader clock”。下圖簡(jiǎn)單列出了新的變化。

圖32 標(biāo)準(zhǔn)變化

梳理標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)戰(zhàn)，匯總以下測(cè)量?jī)?nèi)容。

圖33 PTP的測(cè)量

首先我們需要梳理系統(tǒng)中PTP的測(cè)量思路，根據(jù)系統(tǒng)的情況，需要提前確認(rèn)和設(shè)定系統(tǒng)的GM，domain，PTP profile，使用廠家建議的message rate，最終檢查設(shè)備被鎖定的狀態(tài)。根據(jù)這一思路，我們梳理出以下測(cè)試內(nèi)容：

PTP status

GMID or Grandmaster ID

Domain

BMCA

Message Rate和PTP Profile

Time offset和Time delay

PTP與BB相位差

下面我們將詳細(xì)介紹這些測(cè)試內(nèi)容。

1. PTP status

首先第一項(xiàng)是PTP status，這一項(xiàng)很簡(jiǎn)單，就是系統(tǒng)中的從屬設(shè)備自我判斷是否鎖住了PTP，我們可以在示波器上直接進(jìn)行檢查。顯示結(jié)果一般有以下三種情況，分別是locked，locking，unlock。

圖34 示波器PTP狀態(tài)截圖

2. GMID or Grandmaster ID

GMID就是顯示當(dāng)前鎖定的grandmaster的mac地址(中間插入ff:fe字節(jié))，我們可以直接通過(guò)GMID來(lái)判斷當(dāng)前設(shè)備鎖定在系統(tǒng)中的哪個(gè)時(shí)鐘上。當(dāng)主備鏈路都鎖定完成時(shí)，GMID會(huì)有兩個(gè)地址，如果都鎖定到一臺(tái)同步機(jī)上，那么地址會(huì)相同。

圖35 示波器GMID截圖

3. Domain

接著是domain的檢查，這項(xiàng)值是在同步機(jī)以及交換機(jī)上設(shè)定的，通過(guò)讀取數(shù)值，來(lái)判斷從設(shè)備是否鎖定在我們所設(shè)定的同步域中。我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就需要確認(rèn)系統(tǒng)使用的domain，之后在同步機(jī)、交換機(jī)上做相應(yīng)的設(shè)定，最后我們的測(cè)試設(shè)備在測(cè)量時(shí)讀到的domain值與設(shè)定一致即為正確。索尼系統(tǒng)的domain值一般為127。

圖36 示波器Domain截圖

4. BMCA

接著是BMCA(最佳主時(shí)鐘算法)的檢測(cè)，BMCA本質(zhì)雖然只是個(gè)算法，但是其需要借多項(xiàng)報(bào)文值來(lái)對(duì)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷。我們經(jīng)常需要檢查的項(xiàng)有priority 1，clock class，以及priority 2這幾項(xiàng)，這些值能夠直觀的反應(yīng)目前鎖定時(shí)鐘的級(jí)別，以及系統(tǒng)鎖定在哪臺(tái)時(shí)鐘上。

圖37 BMCA算法

priority 1：時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)1，支持用戶配置，取值范圍是0～255，取值越小優(yōu)先級(jí)越高。

Clock Class：時(shí)鐘級(jí)別，定義時(shí)鐘的時(shí)間或頻率的國(guó)際原子時(shí)TAI(International Atomic Time)跟蹤能力。0=GNSS、6=鎖定在同步、7=Holdover.

Clock Accuracy：時(shí)鐘精度，取值越低精確度越高。<100ns、<250ns、<1us.

offset Log Variance：時(shí)鐘穩(wěn)定性,數(shù)值越小表示時(shí)鐘約穩(wěn)定。

Priority 2：時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)2，支持用戶配置，取值范圍是0～255，取值越小優(yōu)先級(jí)越高。

Clock ID：設(shè)備的唯一ID，通常與MAC地址設(shè)置一致

圖38 示波器BMCA信息截圖

5. Message rates和PTP Profile

下一個(gè)需要查看的指標(biāo)是message rates，而message rates中的數(shù)值受到PTP Profile的影響，不同的Profile規(guī)定，有不同的數(shù)值，如下圖顯示，一般都是以每秒多少個(gè)報(bào)文來(lái)計(jì)數(shù)的。索尼IP Live系統(tǒng)中規(guī)定的報(bào)文速率可參考下圖。

圖39 索尼IP Live系統(tǒng)的message rates

有些Profile對(duì)于每秒中報(bào)文數(shù)量容忍范圍較大，如果報(bào)文速率低于規(guī)定值，可能是網(wǎng)絡(luò)中或主時(shí)鐘存在問(wèn)題。

圖40 不同profile的message rates

Message rate一般由6組報(bào)文來(lái)構(gòu)成，分別是：

Announce：從主時(shí)鐘收到的announce報(bào)文信息的速率，announce報(bào)文含有BMCA信息用來(lái)評(píng)估最佳時(shí)鐘。一般是每秒1到4條信息。

Sync：顯示從主時(shí)鐘收到的同步信息(Sync)的速率。Sync報(bào)文用于測(cè)量從主站到從站的傳播延遲，sync報(bào)文包含t1時(shí)間戳，當(dāng)從設(shè)備收到sync報(bào)文后會(huì)標(biāo)記t2，并計(jì)算延遲。

Follow-up：主設(shè)備發(fā)送完sync報(bào)文后，會(huì)發(fā)送一個(gè)帶有t1信息的follow-up報(bào)文來(lái)給從時(shí)鐘。

Delay Request：從設(shè)備發(fā)出的Delay Request報(bào)文，用來(lái)標(biāo)記t3，主設(shè)備通過(guò)這個(gè)報(bào)文來(lái)計(jì)算出t4.

Delay Response：Delay Response是從主設(shè)備發(fā)出的，包含t4時(shí)間戳，從設(shè)備收到后計(jì)算t4-t3延遲量

Management：傳輸用于管理時(shí)鐘設(shè)備的的信息以及命令，目前2110系統(tǒng)中的profile不發(fā)生management報(bào)文。

6. Time offset和Time delay

圖41 Time offset和Delay time示意

Time offset用來(lái)修正主、從時(shí)鐘的時(shí)間差，同時(shí)也可以判斷從設(shè)備是否鎖定PTP。ST2059-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：同一時(shí)刻任意兩個(gè)slave device(從設(shè)備)的時(shí)間差在1us(即1000ns)之內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步，示波器常用1us(即1000ns)作為offset最大絕對(duì)值，以判斷示波器自身是否鎖定上PTP。

可以看出標(biāo)準(zhǔn)描述的是整個(gè)系統(tǒng)的同步，但是在實(shí)際系統(tǒng)中無(wú)法直接測(cè)量同一時(shí)刻所有slave設(shè)備的offset，因此示波器常用1us(即1000ns)作為自身offset的最大絕對(duì)值，以判斷示波器自己是否鎖定上PTP。

如下圖所示即為示波器檢測(cè)PTP抖動(dòng)。

圖42 Telestream示波器offset測(cè)量

圖43 Leader示波器offset測(cè)量

Time delay測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延遲時(shí)間，根據(jù)計(jì)算出的offset值修正從時(shí)鐘以矯正時(shí)間。Time delay沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的參考值，我們只能說(shuō)delay值越小越好。

圖44 Leader示波器Delay Time截圖

7. PTP與BB的相位差

如之前所說(shuō)，當(dāng)前系統(tǒng)多為BB/PTP融合系統(tǒng)，雖然同一個(gè)同步機(jī)輸出的BB與PTP能夠保持相位一致，但由于BB信號(hào)是模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)不同距離傳輸有可能導(dǎo)致相位發(fā)生變化，而此時(shí)系統(tǒng)中BB與PTP是否保持一致也變成了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

那么二者的同步可以測(cè)量嗎?可以!

Telestream/Leader的示波器均有測(cè)量BB/PTP相位差的功能，如下圖所示即為示波器檢測(cè)BB/PTP相位差。

圖45 Telestream示波器檢測(cè)BB/PTP相位差

圖46 Leader示波器檢測(cè)BB/PTP相位差

一般認(rèn)為BB的圓圈與PTP的十字重合為最佳同步狀態(tài)。由于PTP相位無(wú)法調(diào)整，若出現(xiàn)不同步的情況需要調(diào)整BB的相位。

此外，對(duì)于PTP的檢測(cè)不光可以使用示波器，還可以利用wireshark和PTP track hound等軟件進(jìn)行報(bào)文檢測(cè)、交換機(jī)進(jìn)行鏈路檢測(cè)、設(shè)備檢測(cè)等，多種手段的目的相同，都是確保系統(tǒng)中的PTP同步信息正確。

PTP同步系統(tǒng)檢測(cè)方法

說(shuō)了PTP的測(cè)量指標(biāo)，下面我們來(lái)介紹系統(tǒng)性檢查PTP同步的方法，尤其是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，同步機(jī)的設(shè)定，交換機(jī)的設(shè)定，環(huán)接都會(huì)對(duì)最終測(cè)量到的PTP值產(chǎn)生影響。

系統(tǒng)性的PTP檢測(cè)主要分為兩種，一種是單機(jī)檢測(cè)，即包括攝像機(jī)、切換臺(tái)等從屬設(shè)備，通過(guò)設(shè)備上PTP的相關(guān)菜單來(lái)測(cè)試設(shè)備是否正常鎖定于PTP。另一種是綜合檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前的PTP同步情況進(jìn)行檢測(cè)，需要結(jié)合示波器、交換機(jī)、軟件等，通過(guò)這些手段可以檢測(cè)系統(tǒng)中的PTP狀態(tài)是否有問(wèn)題以及其穩(wěn)定性。因此其檢測(cè)思路可簡(jiǎn)單總結(jié)為如下圖所示：

圖47 PTP檢測(cè)思路

最簡(jiǎn)單的判斷結(jié)果就是，被檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)是鎖定到當(dāng)前系統(tǒng)的PTP主鐘，且PTP主鐘和被檢測(cè)設(shè)備之間的相位差在1000ns之內(nèi)，即認(rèn)為設(shè)備鎖定。同時(shí)，可以檢查前面介紹的各個(gè)指標(biāo)以確定設(shè)備鎖定在系統(tǒng)中的哪個(gè)時(shí)鐘上，優(yōu)先級(jí)是否正確，PTP profile是否生效。

ST2110同步系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)階段的ST2110系統(tǒng)周邊或備份系統(tǒng)還在使用基帶的相關(guān)設(shè)備，且某些ST2110設(shè)備也還需要傳統(tǒng)同步才可保證信號(hào)傳輸和處理，因此目前階段的同步系統(tǒng)如下圖所示：

圖48 BB與PTP融合架構(gòu)

因此在系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)，除去PTP檢測(cè)，還需要對(duì)融合架構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，需要注意的一個(gè)是PTP和BB的相位差，十字重合為最好，確保應(yīng)急切換時(shí)，IP鏈路和基帶鏈路的相位一致，不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題;還有一個(gè)是確保BB輸出中含有VITC，這樣保證即使基帶源轉(zhuǎn)換成IP信號(hào)后，幀還是對(duì)齊的。

不同系統(tǒng)架構(gòu)的PTP應(yīng)急檢測(cè)

如前文架構(gòu)圖所示，同步系統(tǒng)是一個(gè)整體架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分的考慮了：主備冗余、多鏈路的保護(hù)、主備同步機(jī)的同步，最終實(shí)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)單個(gè)故障時(shí)系統(tǒng)依舊保持穩(wěn)定。

但是由于設(shè)置問(wèn)題或系統(tǒng)部分故障未能發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，造成嚴(yán)重后果，因此在系統(tǒng)測(cè)試階段還需要對(duì)同步系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急倒換測(cè)試。

情況一：主同步機(jī)斷電

如下圖，在單GPS系統(tǒng)中，將主同步機(jī)斷電，進(jìn)行系統(tǒng)倒換測(cè)試：

圖49 測(cè)試主同步機(jī)斷電應(yīng)急倒換

測(cè)試結(jié)果應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)BB與PTP均倒換到備同步機(jī)，即device上PTP的優(yōu)先級(jí)應(yīng)為priority1：2，priority2：2，基帶倒換器上應(yīng)倒換為備路同步機(jī)BB輸入，若出現(xiàn)其他情況需排查系統(tǒng)設(shè)置是否有問(wèn)題。

情況二：丟失GPS

當(dāng)測(cè)試外同步丟失的情況時(shí)，由于只是同步主機(jī)外同步丟失，同步機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到stay in genlock或stay in sync的保護(hù)模式，同步機(jī)保持晶振直到重新鎖定GPS。在stay in genlock的模式下，由于產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)的設(shè)備未在系統(tǒng)中離線，系統(tǒng)會(huì)保持鎖定在主同步機(jī)上，device上依舊顯示priority1：1，priority2：1,但是在示波器上可以看到時(shí)鐘源已經(jīng)轉(zhuǎn)移到同步機(jī)上了。

圖50 測(cè)試GPS丟失情況的應(yīng)急倒換

圖51 系統(tǒng)自動(dòng)切換到同步機(jī)發(fā)生PTP

情況三：PTP上聯(lián)交換機(jī)斷電

此外，還有交換機(jī)斷電的情況，當(dāng)同步機(jī)上聯(lián)的交換機(jī)意外斷電，主路PTP丟失，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)會(huì)自動(dòng)鎖定到備同步機(jī)PTP上，device上顯示priority1：2，priority2：2，此時(shí)需要注意的是雖然PTP倒換到備同步機(jī)上，但是BB依舊鎖定在主同步機(jī)，不過(guò)由于主備是互鎖的，備路的BB信號(hào)與主路相位處于統(tǒng)一水平，不必?fù)?dān)心BB信號(hào)會(huì)對(duì)應(yīng)急切換產(chǎn)生影響。

圖52 測(cè)試PTP上聯(lián)交換機(jī)斷電應(yīng)急情況

情況四：PTP心跳線斷開

最后一種情況是主備交換機(jī)的心跳線斷開，這種情況下由于備路交換機(jī)鎖定到最高優(yōu)先級(jí)的時(shí)鐘是備同步機(jī)，如圖所示，這種情況下，主鏈路鎖定主時(shí)鐘，備系統(tǒng)鎖定備時(shí)鐘。系統(tǒng)設(shè)備的輸出也不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。

圖53 測(cè)試主備系統(tǒng)PTP心跳線斷開應(yīng)急情況

以上我們都是討論單GPS的系統(tǒng)，由于備同步機(jī)鎖定主同步機(jī)，應(yīng)急情況也相對(duì)簡(jiǎn)單。但是當(dāng)系統(tǒng)中主備同步機(jī)各自鎖定GPS時(shí)，倒換情況會(huì)更加復(fù)雜一些，篇幅有限，以后有機(jī)會(huì)再詳細(xì)討論。我們只要記住系統(tǒng)一定會(huì)根據(jù)BMCA算法計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)中的最佳時(shí)鐘并鎖定，就可以了。

本期主要介紹了PTP的測(cè)量指標(biāo)，以及系統(tǒng)性檢查同步系統(tǒng)的情況，希望對(duì)大家有所幫助，真氣猶在，必當(dāng)盡力而為。下期我們將介紹數(shù)據(jù)流特性的檢測(cè)，包含2110-10的一部分內(nèi)容，以及2110-20，-30，-40標(biāo)準(zhǔn)。

原文標(biāo)題：IP測(cè)量探索(四)——PTP同步測(cè)量

文章出處：【微信公眾號(hào)：索尼中國(guó)專業(yè)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

審核編輯：湯梓紅