PTP測量指標(biāo)與PTP同步系統(tǒng)檢測方法

王辰生

書接上文，前幾期我們介紹了IP測試工具和IP測量的思路，接下來三期就將基于項(xiàng)目中實(shí)際面對IP系統(tǒng)的測量經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，針對性的介紹IP測量的實(shí)踐內(nèi)容。本期主要介紹PTP測量的相關(guān)內(nèi)容。本文旨在交流探討，如有不足，還請各位指正。

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

首先，我們還是從這張表來看，根據(jù)我們測量的內(nèi)容，簡單的把這些檢測項(xiàng)分成4個大類，分別是：

1PTP同步的相關(guān)檢測，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，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，主要有2110-21的流量整形檢測和2022-7的冗余傳輸檢測;

4控制方面的檢測，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)，無規(guī)定值指標(biāo)。建議值指標(biāo)和無規(guī)定的指標(biāo)只能作為定性分析的判斷依據(jù)，無法作為判斷信號是否合格的指標(biāo)。

圖30 參考值指標(biāo)分類

一、PTP測量指標(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)時原點(diǎn)(SMPTE Epoch：1970.01.01.0000)

定義了信號與時間原點(diǎn)校準(zhǔn)對齊的算法

定義了通過1588計(jì)算時間碼(LTC，VITC)的算法

SMPTE 2059-2則是在IEEE 1588協(xié)議基礎(chǔ)上，針對廣播電視應(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”，例如主時鐘“master clock”變?yōu)椤發(fā)eader clock”。下圖簡單列出了新的變化。

圖32 標(biāo)準(zhǔn)變化

梳理標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)戰(zhàn)，匯總以下測量內(nèi)容。

圖33 PTP的測量

首先我們需要梳理系統(tǒng)中PTP的測量思路，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)介紹這些測試內(nèi)容。

1. PTP status

首先第一項(xiàng)是PTP status，這一項(xiàng)很簡單，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GMID來判斷當(dāng)前設(shè)備鎖定在系統(tǒng)中的哪個時鐘上。當(dāng)主備鏈路都鎖定完成時，GMID會有兩個地址，如果都鎖定到一臺同步機(jī)上，那么地址會相同。

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，通過讀取數(shù)值，來判斷從設(shè)備是否鎖定在我們所設(shè)定的同步域中。我們在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時就需要確認(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，最后我們的測試設(shè)備在測量時讀到的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(最佳主時鐘算法)的檢測，BMCA本質(zhì)雖然只是個算法，但是其需要借多項(xiàng)報(bào)文值來對優(yōu)先級進(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)目前鎖定時鐘的級別，以及系統(tǒng)鎖定在哪臺時鐘上。

圖37 BMCA算法

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

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

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

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

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

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報(bào)文來計(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)中或主時鐘存在問題。

圖40 不同profile的message rates

Message rate一般由6組報(bào)文來構(gòu)成，分別是：

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

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

Follow-up：主設(shè)備發(fā)送完sync報(bào)文后，會發(fā)送一個帶有t1信息的follow-up報(bào)文來給從時鐘。

Delay Request：從設(shè)備發(fā)出的Delay Request報(bào)文，用來標(biāo)記t3，主設(shè)備通過這個報(bào)文來計(jì)算出t4.

Delay Response：Delay Response是從主設(shè)備發(fā)出的，包含t4時間戳，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用來修正主、從時鐘的時間差，同時也可以判斷從設(shè)備是否鎖定PTP。ST2059-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：同一時刻任意兩個slave device(從設(shè)備)的時間差在1us(即1000ns)之內(nèi)時，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)描述的是整個系統(tǒng)的同步，但是在實(shí)際系統(tǒng)中無法直接測量同一時刻所有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PTP抖動。

圖42 Telestream示波器offset測量

圖43 Leader示波器offset測量

Time delay測量網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延遲時間，根據(jù)計(jì)算出的offset值修正從時鐘以矯正時間。Time delay沒有標(biāo)準(zhǔn)的參考值，我們只能說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，當(dāng)前系統(tǒng)多為BB/PTP融合系統(tǒng)，雖然同一個同步機(jī)輸出的BB與PTP能夠保持相位一致，但由于BB信號是模擬信號，經(jīng)過不同距離傳輸有可能導(dǎo)致相位發(fā)生變化，而此時系統(tǒng)中BB與PTP是否保持一致也變成了一個關(guān)鍵點(diǎn)。

那么二者的同步可以測量嗎?可以!

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

圖45 Telestream示波器檢測BB/PTP相位差

圖46 Leader示波器檢測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，對于PTP的檢測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、交換機(jī)進(jìn)行鏈路檢測、設(shè)備檢測等，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)檢測方法

說了PTP的測量指標(biāo)，下面我們來介紹系統(tǒng)性檢查PTP同步的方法，尤其是在一個網(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)接都會對最終測量到的PTP值產(chǎn)生影響。

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

圖47 PTP檢測思路

最簡單的判斷結(jié)果就是，被檢測的節(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，可以檢查前面介紹的各個指標(biāo)以確定設(shè)備鎖定在系統(tǒng)中的哪個時鐘上，優(yōu)先級是否正確，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)檢測時，除去PTP檢測，還需要對融合架構(gòu)進(jìn)行檢測，需要注意的一個是PTP和BB的相位差，十字重合為最好，確保應(yīng)急切換時，IP鏈路和基帶鏈路的相位一致，不會出現(xiàn)問題;還有一個是確保BB輸出中含有VITC，這樣保證即使基帶源轉(zhuǎn)換成IP信號后，幀還是對齊的。

不同系統(tǒng)架構(gòu)的PTP應(yīng)急檢測

如前文架構(gòu)圖所示，同步系統(tǒng)是一個整體架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時充分的考慮了：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)單個故障時系統(tǒng)依舊保持穩(wěn)定。

但是由于設(shè)置問題或系統(tǒng)部分故障未能發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)會發(fā)生抖動，造成嚴(yán)重后果，因此在系統(tǒng)測試階段還需要對同步系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急倒換測試。

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)倒換測試：

圖49 測試主同步機(jī)斷電應(yīng)急倒換

測試結(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)置是否有問題。

情況二：丟失GPS

當(dāng)測試外同步丟失的情況時，由于只是同步主機(jī)外同步丟失，同步機(jī)會自動進(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)先級的設(shè)備未在系統(tǒng)中離線，系統(tǒng)會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鐘源已經(jīng)轉(zhuǎn)移到同步機(jī)上了。

圖50 測試GPS丟失情況的應(yīng)急倒換

圖51 系統(tǒng)自動切換到同步機(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)先級會自動鎖定到備同步機(jī)PTP上，device上顯示priority1：2，priority2：2，此時需要注意的是雖然PTP倒換到備同步機(jī)上，但是BB依舊鎖定在主同步機(jī)，不過由于主備是互鎖的，備路的BB信號與主路相位處于統(tǒng)一水平，不必?fù)?dān)心BB信號會對應(yīng)急切換產(chǎn)生影響。

圖52 測試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)先級的時鐘是備同步機(jī)，如圖所示，這種情況下，主鏈路鎖定主時鐘，備系統(tǒng)鎖定備時鐘。系統(tǒng)設(shè)備的輸出也不會發(fā)生抖動。

圖53 測試主備系統(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)急情況也相對簡單。但是當(dāng)系統(tǒng)中主備同步機(jī)各自鎖定GPS時，倒換情況會更加復(fù)雜一些，篇幅有限，以后有機(jī)會再詳細(xì)討論。我們只要記住系統(tǒng)一定會根據(jù)BMCA算法計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)中的最佳時鐘并鎖定，就可以了。

本期主要介紹了PTP的測量指標(biāo)，以及系統(tǒng)性檢查同步系統(tǒng)的情況，希望對大家有所幫助，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，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測量探索(四)——PTP同步測量

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審核編輯：湯梓紅