本文从精准时间协议PTP 的基本概念出发，介绍了PTP 同步的基本原理和组网方式，分析对比了该协议中用于测量传输延时的两种机制，并结合广东台4K 超高清演播室的实际应用介绍了配置的要点。IP PTP 同步 延时测量机制 超高清技术是现时广电行业发展的热词，采用IP 架构是电视中心系统重要的发展方向。IP 网络给广电工程师的 工作带来很多新概念和新要求，其中作为同步基础的精准时间协议（PTP - Precision Time Protocol ）显得尤为重要，它是SMPTE ST 2110和AES67两个标准中不可或缺的组成部分，SMPTE 和AES 也分别制定了各自的PTP 配置文件，可见PTP 在广电领域有着广阔的应用前景。与传统基带系统不同，IP 网络属于异步传输系统，信道内能够双向传输多种业务数据。为了在异步传输网络中对视音频数据包实现帧级别的同步，则必须引入PTP 精准时间协议。此外，传统基带系统离不开黑场、三电平和字时钟等同步分发网络，制作系统IP 化后利用PTP 这种带内传输的同步方式可以节省专门部署同步网络的成本，简化系统的物理结构，提高网络的整合度。一 PTP 同步“原点”：历元PTP 以国际原子时（TAI - International Atomic Time ）为参考，将1970年1月1日0时0分0秒定为历元，所有事件的时间均以这一时刻作为参考原点进行计时及对齐等相关操作。那么历元是如何具体参与到PTP 同步呢？参照传统基带系统，为了实现设备间的PTP 同步，我们需要做两件事：一是建立一个可靠的同步源，二是确定各类信号的时间参考点。确定时间参考点就是建立历元的根本原因， 有了它便可以为IP 制作中的视音频及各种周期信号提供统
便可计算出信号过去或未来的任意一个参考对齐点。
二 软件时间戳与硬件时间戳概念PTP 的核心思想是利用其关键报文携带的时间戳信息将各个设备的内部时钟同步到网络主时钟，因此其数据要含有准确的时间标记。记录时间戳有软件和硬件两种方式，软件时间戳是指在应用层上对数据打时间戳，其优点是无需硬件支持，节省组网成本。由于收发双方会受协议 栈缓存、任务调度等影响，在应用层往往不能精准地打上时间戳，因此它实现的同步精度比较低。硬件时间戳指的是在网络链路层上打下的时间戳，它克服了软件时间戳精度不高的缺点。为了实现PTP 的亚微秒级精度，就要使用支持IEEE 1588 v2标准的设备精确记录数据收发时刻。显然，这要求设备本身要有优质晶振驱动的高精度时钟才能实现。
PTP 将其数据分为两类：事件信息和普通信息。事
件信息指的是在其收发时加上时间戳，它包括同步报文
（Sync ），延时请求信息（Delay_Req ）。普通信息则不需
要添加时间戳，它包括广播报文（Announce ），跟随报文（Follow_Up ），管理信息（Management ）和信令信息（Signaling ）。
和透明时钟来处理该问题。再加上普通时钟，PTP 一共定义了三种时钟类型，如表1。实际应用中，网络最优主时钟的信号来源大多来自于
GPS 或GLONASS 的信号。四 PTP 域和端口状态的概念域是PTP 对其网络结构的一种分区方式，一般在规模较大的广域网中会用到这种划分。同一个域内只能有一个主时钟，但同一个网络中可以存在多个不同的域。通常用边界时钟作为域的划分边界，该域以内的系统可以理解成定了相关设备端口具有主、从、被动三种状态，PTP 的最佳主时钟算法根据层级关系和域的情况来设置端口状态，
屏蔽部分链接（仅对PTP 数据而言），将
闭环结构改为非闭环的树状结构。以图1为例，边界时钟B 与C 之间有链接，
通过最佳主时钟算法选出主时钟后，除了确定网络设备中各个端口的主从状态外，还会将这两个端口设为被动状态，屏蔽这一链接以构成树状拓扑结构。当然，这些状态并非一成不变，随着最佳
主时钟算法更新主时钟的位置，端口状
态会相应地动态更新。
五 PTP 同步原理和过程
以前，家里挂钟的走时都是根据收音机的报时来调整
的；由于挂钟精度不高，使用一段时间后时间又会跑偏，纳米除臭装置
所以每隔一段时间便需要再根据报时调整一次，如此反
复，便能让挂钟准确显示时间。可以看出，我们认定了收音机的报时是准确可靠的，并通过反复对时调整来修正误差。事实上，PTP 的同步原理跟这个模式有点类似，它分为两个阶段：
建立主从关系：分析各
个设备所发送广播信息中携带
的时钟参数信息，利用最佳主
美微乳时钟算法，决定各个端口的主
从状态。假如网络中的一个
PTP 设备开机启动，它便会进
入侦听（Listen ）状态，根据
能否接收到主时钟的广播报文
（Announce ）来判断网络中是
否有主时钟存在。假如在有效应
答时间内没有收到主时钟的广播
报文，那么它自己便会承担主时
钟角；假如在有效应答时间内
收到现有主时钟的广播报文，那
么它会与现有主时钟比较各自的
优先级和时钟质量，并以较好的
口的状态，形成树状网络结构。
锁定主从同步：同步锁定之前，从时钟与主时钟存在
偏移值，同时两者间亦存在传输延时值，因此确定这两个
数值便可以锁定主从同步。一旦主从关系确定后，PTP便
执行一系列操作计算出主从偏移值和传输延时值。
首先主时钟每隔一段时间向从时钟发送一个同步报文
（Sync），该报文包括它自身离开主时钟的时间值t1，从时
钟则记录接收到该报文的准确时间t2。如前所述，可以在
网络链路层上打硬件时间戳记录t1、t2这两个值，这样从
程控电压衰减器
折叠麻将桌时钟便能准确算出主从间的偏移值，这属于PTP的单步模
式。当设备不支持单步模式时，便需要双步模式来弥补：
人工鱼礁在同步报文发送后，主时钟会将发送的时间记录下来，然
后用跟随报文（Sync_Follow_Up）把t1值发送给从时钟，
从时钟通过同步报文和跟随报文计算出实际的偏移值。
若不考虑主从时钟之间的传输延时值delay_time，那么
凭借t1和t2便可以计算出主从偏移值offset_time，利用这
个值便可以修正从时钟的时间，实现主从同步。
然而，收发两者之间必然存在传输延时，为了测量这
个值，同步锁定过程还要继续：从时钟向主时钟发送延时
请求信息（Delay_Req），此时从时钟记下t3值，而主时钟
则记录该报文的到达时间t4。
接着主时钟向从时钟返回一个延时响应信息（Delay_
Resp），将t4值发送给从时钟，这时利用t1、t2、t3和t4四
个值便可以计算出主从之间的传输延时值以及主从偏移值。
六测量传输延时的两种机制
上述测量传输延时的方法由IEEE 1588 v1定义，称为
端到端（End to End）机制，即通过Delay_Req和Delay_
Resp两个信息正反向测量全路径延时值。当主从设备之
间的网络节点无法识别PTP信息时（即普通交换机或路由
器），就要用这种方法来测量传输延时。这种测量方法是建
立在传输路径不变的假设之上，显然，假如同步报文和延
时请求信息途经的路径不一致，按这种假设执行的同步就
会出现偏差，影响同步精度。例如，假定延时请求间隔比全自动打胶机
同步报文间隔长的话，前者经过的传输路径就有可能和后
者不同。
传输路径的不一致往往是由于网络拓扑比较复杂而造
成的，因此解决这个问题有两个方法：
z使用边界时钟，将较长的网络路径分段，变相将主
时钟位置往下游迁移，降低PTP信息路径不一致的概率；
z利用IEEE 1588 v2中引入的点到点（Peer to Peer）
机制。所谓点到点机制，又称对等机制，即通过Pdelay_
Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up来测量网络中
任意两个邻近节点之间的传输延时值。它的测量方法与端
到端机制类似（如图3），只不过它仅测量同一条物理链接
上的线路传输延时，而不是端到端机制那样由主时钟到从
时钟整段路径地测量（如图4）。因此，除非线路距离非常
之长，否则其测出来的延时值是十分可靠的。
根据上述边界时钟、透明时钟、端到端机制、点到点
机制，可以衍生出四种不同的时钟和测量机制组合，具体
通讯过程如图5和图6。
点到点传输延时测量过程（双步模式）（与端到端传输延时测量过程
自己与邻接设备之间的传输延时值。配合透明
时钟的滞留时间，同步报文每经过一个节点都
会更新它的校正字段信息。到达终点设备后，
整个路径累积的传输延时便能够在校正字段里
面反映出来。当网络拓扑较为复杂，层级关系
较多且不能使用边界时钟时，使用这种机制来
测量传输延时值是最好的，因为它不需要大费
周章与主时钟进行往返通信来测量传输延时
值，但它要求整个网络中的各个节点都能够识
别PTP 信息（以便读取和修改PTP 信息里面的
校正字段）。因此，要应用点到点机制，就要使
用能识别PTP 信息的交换机，假如交换机无法
识别PTP 信息，便不能对其做出响应以及进行
应有的测量和记录。
相对于端到端机制，点到点机
制的优势有：
z 所有链路的传输延时都是
周期性地测量；
z 同步报文和延时请求报文
不会通过两条不同的路径来传输，
因为点到点机制下不再存在（全路
径）延时请求和延时响应报文了。
当下游存在大量从时钟设备
时，主时钟不用按端到端机制那样
频繁响应，缓解了主时钟CPU 的
处理压力。
作为总结，现给出表2比较
广东台对原600平米、400平米、300平米演播室的视频系统进行了整体改造，构成一个演播室集，各演播室之间可集中调度制作资源以提高设备利用效率。整个系统是基于ST 2022-6/7的IP 视频架构，后续可升级为支持ST 2110标准的系统。系统同步源使用两台泰克的SPG8000A 同步发生器，它们产生的PTP 信号给予两台思科的9236C 交换机，具体连接如图7。其中，思科9000系列交换机有如下特点： z 支持IEEE 1588 v2标准； z 只支持边界时钟，不支持端到端或点到点透明时钟； z 思科建议PTP 设备和相关的下级交换机使用单步或
双步模式； z PTP 数据使用PTP over UDP over IP 方式转发，不支持PTP over Ethernet 方式（直接第二层封装）； z 在拥堵状态下处理和转发PTP 信息时，默认PTP 信息具有更高优先级，不需要额外为其设置QoS 。因此，我们两个交换机均作为边界时钟，使用端到端测量机制，系统从两个同步发生
器中选出主时钟后将PTP 信息传递到两个交换机，交换机再与下游设备执行PTP 同步。两台SPG8000A 的设置如下：主时钟Profile 选项设置为ST2059，域号设置为127，一级优先字段都设为128，二级优先字段设为127，单步模式，延时测量为端到端机制；备时钟的设置与主时钟唯一不同的地方是二级优先字段设为128。根据最优主时钟算法，二级优先字段数值较低的设备会被网络选为主时钟，因此备时钟处于候选状态，频附属数据空间中，所以Profile 直接选择ST2059。假如音
频系统是基于AES67的AoIP 方式，同时需要此PTP 同步的话，我们可以在设置界面中的Secondary Master 里面设置Pro file 为AES67，但此时要取不同于Primary Master 的域号（即域号不能为127，因为同一个PTP 域中只能有一个时钟源）；
z 如前所述，思科9000系列交换机默认PTP 信息具有更高优先级；但假若使用的交换机没有这个功能，可以在
SPG8000A 的PTP 网络设置中将事件信息（Event Message ）
的DSCP 值设为46，普通信息（General Message ）的DSCP
值设为0，这样可以利用QoS 将附带时间戳的事件信息进
行优先转发，保证网络中PTP 的同步精度。
八 总结
虽然IP 网络不同于传统SDI 系统，各个数据包的到达
顺序前后不一，同时数据包传输具有非固定延时的特性，
给PTP 同步的锁定带来挑战。所幸该协议利用上文提到的
策略和手段为IP 制作系统提供一个极为精确的同步信号，
满足广播级制作的高精度要求。在广电应用场合中，必须在组网阶段就要考虑到影响PTP 同步性能的各类外围因素以便充分发挥其优势，同时还要留意各类配置文件之间的兼容和设置问题。
参考文献
[1] Artel:《It ’s About Precision Time 》[2] Steve T. Watt, Shankar Achanta, Hamza Abubakari, and Eric Sagen Schweitzer
Engineering Laboratories, Inc.《Understanding And Applying Precision Time Protocol 》
[3] Wes Simpson:《Using IEEE 1588 PTP In Video Networks 》[4] Tektronix:《SPG8000A User Man
ual 》[5] SMPTE:《ST 2059-1:2015 Generation and Alignment of Interface Signals to the SMPTE Epoch 》
[6] SMPTE:《ST 2059-2:2015 SMPTE Pro file for Use of IEEE-1588 Precision Time Protocol in Professional Broadcast Applications 》[7] Audio Engineering Society:《AES67-2013: AES standard for audio applications of networks - High-performance streaming audio-over-IP interoperability 》
