關(guān)于廣電網(wǎng)絡(luò)化改造中時(shí)間基準(zhǔn)的研究

文/張謙

隨著技術(shù)的革新，受眾的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)媒體與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合已經(jīng)是無(wú)可爭(zhēng)議的要求。傳統(tǒng)媒體的內(nèi)容與新媒體的技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)資源通融、傳播互融、利益共融。通過(guò)研究網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)中一直都是以技術(shù)為引領(lǐng)，所以以技術(shù)為引領(lǐng)也是我們廣電發(fā)展的必然之路。而在專業(yè)廣播電視轉(zhuǎn)向基于IP架構(gòu)的過(guò)程中，始終存在一個(gè)主要的障礙，就是網(wǎng)絡(luò)控制。本質(zhì)上講，IP網(wǎng)絡(luò)缺乏真實(shí)的實(shí)時(shí)廣播環(huán)境所需要的預(yù)測(cè)性和服務(wù)質(zhì)量（QoS）。網(wǎng)絡(luò)阻塞、帶寬管理、網(wǎng)絡(luò)配置以及新設(shè)備加入或舊設(shè)備移除導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化的識(shí)別和計(jì)算，以及新技術(shù)帶來(lái)的故障排除時(shí)效性問(wèn)題等等都會(huì)讓現(xiàn)有的廣播工作變得更加復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們除了要規(guī)定好傳輸信號(hào)的規(guī)范以外，信號(hào)/設(shè)備的時(shí)間基準(zhǔn)是另一個(gè)大問(wèn)題。

1.時(shí)間基準(zhǔn)技術(shù)介紹

隨著AES67標(biāo)準(zhǔn)的提出，信號(hào)傳輸?shù)囊?guī)范已經(jīng)有了基本協(xié)議。現(xiàn)在的各種AOIP 方案都是以AES67為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。但是不管是RANVENA、Dante還是LiveWire+都是把實(shí)時(shí)的音視頻轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)流，而為了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)分組打包傳輸?shù)睦砟?，整個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)鐘。因?yàn)闀r(shí)間的偏差會(huì)導(dǎo)致IP網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)成包和數(shù)據(jù)交換產(chǎn)生錯(cuò)誤并最終導(dǎo)致丟包錯(cuò)序。盡管使用IGMP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的優(yōu)先性，但是隨著錯(cuò)誤的累加，會(huì)造成數(shù)據(jù)交換的延時(shí)，當(dāng)該延時(shí)超過(guò)512個(gè)采樣值后，對(duì)端解碼出來(lái)的的實(shí)時(shí)音視頻就會(huì)中斷，這對(duì)廣電的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)要求是致命的。

所以在IP環(huán)境下，我們同樣需要為廣播應(yīng)用提供一個(gè)等同于原先傳統(tǒng)同步機(jī)制的時(shí)間基準(zhǔn)。為了在以IP為基礎(chǔ)的分組傳送網(wǎng)絡(luò)中承載實(shí)時(shí)的視音頻數(shù)據(jù)流，業(yè)界先后提出了幾種分組時(shí)鐘技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)同步。分別有：TOP（TimingoverPacket）、以太網(wǎng)物理層同步、IEEE1588V1/IEEE1588V2、NTP（Network Time Protocol）。

TOP（TimingoverPacket）技術(shù)就是通過(guò)算法和封裝格式將本地時(shí)鐘信息放入數(shù)據(jù)包（packet）中發(fā)送，在接收端從包中恢復(fù)時(shí)鐘，盡量避免網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)程中帶來(lái)的損失。使用TOP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的同步。優(yōu)點(diǎn)是：支持網(wǎng)絡(luò)透?jìng)?，不要求中間設(shè)備支持TOP，運(yùn)用靈活，實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是：時(shí)鐘的質(zhì)量依賴于網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，受網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動(dòng)、丟包、錯(cuò)序的影響非常大；沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，不能支持時(shí)間同步。

以太網(wǎng)物理層同步就是徹底改造異步網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)同步。采用了類似SDH的方式，直接利用以太網(wǎng)物理層面的提醒，從串行數(shù)據(jù)碼流恢復(fù)時(shí)鐘，與TOP技術(shù)利用數(shù)據(jù)包進(jìn)行同步不同，與業(yè)務(wù)中數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。采用專用的數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信息的傳遞。優(yōu)點(diǎn)是時(shí)鐘同步質(zhì)量?jī)?yōu)良，接近于SDH網(wǎng)絡(luò)；不受網(wǎng)絡(luò)影響；目前SDH網(wǎng)絡(luò)方案比較成熟。缺點(diǎn)是：不是所有的以太接口都可以恢復(fù)時(shí)鐘；需要全網(wǎng)部署。

IEEE1588是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用PTP(精確時(shí)鐘同步)協(xié)議，精度可以達(dá)到微秒級(jí)。IEEE1588是采用了時(shí)戳技術(shù)來(lái)保證達(dá)到這么高的精度，時(shí)戳（TS-Time stamp）是用于標(biāo)記傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)間。當(dāng)使用以太網(wǎng)報(bào)文傳送PTP消息時(shí)，1588V2協(xié)議將時(shí)間戳的點(diǎn)插入到以太網(wǎng)幀的前導(dǎo)碼后面的第一個(gè)比特位中，位于網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包之前。將時(shí)戳處理下到了數(shù)據(jù)鏈路層以下，利用硬件來(lái)記錄報(bào)文到達(dá)和離開的時(shí)間，極大提高了時(shí)戳的精確性[1]。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)于2002年底由IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)支持并通過(guò)，并與2007年完成V2的修訂。優(yōu)點(diǎn)是：時(shí)間和頻率同步；同步精度高；是業(yè)界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是：不支持非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)；需要軟硬件升級(jí)。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）用來(lái)在分布式服務(wù)器和客戶端之間進(jìn)行時(shí)間同步，是由RFC 1305定義的時(shí)間同步協(xié)議。NTP基于UDP報(bào)文進(jìn)行傳輸，使用的UDP端口號(hào)為123。NTP技術(shù)與IEEE1588類似，IEEE1588的時(shí)間戳處理在數(shù)據(jù)鏈路層，NTP的時(shí)間戳處理在網(wǎng)絡(luò)層，由于從網(wǎng)絡(luò)層到鏈路層封裝和鏈路層到網(wǎng)絡(luò)層解包的不確定延時(shí)，會(huì)導(dǎo)致NTP的誤差達(dá)到十幾個(gè)毫秒，嚴(yán)重影響時(shí)間恢復(fù)的精度。

2.關(guān)鍵技術(shù)分析

雖然整個(gè)AOIP網(wǎng)絡(luò)可以建設(shè)成為比較簡(jiǎn)單的局域網(wǎng)，但是考慮到隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)應(yīng)用到廣域網(wǎng)的需要，我臺(tái)在項(xiàng)目建設(shè)中選用了IEEE1588V2作為我們整個(gè)AOIP網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)鐘技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)示意圖如下：

在IEEE1588協(xié)議中有一個(gè)很重要的技術(shù)是BMC（Best Master Clock）算法。該算法能夠保證在時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備都可以作為主時(shí)鐘，大大提高了時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。BMC（Best Master Clock）算法由數(shù)據(jù)集比較算法和狀態(tài)決策算法2個(gè)部分組成。其中的狀態(tài)決策算法是采用數(shù)據(jù)集比較算法來(lái)界定本地時(shí)鐘的端口狀態(tài)，因此狀態(tài)決策算法實(shí)際上是進(jìn)行多次數(shù)據(jù)集比較算法的合集[2]。具體到IEEE1588協(xié)議中，數(shù)據(jù)集比較算法比較的信息是自身的時(shí)鐘信息和主時(shí)鐘的時(shí)鐘信息。具體是按照以下3個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行。

（1）對(duì)參與比較的2個(gè)主時(shí)鐘的UUID域進(jìn)行比較，如果兩者的主時(shí)鐘是同一個(gè)，則轉(zhuǎn)到第2步，若不是同一個(gè)，則通過(guò)比較主時(shí)鐘的時(shí)鐘特性來(lái)決定使用哪一個(gè)作為主時(shí)鐘。

（2）若參與比較的主時(shí)鐘是同一系統(tǒng)或地位等效，則對(duì)本地時(shí)鐘到主時(shí)鐘的路徑長(zhǎng)短進(jìn)行比較。路徑長(zhǎng)度最短的時(shí)鐘決定使用為主時(shí)鐘。

（3）若以上第2個(gè)步驟比較結(jié)果也相同，則對(duì)比對(duì)的兩個(gè)時(shí)鐘的接收端口號(hào)進(jìn)行比較，選擇其中端口號(hào)小的選為主時(shí)鐘。若接收端口號(hào)仍相同，則比較時(shí)鐘的sequence的ID值，值大的則選擇為主時(shí)鐘[3]。

3.網(wǎng)絡(luò)化改造注意問(wèn)題

按照n=c/v，其中真空中光速為c=299，792，458米/秒，n代表光纖折射率，一般采用安捷倫OTDR測(cè)試儀中給出的推薦值1.458，那么：v=c/n=299，792，458/1.458=205618969m/s；計(jì)算1米光纖的延時(shí)：1/v=4.86e-9s/m=4.86ns/m。也就是說(shuō)1米光纖的傳輸延時(shí)約5ns，根據(jù)1588V2時(shí)間同步計(jì)算公式，大概由400米的光纖不對(duì)稱就會(huì)引入1us的時(shí)間同步誤差，1米的不對(duì)稱將引入2.5ns的時(shí)間同步誤差。IEEE1588協(xié)議對(duì)光纖的非對(duì)稱性要求很高，所以我臺(tái)在部署AOIP網(wǎng)絡(luò)時(shí)分別采用以下兩種措施來(lái)避免光纖的不對(duì)稱：一是注意減少光纖的使用量；二是每個(gè)通路都采用兩根光纖，一根負(fù)責(zé)上行，一根負(fù)責(zé)下行。在實(shí)際使用中AOIP信號(hào)的延時(shí)基本在0.1us以下，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸沒(méi)有造成影響。

為了能夠在提供穩(wěn)定的IEEE1588時(shí)鐘的同時(shí)與GPS校時(shí)，我臺(tái)選擇了sonifex公司的AVN-GMCS系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品自帶GPS接收器、鎖相環(huán)和專用車載時(shí)鐘設(shè)備來(lái)保證在與GPS信號(hào)同步的同時(shí)產(chǎn)生精確、低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)。能夠提供PTPv2和WordClock兩種格式的同步信號(hào)，即可以作為AES67的PTP主時(shí)鐘，也可以兼容現(xiàn)有的設(shè)備。根據(jù)我臺(tái)實(shí)際情況，我們選用了內(nèi)置芯片級(jí)銫原子鐘的型號(hào)，在GPS信號(hào)丟失的情況下，也可以保證最壞情況下每11.5天正負(fù)1秒的損耗。

結(jié)語(yǔ)

隨著SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)中把IEEE1588V2時(shí)鐘列為的支持，更進(jìn)一步證明了，IEEE1588是一個(gè)廣義的標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)覆蓋范圍、應(yīng)用領(lǐng)域極廣的PTP標(biāo)準(zhǔn)。在我臺(tái)部署使用該P(yáng)TP標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，可以方便現(xiàn)有的音頻網(wǎng)絡(luò)與未來(lái)的視頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)完美融合，為以后IP數(shù)據(jù)流在更廣闊的網(wǎng)絡(luò)中使用提供穩(wěn)固的基礎(chǔ)。