E2E與P2P的差異及在PTP部署中的探討

羅春彧

（廣東廣播電視臺(tái)，廣東 廣州 510000）

長(zhǎng)久以來，在視頻網(wǎng)絡(luò)中，SDI系統(tǒng)以其高質(zhì)量、低抖動(dòng)、低延遲、部署簡(jiǎn)單、無專利壁壘等各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)穩(wěn)居頭端。但隨著規(guī)模擴(kuò)大，4K/8K超高清需求的提升，SDI網(wǎng)絡(luò)在便利性及靈活性上拓展空間有限。此時(shí)，能否充分利用IT的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行IP網(wǎng)絡(luò)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(luò)除了帶來靈活度和擴(kuò)展性外，相對(duì)應(yīng)的也增加了額外挑戰(zhàn)。例如抖動(dòng)、延時(shí)、丟包、網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱（上下路徑差異或端口隊(duì)列導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱）。本文僅針對(duì)最后一項(xiàng)進(jìn)行討論，在應(yīng)用中，P2P和E2E是兩種重要的延遲測(cè)量機(jī)制，對(duì)理解PTP有很大幫助。

一、對(duì)PTP的相關(guān)說明及概念陳述

（一）時(shí)間精度

PTP的精度可達(dá)亞微米級(jí)，而NTP等網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議一般是毫秒級(jí)。在需要幀處理的視頻網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，PTP才可以實(shí)現(xiàn)同步需求。

高精度PTP設(shè)備（也有軟件實(shí)現(xiàn)，但精度相應(yīng)降低）通過硬件支持，直接在MAC層進(jìn)行協(xié)議包分析，不經(jīng)過UDP協(xié)議棧，減少駐留時(shí)間。

（二）PTP相關(guān)名詞回顧

PTP構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)稱為時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，協(xié)議定義了以下三類：

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

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

TC（transparent clock） 可測(cè)量PTP報(bào)文在其內(nèi)部傳輸?shù)臅r(shí)間，并在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)提供相應(yīng)矯正。

E2E（End-to-End） 通過Delay_Request和Delay_Response報(bào)文進(jìn)行延遲計(jì)算的一種方法。

P2P（Peer-to-Peer） 通過Pdelay_Req和Pdelay_ Resp報(bào)文進(jìn)行延遲計(jì)算的一種方法。

（三）計(jì)算涉及的重要報(bào)文

Sync：同步消息報(bào)文，一般由主鐘發(fā)給從鐘，可攜帶時(shí)間標(biāo)

簽，也可在后續(xù)Follow up報(bào)文中攜帶

Delay Req：請(qǐng)求對(duì)端返回接收到此報(bào)文的時(shí)間，時(shí)間嵌入在Delay Resp報(bào)文中。

Delay Resp：對(duì)上述報(bào)文的響應(yīng)，攜帶時(shí)間標(biāo)記。

Pdelay Req：發(fā)起鏈路延時(shí)請(qǐng)求，類似Delay Req功能。

Pdelay Resp：對(duì)上述報(bào)文的響應(yīng)。

Pdelay Resp Follow up：攜帶響應(yīng)發(fā)生時(shí)的時(shí)間標(biāo)記。

二、E2E與P2P的差異

計(jì)算方法簡(jiǎn)析：

先以通用的E2E為例：首先由master主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文開啟時(shí)間同步（在two-step clock中，時(shí)間標(biāo)記由后續(xù)Follow-up報(bào)文協(xié)議，one-step clock中則由Sync攜帶，除非設(shè)計(jì)PTP設(shè)備，實(shí)際工程使用中并無太大影響），發(fā)送時(shí)間標(biāo)記T1，slave從鐘接收到報(bào)文后記錄時(shí)間標(biāo)記T2。Slave隨后向Master發(fā)送Delay Req報(bào)文并記錄時(shí)間標(biāo)記T3，master收到后再回復(fù)報(bào)文Delay resp，并發(fā)送時(shí)間標(biāo)記T4給slave。由此slave將得到T1，T2，T3，T4四個(gè)時(shí)間標(biāo)記。設(shè)master和slave之間存在的時(shí)間差異為“offset”，單條鏈路延遲為“delay”，同時(shí)假定雙向鏈路延遲相等。可以得到如下等式：

T2=T1+delay+offset

T4=T3-offest+delay

為了得到offest的值，又因?yàn)閮蓚€(gè)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(jì)算結(jié)果調(diào)整自己的時(shí)鐘。

問題：上述結(jié)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(diào)整值。

實(shí)際情況：在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，考慮到報(bào)文在端口排隊(duì)的時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)整體的結(jié)構(gòu)，上下行鏈路未必是對(duì)稱的，尤其在經(jīng)過多臺(tái)交換設(shè)備后差異尤為顯著。

優(yōu)化方法：在E2E算法中，有一個(gè)假設(shè)非常關(guān)鍵：即雙向鏈路對(duì)等，但這個(gè)假設(shè)是針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，如果網(wǎng)絡(luò)較大，中間交換設(shè)備較多那這個(gè)假設(shè)容易出現(xiàn)問題。換言之，如果縮小規(guī)模，甚至針對(duì)單條電纜進(jìn)行假設(shè)那鏈路對(duì)稱則更為可靠，這就是P2P算法的基本原理。

（1） 在P2P的運(yùn)算機(jī)制下，要求網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)交換設(shè)備都運(yùn)行P2P算法。如上圖所示，同樣是4個(gè)時(shí)間標(biāo)記，運(yùn)算法則與第1小點(diǎn)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(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而P2P得到的Delay值僅發(fā)生在設(shè)備與設(shè)備之間，即每臺(tái)設(shè)備間的delay值都可以獲知并得到響應(yīng)。由此解決網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱帶來上下行鏈路差異的問題。

（2） 具體應(yīng)用場(chǎng)景。如上所述，是否說明P2P比E2E更有優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)部署時(shí)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(luò)中每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)都能支持TC或BC模式，簡(jiǎn)言之，網(wǎng)絡(luò)中不能存在普通交換機(jī)。如果存在普通交換機(jī)，它無法識(shí)別和響應(yīng)Pdelay報(bào)文，無法測(cè)算它與周邊的鏈路延遲，將導(dǎo)致全網(wǎng)時(shí)鐘計(jì)算出現(xiàn)偏誤。E2E更為通用，如果系統(tǒng)內(nèi)存在大量已購(gòu)的普通交換機(jī)，采用E2E是更好的選擇。

（3） P2P的幾個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)總結(jié)。鏈路間都是定期測(cè)量的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路徑發(fā)生改變時(shí)，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?yàn)镻2P是在設(shè)備與設(shè)備間運(yùn)行的，簡(jiǎn)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(shè)備而產(chǎn)生差異。

減少master的負(fù)載，尤其是當(dāng)鏈路中存在大量slave時(shí)，因?yàn)樗恍璋l(fā)送同步報(bào)文即可。延時(shí)測(cè)算報(bào)文并不需要master進(jìn)行響應(yīng)。

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(guó)內(nèi)尚未有機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，以下結(jié)論引自Arista工程師Nicholas Ciarleglio，Thomas Edwards和Robert Welch在規(guī)模化部署PTP時(shí)進(jìn)行的相關(guān)測(cè)試（僅兩點(diǎn)為例）：

（1） 交換設(shè)備在TC模式下運(yùn)行P2P算法，并遵循ST2059-2協(xié)議的默認(rèn)包速率。

在此模式下，交換設(shè)備處理單個(gè)slave收發(fā)的報(bào)文總計(jì)為68個(gè)/s，當(dāng)終端數(shù)量達(dá)到438臺(tái)時(shí)，交換設(shè)備（7500R系列）的cpu利用率達(dá)到100%。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制在四百多臺(tái)設(shè)備。在降低速率的情況下可以提高支持的設(shè)備數(shù)量，但要犧牲鎖定的時(shí)間。

（2） 交換設(shè)備在TC模式下運(yùn)行E2E算法，遵循默認(rèn)組播方式，遵循ST2059-2協(xié)議默認(rèn)的包速率。

因?yàn)檫\(yùn)行E2E算法，按理并不會(huì)占用交換設(shè)備的處理資源，slave規(guī)模應(yīng)該增大，但實(shí)際情況僅支持40臺(tái)。究其原因，分析為默認(rèn)的組播地址下報(bào)文交互在交換機(jī)端口上并未隔離或處理，由此導(dǎo)致單臺(tái)slave需要從海量的報(bào)文中選出自己所需的少部分報(bào)文?？赏ㄟ^單播或者ACL策略的方式解決。

四、總結(jié)

本文所述僅是IP視頻網(wǎng)絡(luò)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(shè)置隔離問題以及其他各項(xiàng)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(yīng)用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，任重而道遠(yuǎn)。