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(shí)原點(diǎn)(SMPTE Epoch:1970.01.01.0000)
定義了信號與時(shí)間原點(diǎn)校準(zhǔn)對齊的算法
定義了通過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
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(shí)鐘上。當(dāng)主備鏈路都鎖定完成時(shí),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(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,最后我們的測試設(shè)備在測量時(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,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(shí)鐘的級別,以及系統(tǒng)鎖定在哪臺時(shí)鐘上。
圖37 BMCA算法
priority 1:時(shí)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(shí)鐘級別,定義時(shí)鐘的時(shí)間或頻率的國際原子時(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(shí)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(shí)鐘收到的announce報(bào)文信息的速率,announce報(bào)文含有BMCA信息用來評估最佳時(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(shí)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(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(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(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(shí)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(shí),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(shí)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(shí),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(shí),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(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)單個故障時(shí)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(shí),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(shí)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(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(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(shí),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(shí)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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原文標(biāo)題:IP測量探索(四)——PTP同步測量
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