泰克公司重庆讲课sdi over ip和ptp时钟

1、SDI Over IP和PTP时钟IP转换并不是新的在有线网络公司15年前视频（码流）传输 就已经从ASI传输到TS Over IP10年前IT技术实现电视台基于文件工作流程拍摄和制作是SDI的最后阵地为什么仍然使用SDI?SDI仍然是电视台的主流无压缩内容图像质量高不丢帧很低的延迟和抖动基于帧的精确切换很简单单向传输，简单的协议，系统连接简单SDI是开放的，没有专利的全球支持的标准为什么通过IP传输视频可以使用现有的IT低成本的设备经济 降低部线的成本和重量与SDI路由和网络相比，IP的路由和网络有更大的灵活性中心和下变换流制作的全新的工作流程全IP网络化的流程可扩展性，400G以太网正在开

2、发中使用IP带来的问题有哪些？延迟抖动丢包不同步不对称复杂的双向协议所有这些都是可以克服的Trading floor switches deliver latencies 0 (32)Header Extension (only if Ext 0 (32)Reserve27-31FEC20-22CF23-26R16-17S18-19FMT Reserve24-31F4VSID5-7FRCount8-15EXT0-3FRAME4-11MAP0-3FRATE12-19SAMPLE20-23高位速率媒体净荷包头MAP 数据结构FRAME Y像素数量FRATE 帧速率SAMPLE59格式预留视频时间标

3、记包头扩展Video Timestamp (only if CF 0 (32)Header Extension (only if Ext 0 (32)Reserve27-31FEC20-22CF23-26R16-17S18-19FMT Reserve24-31F4VSID5-7FRCount8-15EXT0-3FRAME4-11MAP0-3FRATE12-19SAMPLE20-23SMPTE 2022-6净荷SMPTE2022-Dissector高位速率媒体净荷 HBRMT1376字节中的净荷支持luma和chroma的10/12位数据基于FRAME、FRATE和SAMPLE预留值填充最后13

4、76字节61媒体数据(1376字节)媒体帧的最后净荷媒体数据净荷预留标称净荷1376字节对准帧的第一个TRS媒体数据报62Video Timestamp (only if CF 0 (32)Header Extension (only if Ext 0 (32)Reserve27-31FEC20-22CF23-26R16-17S18-19FMT Reserve24-31F4VSID5-7FRCount8-15EXT0-3FRAME4-11MAP0-3FRATE12-19SAMPLE20-230 xFF0 xC00 x000 x020 xD80 x023 Octets HANC dataST20

5、22-5 FEC数据报实时协议包头FEC包头FEC净FEC数据报 用# Columns列数和# Rows行数确定Column Port Number列端口号 2Row Port Number行端口号 463RTP包头 (12字节)FEC包头 (字节)FEC净荷A级FEC数据报A级仅FEC列64媒体数据报0媒体数据报L媒体数据报2L媒体数据报 (D-1)L媒体数据报1媒体数据报L+1媒体数据报2L+1媒体数据报 (D-1)L+1媒体数据报L-1媒体数据报2L+1媒体数据报3L+1媒体数据报DL-1FEC 0FEC 1FEC L-1L列D行B级FEC数据报B级支持多个行和多个列65媒体数据报0媒体

6、数据报L媒体数据报2L媒体数据报(D-1)L媒体数据报1媒体数据报L+1媒体数据报2L+1媒体数据报(D-1)L+1FEC列0FEC列1FEC列L-1L列D行FEC行0FEC行1FEC行2FEC D-1媒体数据报L-1媒体数据报2L+1媒体数据报3L+1媒体数据报DL-1XORXORST 2022-5前向纠错FEC创建额外的冗余包，用来校正视频数据包中的错误在错误恢复能力、要求的额外带宽、需要的额外处理能力、导致的相关接收机时延之间折衷SMPTE ST 2022-5行/列 FECP1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20Fc1Fc2F

7、c3Fc4Fc5FR1FR2FR3FR4P1FR1FC1视频数据包行FEC包列FEC包ST 2022-7无缝IP保护交换交换机使用IGMP组播使用帧号清除交换机RTP包可以容忍每条路径完全失效使网络带宽提高一倍发送方接收方传送流 发送方M重复传送流B 包选择321321321321321主IP交换机备用IP交换机ST 2022-7无缝IP保护交换交换机使用IGMP组播使用帧号清除交换机RTP包可以容忍每条路径完全失效使网络带宽提高一倍发送方接收方传送流 发送方M重复传送流B 主IP交换机包选择321321321321132xx备用IP交换机x网络故障丢包ST 2022-7无缝IP保护切换切换使

8、用IGMP组播使用帧号保证干净的RTP包切换可以容忍每条路径完全失效使网络带宽增加一倍发送方接收方传送流 发送方M重复传送流B 主IP交换机包选择321321321321132xx备用IP交换机x网络故障丢包IP承载的SDI标准MACIPUDPRTP2022净荷 SDIMACIPUDPRTPRFC7175净荷视频MACIPUDPRTPRFC3190净荷音频MACIPUDPRTPST291净荷数据MACIPUDPRTPRDD37 净荷视频MACIPUDPRTPST302 净荷音频MACIPUDPRTPST2038 净荷数据MPEG TSMPEG TSMPEG TSRDD37 净荷视频ST302

9、净荷音频ST2038 净荷数据MPEG TSMPEG TSMPEG TSST 2022-6VSF TR-03ST 2022-5: FECST 2022-7: 冗余VSF TR-04压缩TEKTRONIX CONFIDENTIAL70Evertz ASPENSeparates Video, Audio and Metadata EssenceUses MPEG-2 Transport Stream over RTP/UDPCompatible with SMPTE ST 2059-2 PTP SynchronisationSource IP AddressDest IP AddressMPEG-

10、2 TSVideo Payload(SMPTE RDD 37)Source IP AddressDest IP AddressMPEG-2 TSAudio Payload(SMPTE 302)Source IP AddressDest IP AddressMPEG-2 TSMetadata Payload(SMPTE 2038)ASPEN IP Packet Formats (Dedicated IP Streams Carry Video, Audio and Metadata)ASPEN包格式只需传送关心的单元不发送SDI的空单元，来节省带宽处理时延低，行数少72IP SRCIP DSTM

11、PEG2 TS-Header视频净荷SMPTE RDD37IP SRCIP DSTMPEG2 TS-Header音频净荷SMPTE ST 302IP SRCIP DSTMPEG2 TS-Header图元数据净荷SMPTE ST 2038专用组播IP传送流专用组播IP传送流专用组播IP传送流索尼NMI IP LiveIP Live System ManagerNMI SMPTE RDD40信号处理单元SDI-IP转换器电路板应用的技术干净的视频交换组播 - IGMP网络同步 IEEE 1588 PTP数据包保护机制SMPTE 2022-7低时延视频编译码器LLVC SMPTE RDD34.73视

12、频服务论坛TR-03视频、音频和辅助数据作为单独的基本RTP流传送视频流根据RFC 4175传送音频流根据AES67传送使用IEEE1588默认特点同步 使用会话描述协议RFC4566同步播放传送流会话声明协议RFC297474视频服务论坛TR-0375IP SRCIP DSTRTP包头视频净荷RFC 4175IP SRCIP DSTRTP包头音频净荷AES 67IP SRCIP DSTRTP包头图元数据净荷IETF Draft专用组播IP流专用组播IP流专用组播IP流只需传送关心的单元不发送SDI的空单元，来节省带宽处理时延低，行数少VSF TR-04TR-04 Defines how to

13、 interoperate SMPTE 2022-5, 2022-6 and 2022-7 within a VSF TR-03 environment Describes the interoperation of SMPTE 2022-6 media flows with VSF TR-03 media flowsDescribes the integration of SMPTE 2022-5 (FEC) and 2022-7 (Protection) into Session Description Protocol (SDP)Describes a set of constraint

14、s that together form a “Studio Profile”Well-formed SDI signals compliant with the relevant SMPTE standardReceiving devices shall be tolerant of the presence of SMPTE 2022-5 and 2022-7 datagrams if they are transmitted76视频服务论坛TR-04Builds up on TR-03Defines 2022-6 as video payloadIntegration of 2022-5

15、 FEC and 2022-7Audio Streaming Embedded SDI or AES67Metadata via SDP (Session Description Protocol)77IP媒体解决方案联盟(AIMS)得到 Imagine Arista Networks, Cisco, Evertz, EVS, Grass Valley , Imagine Communications, Lawo, Nevion, Snell Advanced Media, Tektronix and Sony amongst many others (50 members) 等支持基于SMP

16、TE 2022，重点是未压缩的视频和音频支持VSF 03 / 04使用SMPTE 2059 IEEE 1588 PTP使用AES 67使用RTP及RTMP时间标记正在开发SMPTE 2110没有正式选择压缩格式78SMPTE 2110SMPTE ST-2110-10: System Timing and DefinitionsSMPTE ST-2110-20: pressed Active VideoSMPTE ST-2110-30: PCM Digital AudioSMPTE ST-2110-40: Ancillary dataSMPTE ST-2210-21: Timing Model

17、for pressed Active VideoSMPTE ST-2210-31: AES3 Transparent TransportSMPTE ST-2210-50: Interoperation of ST 2022-6 streamsNMOS7912G到10G不够用!浅视频压缩4K/UHD、HDR和HFR的影响是什么?没有压缩的50 fps UHD 4:2:2视频单元将(恰好)拟合到 10GigE IP流中 (60 fps则不会)当然SDI要求12Gbps部署UHD/4K可能会导致在10G IP上采用轻压缩视频10位高动态范围视频对生产工作流程的位速率影响最小12位HDR的位速率较SD

18、R提高约20%高帧速率4K/UHD (100/120fps)要求轻压缩，以经济地进行部署 (10GigE IP)轻视频压缩要求轻视频压缩，把更多的数据拟合到10GigE管道中压缩要在时延、压缩率和图像质量之间取得平衡LLVCSMPTE中提议把索尼低时延视频编译码器作为RDD 34TICOSMPTE中提议把Intopix Tiny编译码器作为RDD 35VC-2BBC R&D Dirac Pro被标准化为SMPTE ST 2042轻视频压缩LLVC, TICO, VC-2所有项目均在帧内编码，使用小波压缩所有项目均设计成以低压缩度(4:1)及低时延提供超高质量视频码组变换编译码器(MPEG-2,

19、 H.264, HEVC等)提供了高压缩度，代价是高复杂度/时延基于小波变换的编译码器为高质量或无损耗应用提供了较低的压缩度，但复杂度/时延也低得多VC-2信号处理链Wavelet TransformPredict DC CoefficientsPartition Into SlicesScale CoefficientsQuantiseVariable Length CodingPIX 新型视音频压缩举例84IP承载的SDI标准MACIPUDPRTP2022净荷 SDIMACIPUDPRTPRFC7175净荷视频MACIPUDPRTPRFC3190净荷音频MACIPUDPRTPST291净荷

20、数据MACIPUDPRTPRDD37 净荷视频MACIPUDPRTPST302 净荷音频MACIPUDPRTPST2038 净荷数据MPEG TSMPEG TSMPEG TSRDD37 净荷视频ST302 净荷音频ST2038 净荷数据MPEG TSMPEG TSMPEG TSST 2022-6VSF TR-03ST 2022-5: FECST 2022-7: 冗余VSF TR-04压缩TEKTRONIX CONFIDENTIAL85PRISMPrism弥合SDI和IP转换之间的空白87新平台 MPI/MPX3RU半机架平台，带有9英寸高清显示器和触摸面板简化的用户界面 网络浏览器操作为灵活适

21、应标准而设计功能集首先是ST2022-6, IEEE1588/ST2059IP/SDI混合环境专用测量图像, 波形, 音频 执行合规测试新显示布局, 操作直观Prism - MPI媒体平台 前面88深度更短: 11.7 英寸(WFM8k: 18.2英寸)触摸面板操作四倍/全/整个磁贴布局9英寸高清显示器Prism - MPI媒体平台 后面89没有使用4x USB, 2x 1GbE4x SDI输入(2x 12G)GPI, LTC外部参考输入/输出2x 显示器端口2x SDI SFP+, 环通10GbE SFP+AUX SDI 输出DC 48V 仪器 IP 端口Prism - MPI媒体平台 后面

22、90SDI输入HD/3G单链路SDI，带音频1080i50/50，1080p50/59，720p50/592个SDI SFP+环通输出10GbE SFP+ST2022-6PTP（ST2059-2组播模式）AUX SDI输出ST2022-6到SDI转换输出1GbE管理端口由VNC远程操作2个显示器端口镜像模式4个USB端口键盘和鼠标，USB存储器IP状态显示显示所有进入的传送流和通信基带显示用于合规监测 运行选项 灵活的用户交互虚拟输入, 预置值快速设置仪器Prism“简便地监测信号，查看系统”IP Status直观地检查整体输入传送流柱状图，含10GbE管道中的业务信息PTP及其他通信“简便地

23、监测信号，查看系统”92源IP地址端口编号目的IP地址端口编号位速率 传送流基带显示图像, 波形, 音频和视频会话显示“简便地监测信号，查看系统”93操作选项94触摸面板在你面前运行PRISM键盘和鼠标在几英尺外运行PRISM外部监测仪，带触摸面板把PRISM安装在机房中使用网络浏览器远程操作从桌面运行安装在远程位置的多个PRISM“简便地监测信号，查看系统”虚拟输入简化输入选择 分配一个SDI输入或一条IP流IP: 包过滤器(VLAN, SRC IP/端口, DST IP/端口), 选择一条传送流用户可以配置输入名称 (如Camera1, Program Out)95“简便地监测信号，查看系

24、统”预置值05 August 202296即时改变仪器设置36个预置值 (每组6个预置值, 6组)滑动预置值条，选择下一组用户可以配置预置值名称“简便地监测信号，查看系统”IP图表显示画面时间相关的趋势/事件图，调查根本原因PIT (包到达间隔时间)直方图显示画面显示交换机发出的传送流的包抖动特点CBR传送流理想的包抖动形状是高斯曲线事件日志显示画面从IP和SDI层记录事件，从两个层查看事件之间的相关性Prism“迅速排除和解决问题”IP测量保证长时间内系统健康。比较SDI和IP之间的趋势，调查根本原因直方图 包间隔时间趋势图 包间隔时间, TS-DF, 位速率事件图 RTP顺序错误, SDI

25、 CRC错误98正在开发“迅速排除和解决问题”是什么引起了抖动?稳定的包传送流包抖动过高通常是由路由器接口拥堵导致的抖动过高会导致缓冲器溢出包抖动是指包到达间隔变化是什么引起了丢包?最常见的原因也是网络拥堵如果业务到达网元的数据速率一直快于其能够处理的速率，那么没有选择，只能丢包，因为缓冲器会溢出网络拥堵 = 抖动过高 = 缓冲器溢出 = 丢包For 1080p, 1 dropped packet can mean the loss of 25% of a video line(assuming 1376 byte SMPTE 2022-6 datagram)延迟因数测量延迟因数是衡量抖动的一

26、个指标，是抽干虚拟缓冲器所需的时间在任何给定时间，延迟因数都代表着该节点去掉业务流量中的抖动所需的时间缓冲器容量TS-DF (EBU-TECH 3337)带时间标记的延迟因数 (EBU TECH 3337)是一种DF方法，它位于公共域中，适合测量RTP承载的媒体这种方法的基础是把网络包的到达时间与RTP包头中的时间标记字段关联起来IP / PTP会话显示画面使用错误检测功能，确认IP系统设置正确为广播工程师设计的直观的IP层显示画面视频会话显示画面使用错误检测功能，确认SDI层设置正确专为IT工程师设计的直观的SDI层Prism“不再是广播工程师唯一的域!”迅速监测传送流和PTP的错误状态，在

27、发现错误时开始诊断问题使用错误检测功能解释RTP / PTP包头IP/PTP会话IP测量104软件确定的媒体分析平台软件确定的平台，提供了扩充能力和灵活性，处理各种不断进化的新技术和新标准 (面向未来，保护客户投资)全内置解决方案，弥合SDI领域和IP领域的空白专用测量，无缝迁移到基于SDI和基于IP的混合基础设施PRISM支持SMPTE2022-6和PTP，将增加更多的格式AES67, TR-03, SMPTE2110, NMOS, ASPEN, NMI, TICO, LLVC (随机顺序)Prism“可靠性和技术成熟度”支持IGMP加入/离开命令向交换机发送加入消息，获得关心的传送流发送离

28、开消息，让交换机停止发送当前传送流与输入选择一起自动发送加入/离开消息将来会支持NMOS, NMI / ASPEN APIPrism“相对简单，控制力强”AUX SDI输出 从选择的SMPTE 2022-6传送流中提取SDI信号输出驱动现有的波形监测仪、波形光栅化器或任何其他SDI设备定时测量 把泰克波形监测仪连接到AUX SDI输出上，把BB信号连接到外部参考输入在波形监测仪上使用定时测量Prism“子视频帧时延”精密时间协议(PTP)什么是 PTP?基于以太网的网络本身是异步的精密时间协议(IEEE 1588)旨在同步以太网络上不同节点的实时 时钟PTP 没有使网络本身同步 (同步以太网或

29、SyncE中的网络本身是同步的)最新版本是IEEE 1588-2008，也称为PTP第2版SMPTE最近发布了一项基于PTP第2版的标准，专门用于广播视频应用SMPTE ST 2059相关标准IEEE 1588-2008联网测量和控制系统使用的精密时钟同步协议标准SMPTE ST 2059-1 2015生成并把接口信号对准SMPTE EpochSMPTE ST 2059-2 2015专业广播应用中使用的IEEE-1588精密时间协议配置AES67-2015AES标准，用于网络音频应用 高性能IP流式音频互操作能力PTP术语和定义PTP域使用PTP互相同步的时钟逻辑分组，但可能不会同步到另一个域

30、中其他时钟总时钟Grandmaster Clock使用PTP进行时钟同步的终极时间源在广播应用中，这些通常同步到GPS、GLONASS或两者主时钟Master Clock该域中所有其他时钟同步到的、作为时钟源的时钟从时钟Slaver Clock同步到另一个时钟的时钟GMMSSMDomain 1Domain 2最佳主时钟算法(BMCA)交换机路由器路由器路由器交换机交换机交换机谁是总时钟?谁是总时钟?谁是总时钟?最佳主时钟算法(BMCA)BMCA在所有设备上运行主时钟基于多种参数优先权1 defaultDS.priority1 默认值128以最低值为准(范围 0-255)时钟等级时钟精度时钟偏差

31、优先权2 defaultDS.priority2 默认值128以最低值为准 (范围0-255)最终断路器时钟ID通常是MAC地址最佳主时钟算法(BMCA)交换机路由器路由器路由器交换机交换机交换机defaultDS.priority1 = 128defaultDS.priority2 = 127defaultDS.priority1 = 128defaultDS.priority2 = 120我是总时钟最佳主时钟算法(BMCA)交换机路由器路由器路由器交换机交换机交换机defaultDS.priority1 = 128defaultDS.priority2 = 127defaultDS.pri

32、ority1 = 128defaultDS.priority2 = 120我是总时钟X最佳主时钟算法(BMCA)交换机路由器路由器路由器交换机交换机交换机defaultDS.priority1 = 128defaultDS.priority2 = 127defaultDS.priority1 = 127defaultDS.priority2 = 128我是总时钟X最佳主时钟算法(BMCA)交换机RouterRouterRouter交换机Switch交换机defaultDS.priority1 = 128defaultDS.priority2 = 127defaultDS.priority1 =

33、 127defaultDS.priority2 = 128系统通电PTP设备侦听收集通知消息使用BMCA确定大师PTP消息类型通知Announce用来确定同步分层提供时钟状态和时钟标准，用来确定哪个时钟变成总时钟同步和跟进Sync and Follow Up由总时钟发送，从设备使用它来导出时间延迟请求Delay Request请求把定时信息从从设备发送到总时钟，以确定从设备和总时钟之间的传播延迟延迟响应Delay Response从收到时钟发送的延迟请求消息到返回从设备的时间PTP消息通知 (messageId 0 xb)确定同步分层提供状态和特性分析，用来确定BCMA和大师域, 优先权1和2

34、, 时钟等级/精度/偏差, 时钟ID, 闰秒通信模式单播组播混SMPTE混合SMPTE，没有协商主设备和从设备必须匹配或兼容组播和混合模式可能需要IGMP加入和离开全部单播必须在所有从AMT中有主设备地址没有协商的单播不允许主设备调整负载在不同域中可以使用两个主设备，在不兼容的通信模式下为从设备服务120单播每台从设备必须对所有主设备为其AMT配置IP地址从设备请求所有主设备准许通知从设备根据时钟选择最佳主设备在发现更好的时钟时，可能会改变主设备121单播122GMSL2 L3SSADASSReqReqResRes组播PTP组播地址29需要确保IGMP加入发生123GMSL2 L3SSAnno

35、unceSyncDelay ResponseDelay RequestDelay RequestAnnounceSyncDelay ResponseDelay RequestDelay Request组播124GMSL2 L3SSAAAADDDDSMPTE混合通知和同步消息已发送组播延迟请求和延迟响应已发送单播从设备发送准许请求，主设备接受或拒绝请求的速率相对于全组播模式，减少了消息数量125GMSL2/L3SS声明同步延迟响应延迟请求延迟请求声明同步延迟响应延迟请求延迟请求SMPTE混合，无协商通知和同步消息已发送组播延迟请求和延迟响应已发送单播没有准许请求 主设备被迫应答任何请求 因此没有

36、办法调整负载SMPTE标准似乎首选这种方式 不要求主设备支持协商注意，主模式下的SPG会同时支持组播、混合及无协商混合126同步消息交换 由普通时钟和边界时钟使用同步跟进延迟请求延迟响应一级主时间备用从时钟t1t2t3t4从设备知道t2t1, t2t1, t2, t3t1, t2, t3, t4T-ms(t2 t1) T-sm(t4 t3) 图像中的PTPOffset = (Master_To_Slave t Slave_To_Master t)/2 = 5 MinsOneway Delay = (Master_To_Slave t + Slave_To_Master t)/2 = 1 Min

37、 PTP主从消息从时钟 11:05主时钟 11:00时间同步消息同步跟进消息延迟请求消息延迟响应消息T1T2T3T4T2-T1 =Master_To_Slave t= 6 Mins=从-主+传输时延T4-T3 =Slave_To_Master t= -4 Mins=主-从+传输时延 Sent 11:00ARR 11:06Sent 11:06ARR 11:02(Timestamped 11:02)(Timestamped 11:00therefore Propagation Delay = 1 min)PTP时钟类型 - 1普通时钟网络上的终端设备 (不是交换机或路由器) 仅从设备时钟 (从不作

38、为主设备)总时钟(从不作为从设备)主/从时钟 (可以是任一个)PTP时钟类型 - 2透明时钟负责对交换机或路由器中的延迟排队硬件在到达和离开时对同步和延迟请求消息加上时间标记，把差增加到消息包头的校正字段中边界时钟在一个从端口上从主设备接收时间为域中下游从设备提供多个主(而不是大师)端口消除自己的队列的影响PTP网络中的N.B.交换机/路由器必须能够识别 PTP(必须是透明时钟或边界时钟) 同步/延迟请求消息格式类型传送版本预留长度域预留标记校正字段预留源端口序列号控制记录时间标记网络中的PTP时钟类型路由器 透明时钟PTP总时钟 普通时钟摄像机 普通时钟 (从)PTP主设备 边界时钟摄像机 普通时钟 (从)同步消息同步消息 (带校正)同步消息 (带校正)同步消息PTP域 1PTP域2GMMSSS132应用133PTP总时钟SPG8000APTP网络GPS应用1基本混合PTP总时钟和同步源PTP O.CPTP O.CPTP