Hochpräzise Zeitverteilung und Taktsynchronisation im IP-Media-Transportnetzwerk mit PTP
PTP Netzwerk-Aufbau und -Szenarien sowie Parameter, Zustände und Architektur von Precision Time Protocol testen
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PTP - Precision Time Protocol ist ein Synchronisationsprotokoll für die präzise Synchronisation von in einem Netzwerkuhren. Das PTP sorgt dafür, dass die Zeitbasen aller am Netz angeschlossenen Geräte und Systeme zeitlich mit einer Genauigkeit im Nanosekundenbereich synchronisiert werden. Der Media-Transport über den IP-Netzwerk ist ein von vielen möglichen Einsatzbereiche dieser hochpräzise Zeitverteilung.
28. Oktober 2020
Fabian Giovanoli
Management Summery
Dieser Arbeit befasst sich mit dem Precision Time Protocol eine hochpräzise Zeitverteilung und Taktsynchronisation im IP-Media-Transportnetzwerk. Dabei wird das Audio, Video und Metadaten in eigenständige Signalströme und IP-Streams aufgesplittert. Damit die Signalströme wieder richtig zusammengesetzt werden können, ist eine hochpräzise Synchronisation des Netzwerkes nötig. Dafür braucht es das Precision Time Protocol.
Ausgangslage und Problemstellung
Die UPC Schweiz GmbH darf für einen Kunden, über das grossflächigen Glasfaser-Netzwerk, einen neuartigen IP-Media-Netzwerk schweizweit bauen und betreuen. Die Übertragung von Audio und Video Signalen soll nach neusten Standards erfolgen. Diese Art der Übertragung in einem Industriellen Netzwerk ist eine weltweite Premiere. Voraussetzung für die Übertragung von Audio und Video Signalen mit dieser Technologie ist ein höchst synchrones Netzwerk, dies wird mit PTP sichergestellt. Weil weltweit das PTP in IP-Media-Netzwerken noch nicht gängig ist, fehlen die praktischen Erfahrungen in diesen Bereich. Dies ist für den Betrieb und Troubleshooting problematisch.
Ziel der Arbeit
Um die oben dargelegte Problemstellung zu lösen wird sich diese Arbeit das PTP eingehend untersuchen mit nachfolgenden Zielen:
- Die PTP Grundlagen, Parameter, Zustände, Architektur und den Netzwerk-Aufbau werden beschrieben.
- Ein Test Lab wird aufgebaut. Der Test Lab ist Voraussetzung für die praktische Untersuchungen verschiedener Szenarien in einem PTP-Netzwerk.
- In verschiedenen Szenarien wird die Genauigkeit, die Ausfallsicherheit und das Verhalten von PTP untersucht.
Vorgehen
Für die Erstellung des Test Labs und Durchführung der Szenarien, musste als allererstes viel Zeit in die Wissensbeschaffung investiert werden.
Danach wurden die einzelnen Geräte im Test Lab auf PTP konfiguriert, um ein funktionierendes IP-Medianetzwerk zu erhalten. Weiter wurden für die verschiedene Szenarien die passenden Messgeräte organisiert und die Konfigurationen für die Szenarien angepasst.
Im Überblick wurden folgende Szenarien durchgeführt:
- Verhalten des Best Master Clock Algorhytmus und deren Attribute
- Ausfall eines Grand Masters
- Boundary Clock als Best Master Clock im Netzwerk
- Signal Übertragung in einer anderen PTP Domäne
- PTP Konvergenz Zeit
Ergebnis
Durch die verschiedenen Szenarien konnte das Verhalten von PTP in einem IP-Media Netzwerk vertieft untersucht werden, um daraus wichtige Erkenntnisse zu gewinnen. Es konnte aufgezeigt werden, wie die BMCA Attributen funktionieren. Eine wichtige Erkenntnis war das Verhalten des PTP Netzwerkes bei einem Ausfall der Grand Master Clock. Bei der automatischen Aktivierung des Backup Grand Master, konnte eine Störungsfreie Übertragung des SDI-ST2110 Signals festgestellt werden. Mit geeigneten Messgeräten konnten im Test der Two Way Time Error und die Konvergenz Zeit, bei einem Ausfall der Grand Master Clock gemessen werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind wertvolle Informationen in Bezug auf das IP-Media Produktiv Netzwerk und zukünftige hochpräzise Taktsynchrone Transport-Netzwerke.
PTP Testumfeld
1/2Layout der Testumgebung für den Wechsel einer Grand Master Clock
2/2Delay Differenz bei einem Grand Master Wechsel gemessen mit VIAVI MTS5800
1/2Layout der Testumgebung für den Wechsel einer Grand Master Clock
2/2Delay Differenz bei einem Grand Master Wechsel gemessen mit VIAVI MTS5800
Für einen dauerhaft optimalen Signaldurchsatz, ist Timing sehr wichtig. Bildstottern und Break ups sind nur einige Symptome für Fehler bei Synchronisation und Timing. Bisher wurde die Sample-Synchronisation bei der Video- und Audio-Distribution zwischen Sender und Empfänger, durch direkt ins Transportsignal eingebettete Bit-Takte realisiert. Im IP-basierenden Netzwerk ist das nicht möglich. Paketvermittelnde Netzwerke bieten flexible und skalierbare Workflows, das Timing muss aber anders gelöst werden.
Das Precision Time Protocol (PTP) wird bereits im Strom- und Mobilfunknetz, sowie der Robotik eingesetzt und ermöglicht auch präzise und synchrone Übertragung von Media Streams im IP-Netzwerk. Hardware-Implementierungen bieten Genauigkeiten im Bereich von Nanosekunden. Für die Referenzierung wird die Zeit von GPS und GLONASS verwendet.
Best Master Clock Algorithmus (BMCA)
Das BMCA stellt in einem PTP Netzwerk sicher, dass nur die Node mit der „besten“ also stabilsten lokalen Clock immer zur Best Master Clock im Netzwerk wird. Diese liefert die Zeitreferenz für alle PTP Devices. BMCA wird in 6 hierarchischen Prioritätsstufen unterteilt:
Priority1 (definiert die Priorität der Clock, eine vom Benutzer konfigurierbare Bezeichnung)
Clock Class (die Klasse definiert die Rückverfolgbarkeit der Clock)
Clock Accuracy (Genauigkeit)
Clock Abweichung (definiert die Taktstabilität)
Priority2 (die niedrigste Zahl gewinnt)
GMID (ähnlich der MAC Adresse) clock Identity (definiert eindeutige Identifikatoren)
Test Szenario
Im aufgebauten Test Lab wurden fünf Test in verschiedenen Szenarios durchgeführt. Des Endziel dieser Arbeit war das Untersuchen eines Grand Master Clock Wechsels.
Es wurde untersucht wie sich der Main und Backup Grand Master bei einem Ausfall im Detail verhalten. Mit Hilfe einer GPS synchronisierten Slave Clock konnte das Delay während der Umschaltung in Nanosekunden genau gemessen werden. Zusätzlich wurde das PTP Traffic mit Hilfe von Wireshark aufzeichnet. Meine zusammenfassende Erkenntnis: Die Umschaltung vom Main zum Backup Grand Master dauerte 5.092 Sekunden und die Delay Differenz blieb unter 150 ns, was weit unter dem Toleranzwert von 500 ns liegt. Das bedeutet, dass die GM Umschaltung keine Störungen in der Video- und Audio-Übertragung zur Folge hatte.
