E2E与P2P的差异及在PTP部署中的探讨

罗春彧

（广东广播电视台，广东 广州 510000）

长久以来，在视频网络中，SDI系统以其高质量、低抖动、低延迟、部署简单、无专利壁垒等各项优势稳居头端。但随着规模扩大，4K/8K超高清需求的提升，SDI网络在便利性及灵活性上拓展空间有限。此时，能否充分利用IT的产业优势进行IP网络部署就成了广电工程人员的挑战。

在视频系统中部署IP网络除了带来灵活度和扩展性外，相对应的也增加了额外挑战。例如抖动、延时、丢包、网络不对称（上下路径差异或端口队列导致网络的不对称）。本文仅针对最后一项进行讨论，在应用中，P2P和E2E是两种重要的延迟测量机制，对理解PTP有很大帮助。

一、对PTP的相关说明及概念陈述

（一）时间精度

PTP的精度可达亚微米级，而NTP等网络时间协议一般是毫秒级。在需要帧处理的视频网络环境下，PTP才可以实现同步需求。

高精度PTP设备（也有软件实现，但精度相应降低）通过硬件支持，直接在MAC层进行协议包分析，不经过UDP协议栈，减少驻留时间。

（二）PTP相关名词回顾

PTP构成网络的各节点称为时钟节点，协议定义了以下三类：

OC（ordinary clock） 只有一个PTP通信端口，一般是指最终设备

BC（boundary clock） 具有多个PTP端口的时钟，通过其中一个从端口与主时钟同步，并支持其他从端口与自身同步。

TC（transparent clock） 可测量PTP报文在其内部传输的时间，并在转发时提供相应矫正。

E2E（End-to-End） 通过Delay_Request和Delay_Response报文进行延迟计算的一种方法。

P2P（Peer-to-Peer） 通过Pdelay_Req和Pdelay_ Resp报文进行延迟计算的一种方法。

（三）计算涉及的重要报文

Sync：同步消息报文，一般由主钟发给从钟，可携带时间标

签，也可在后续Follow up报文中携带

Delay Req：请求对端返回接收到此报文的时间，时间嵌入在Delay Resp报文中。

Delay Resp：对上述报文的响应，携带时间标记。

Pdelay Req：发起链路延时请求，类似Delay Req功能。

Pdelay Resp：对上述报文的响应。

Pdelay Resp Follow up：携带响应发生时的时间标记。

二、E2E与P2P的差异

计算方法简析：

先以通用的E2E为例：首先由master主时钟发送Sync报文开启时间同步（在two-step clock中，时间标记由后续Follow-up报文协议，one-step clock中则由Sync携带，除非设计PTP设备，实际工程使用中并无太大影响），发送时间标记T1，slave从钟接收到报文后记录时间标记T2。Slave随后向Master发送Delay Req报文并记录时间标记T3，master收到后再回复报文Delay resp，并发送时间标记T4给slave。由此slave将得到T1，T2，T3，T4四个时间标记。设master和slave之间存在的时间差异为“offset”，单条链路延迟为“delay”，同时假定双向链路延迟相等。可以得到如下等式：

T2=T1+delay+offset

T4=T3-offest+delay

为了得到offest的值，又因为两个等式中delay相等，所以相减/相加后的到如下等式：

offest=（T2-T4+T3-T1）/2

delay=（T4-T3+T2-T1）/2

Slave则根据计算结果调整自己的时钟。

问题：上述结论取决于双向delay值相等，在这种情况下才能通过相减取得slave需要的调整值。

实际情况：在实际网络中，考虑到报文在端口排队的时间以及网络整体的结构，上下行链路未必是对称的，尤其在经过多台交换设备后差异尤为显著。

优化方法：在E2E算法中，有一个假设非常关键：即双向链路对等，但这个假设是针对整个网络进行的，如果网络较大，中间交换设备较多那这个假设容易出现问题。换言之，如果缩小规模，甚至针对单条电缆进行假设那链路对称则更为可靠，这就是P2P算法的基本原理。

（1） 在P2P的运算机制下，要求网络中每台交换设备都运行P2P算法。如上图所示，同样是4个时间标记，运算法则与第1小点一致，都是通过等式合并得到delay值。区别仅在于E2E得到的delay值是针对整个网络，而P2P得到的Delay值仅发生在设备与设备之间，即每台设备间的delay值都可以获知并得到响应。由此解决网络不对称带来上下行链路差异的问题。

（2） 具体应用场景。如上所述，是否说明P2P比E2E更有优势，系统部署时尽量采用P2P呢，也不尽然。使用P2P仍有其局限性，具体而言就是要求网络中每个交换节点都能支持TC或BC模式，简言之，网络中不能存在普通交换机。如果存在普通交换机，它无法识别和响应Pdelay报文，无法测算它与周边的链路延迟，将导致全网时钟计算出现偏误。E2E更为通用，如果系统内存在大量已购的普通交换机，采用E2E是更好的选择。

（3） P2P的几个重要优点总结。链路间都是定期测量的，当网络路径发生改变时，master与slave间的延迟已知。

上下行链路不可能经过不同的路由，因为P2P是在设备与设备间运行的，简言之，在单条电缆中上下行链路不可能不同。而E2E则不然，上下行链路经过的路有可能由于中间的交换设备而产生差异。

减少master的负载，尤其是当链路中存在大量slave时，因为它只需发送同步报文即可。延时测算报文并不需要master进行响应。

三、PTP部署中不同模式下可能遇到的规模问题

此部分在国内尚未有机构进行测试，以下结论引自Arista工程师Nicholas Ciarleglio，Thomas Edwards和Robert Welch在规模化部署PTP时进行的相关测试（仅两点为例）：

（1） 交换设备在TC模式下运行P2P算法，并遵循ST2059-2协议的默认包速率。

在此模式下，交换设备处理单个slave收发的报文总计为68个/s，当终端数量达到438台时，交换设备（7500R系列）的cpu利用率达到100%。

网络规模限制在四百多台设备。在降低速率的情况下可以提高支持的设备数量，但要牺牲锁定的时间。

（2） 交换设备在TC模式下运行E2E算法，遵循默认组播方式，遵循ST2059-2协议默认的包速率。

因为运行E2E算法，按理并不会占用交换设备的处理资源，slave规模应该增大，但实际情况仅支持40台。究其原因，分析为默认的组播地址下报文交互在交换机端口上并未隔离或处理，由此导致单台slave需要从海量的报文中选出自己所需的少部分报文。可通过单播或者ACL策略的方式解决。

四、总结

本文所述仅是IP视频网络的冰山一角，单PTP论，就还有BMCA算法选择带来的管理问题、domain域设置隔离问题以及其他各项问题。篇幅所限无法一一阐述，也需要行业同仁共同探讨。毕竟，在无压缩视频系统中应用IP网络技术，任重而道远。