🎬 SMPTE ST 2110
Der Standard für IP-basierte professionelle Medienproduktion – Video, Audio und Metadaten als separate IP-Ströme.
- ST 2110 Suites (2110-10/20/30/40) erklären
- Unterschied SDI vs. ST 2110 erläutern
- PTP (Precision Time Protocol) in ST 2110 erklären
- NMOS IS-04, IS-05, IS-07 definieren
- NMOS IS-07 für Tally/GPIO erklären
- ST 2110-30 Paketabstände (Class A / Class C) berechnen
- Wireshark-Analyse von ST 2110-Streams verstehen
Was ist SMPTE ST 2110?
SMPTE ST 2110 ist eine Familie von Standards für den Transport professioneller Medien (Video, Audio, Metadaten) über IP-Netzwerke in Echtzeit. Im Gegensatz zu SDI (Serial Digital Interface) werden Video, Audio und Hilfsdaten in separate, unabhängige IP-Ströme aufgeteilt.
- Alles in einem Kabel: Video + Audio + Metadaten
- Punkt-zu-Punkt Verbindung
- Feste Leitungslänge begrenzt
- Teures proprietäres Equipment
- Keine Flexibilität
- Video, Audio, Metadaten: separate IP-Ströme
- Standard IP/Ethernet-Infrastruktur
- Flexible Routing-Matrizen per Software
- IT-Kompatibilität
- Skalierbar (UHD, 4K, 8K)
ST 2110 Dokumenten-Suite
| Standard | Inhalt | Basis |
|---|---|---|
| ST 2110-10 | System Timing (Synchronisation) | PTP (IEEE 1588) |
| ST 2110-20 | Unkomprimiertes Video über IP | RTP/UDP/IP |
| ST 2110-21 | Traffic Shaping (Sender-Verhalten) | – |
| ST 2110-22 | Komprimiertes Video über IP | JPEG XS, J2K |
| ST 2110-30 | PCM-Audio über IP | AES67 |
| ST 2110-31 | AES3-Audio über IP | AES67 |
| ST 2110-40 | Hilfsdaten / Metadaten (VANC) | RTP/UDP/IP |
PTP – Precision Time Protocol
Da Video, Audio und Metadaten unabhängig übertragen werden, müssen alle Geräte auf eine gemeinsame Zeitbasis synchronisiert sein. PTP (IEEE 1588v2) erreicht Genauigkeiten im Nanosekunden-Bereich – hundertmal genauer als NTP.
Schritt 1: Best Master Clock Algorithm (BMCA) – Grandmaster-Wahl
Bevor irgendetwas synchronisiert wird, muss das Netzwerk entscheiden, wer die Zeitreferenz (Grandmaster) ist. Jedes PTP-fähige Gerät sendet regelmäßig Announce-Nachrichten, die Informationen über seine Uhr enthalten:
- Priority 1Manuell konfigurierter Vorrangwert (0–255, niedriger = besser). Ein GPS-synchronisierter Grandmaster bekommt Priority 1 = 128, alle anderen = 255.
- Clock ClassGibt die Qualitätsstufe an. Klasse 6 = GPS-synchronisiert, Klasse 135 = aus GPS verloren, Klasse 248 = Freilauf (Default). Niedrigere Klasse gewinnt.
- Clock AccuracyGenauigkeit der Uhr, z.B. 0x21 = besser als 100 ns, 0x2E = besser als 1 µs. Feinere Genauigkeit gewinnt bei gleicher Klasse.
- Clock IdentityEindeutige 64-Bit-ID (EUI-64, abgeleitet aus MAC-Adresse). Tiebreaker bei gleichen Werten.
BMCA vergleicht eingehende Announce-Nachrichten nach dieser Priorität. Das Gerät mit den besten Werten wird Grandmaster. Fällt der Grandmaster aus, wählt BMCA automatisch den nächstbesten Kandidaten.
Schritt 2: PTP-Hierarchie im Netzwerk
Ordinary Clock mit einem Port · sendet Announce + Sync alle 125 ms
Slave upstream · Grandmaster downstream · terminiert PTP-Pakete
Kamera
Audio Interface
Medienserver
Ein Port. Entweder Grandmaster oder Slave.
Mehrere Ports. Synchronisiert sich upstream, ist GM downstream. Empfohlen für ST 2110.
Korrigiert Residence Time in Paketen, ohne eigene Synchronisation. Für einfachere Netze.
Schritt 3: Der 4-Timestamp-Mechanismus
PTP synchronisiert einen Slave auf den Master durch vier Zeitstempel in zwei Nachrichtenpaaren. So kann der Slave seinen Uhrenversatz (Offset) und die Laufzeit (Delay) berechnen:
t1 = Master sendet Sync · t2 = Slave empfängt Sync · t3 = Slave sendet Delay_Req · t4 = Master empfängt Delay_Req
Der Slave korrigiert seine Uhr um den berechneten Offset – so erreicht PTP Genauigkeiten im Nanosekunden-Bereich.
Schritt 4: Der Synchronisations-Servo-Loop
Das einmalige Berechnen von Offset und Delay reicht nicht – Uhren driften ständig. PTP korrigiert kontinuierlich:
BMCA wählt den Grandmaster anhand Priority 1 → Clock Class → Clock Accuracy → Clock Identity.
4 Timestamps: t1 (Master sendet) · t2 (Slave empfängt) · t3 (Slave sendet Delay_Req) · t4 (Master empfängt)
Offset = ((t2−t1) − (t4−t3)) / 2 Delay = ((t2−t1) + (t4−t3)) / 2
Boundary Clock in Switches = empfohlen für ST 2110 · TTL = 1 bei PTP-Paketen (link-local)
Video (2110-20), Audio (2110-30) und Metadaten (2110-40) kommen von verschiedenen Geräten und laufen unabhängig durchs Netzwerk. Am Empfänger müssen sie wieder exakt zusammenpassen – eine Millisekunde Versatz produziert hörbaren Lippensync-Fehler. PTP sorgt dafür, dass alle Geräte auf die gleiche Zeitbasis synchronisiert sind.
NMOS – Networked Media Open Specifications
NMOS (von AMWA, Advanced Media Workflow Association) sind offene APIs zur Steuerung und Verwaltung von ST 2110-Systemen:
- NMOS IS-04 Discovery & Registration – Automatische Erkennung und Registrierung von Geräten (Nodes, Sources, Senders, Receivers) im Netzwerk. Jedes Gerät registriert sich beim Registry.
- NMOS IS-05 Connection Management – API zum Aufbau und Abbau von Verbindungen zwischen Sendern (Senders) und Empfängern (Receivers). Ersetzt traditionelle Routing-Matrizen.
- NMOS IS-07 Event & Tally – Überträgt Steuersignale/GPIO-Zustände. Eine Quelle kann ihren Zustand (z.B. On-Air-Tally) veröffentlichen und abonnierte Empfänger werden automatisch informiert.
- NMOS IS-08 Audio Channel Mapping – Flexibles Routing von Audio-Kanälen. Ermöglicht, einzelne Kanäle aus Multi-Channel-Streams zu extrahieren.
„Erläutern Sie, wofür NMOS IS-07 genutzt wird."
Antwort: „Ein Protokoll, das es einer Quelle ermöglicht, ihren Zustand zu veröffentlichen und ihre Zustandsänderungen an abonnierte Empfänger zu übermitteln. Es ist die Tally-GPIO-Funktion bei SMPTE 2110."
ST 2110-30 Paketabstände & Payload-Berechnung
ST 2110-30 definiert Audio-Pakete mit festen Zeitabständen. Der Standard unterscheidet zwei Klassen:
Class A – Ultra Low Latency
- Paketabstand: 125 µs
- Samples pro Kanal @ 48 kHz: 6 Samples
- Einsatz: Studio-Monitoring, sehr latenzreiche Anwendungen
- Höhere Paketrate, mehr Overhead
Class C – Standard Broadcast
- Paketabstand: 1 ms
- Samples pro Kanal @ 48 kHz: 48 Samples
- Einsatz: Standard Broadcast, normaler Produktionsbetrieb
- Geringere Paketrate, effizientere Übertragung
Aufgabe: Berechnen Sie die Paketgröße für einen ST 2110-30 Audio-Stream (Class C, 8 Kanäle, 48 kHz, 24 Bit).
+ UDP-Header: 8 Bytes
+ IPv4-Header: 20 Bytes
+ Ethernet-Header: 14 Bytes
Wireshark-Analyse von ST 2110-Streams
In der Klausur / im Praktikum werden ST 2110-Streams mit Wireshark analysiert. Wichtige Techniken:
- Decode As → RTP ST 2110-Audio läuft über UDP. Wireshark erkennt RTP nicht automatisch. Rechtsklick auf ein UDP-Paket → Decode As → RTP – danach zeigt Wireshark RTP-Header, Timestamp und Sequence Number korrekt an.
- PTP TTL = 1 PTP-Nachrichten (Delay_Resp, Sync) haben TTL = 1. Das bedeutet: sie sind link-local – sie verlassen nie das direkte Subnetz. Der Router wirft das Paket weg, sobald der TTL auf 0 sinkt.
- Multicast 239.x.x.x ST 2110-Streams nutzen den administrativen Multicast-Bereich 239.0.0.0/8 (RFC 2365). Diese Adressen sind für interne Netzwerke reserviert und werden nicht ins Internet geroutet.
- RTP Sequence Number Wireshark zeigt fortlaufende RTP-Sequenznummern. Lücken (z.B. Sprung von 1234 auf 1236) zeigen Paketverlust. Für 1 ms-Pakete bei 48 kHz bedeutet jedes fehlende Paket 48 Samples Audiolücke.
PTP (IEEE 1588) ist ein Protokoll für die lokale Synchronisation. Boundary Clocks in den Switches übernehmen die Zeitinformation und leiten sie lokal weiter. Ein TTL von 1 verhindert, dass PTP-Pakete über Router hinweg ins WAN gelangen und dort Uhren in fremden Netzen synchronisieren.