時間に敏感なネットワーキングの基礎

タイムセンシティブネットワーキング（TSN）の利点と、エンジニアがそれを使用して産業システムが将来に備えられるようにする方法について説明します。この記事では、一連のTSN標準の3つのメンバーに焦点を当てています。

予測可能性と時間感度に関しては、さまざまなテクノロジドメインに独自の要件があり、共有接続でデータを送信しようとしているシステム設計者にとっては課題となる可能性があります。共有ネットワークを利用する場合は、低遅延と時間遅延の短縮を考慮する必要があります。幸い、この課題に対する解決策があります—時間に敏感なネットワーキング（TSN）です。 TSNは、標準のイーサネットの上に位置し、システム設計者がイーサネットネットワークを使用して共有接続でITおよびOTデータを送信できるようにするための一連の標準を定義します。

この記事では、時間に敏感なネットワーキングの利点と、エンジニアがそれを使用して産業用システムが将来に備えられるようにする方法について学びます。この記事では、一連のTSN標準の3つのメンバーに焦点を当て、それらを詳細に説明し、時間に敏感なネットワーク機能をハードウェアに組み込んだいくつかのデバイスについて説明します。

時間に敏感なネットワーキングとは何ですか？

最新の工場フロアなど、多くのデバイスを備えた分散システムでは、接続されたデバイスのニーズが大きく異なり、ネットワーク内の他のコンポーネントと通信するための目標が競合する可能性があります。送信されたデータを確認する1つの方法は、情報技術（IT）および運用技術（OT）ドメインのコンテキストでデータを表示することです。

マシン制御データやセンサー値などのオペレーショナルテクノロジートラフィックでは、通常、ネットワークが予測どおりに動作する必要があります。このドメインでの通信には、固定時間遅延、低遅延、および低ジッターが必要です。一方、情報技術トラフィックは、電子メールトラフィックやファームウェアアップデートなどのデータです。ここでは、タイミングの制約は最も重要ではなく、通信は通常、ベストエフォートです。

ITトラフィックは通常、より多くの帯域幅を必要としますが、データは特定の時間枠内に宛先に到達する必要はありません。代わりに、全体的なスループットが通常重要です。一方、OTの場合、特定の時点でデータが欠落していると障害が発生する可能性があるため、データは特定の厳しいリアルタイムの制約内で宛先に到達する必要があります。

エンジニアは、OTトラフィック用とITインフラストラクチャ用の2つの別々のネットワークを維持することでこの問題を解決することがあります。 TSN（Time-sensitive Networking）は、標準のイーサネットに基づいて構築された一連の標準であり、OTトラフィックとITトラフィックが各ドメインの個々のニーズを尊重して同じネットワークを共有できるようにします。 TSNは、ネットワーク遅延を減らし、エンドポイント間の遅延を減らし、個々のパケットが時間どおりに宛先に到達できるようにすることで、イーサネットに決定論を追加します。

TSN標準

前述のように、TSNはイーサネットの上にある一連の標準です。各標準は異なる機能を記述しており、システム設計者は標準を組み合わせてネットワークを要件に合わせて調整することを選択できます。次の表に、TSN標準の概要を示します（この記事では、802.1AS、802.1CB、および802.1Qbvについて説明します）。

図1。 一部のTSN標準には、産業用のユースケースがあります。

802.1ASを使用した時間に敏感なアプリケーションのタイミングと同期

TSN標準は、高精度時間プロトコル（PTP、IEEE1588®）に由来します。 PTPの背後にある主なアイデアは、ネットワーク内の分散マシンのクロックを同期することです。 PTPはクロック分配ツリーを利用し、通常、すべてのタイミングのソースであるグランドマスターもあります。このグランドマスターは、高精度のGPSクロックなど、高精度のソースから時刻を受信します。ネットワーク内のスレーブノードは、ローカル時刻をマスターノードの時刻にポイントツーポイントで同期します。

PTPはTSN標準のベースとして機能し、gPTPは802.1AS標準の一部です。 PTPとgPTPは多くの一般的な用語を共有していますが、いくつかの重要な違いもあります。そのような違いの1つは、PTPがOSI層モデルのトランスポート層にあるため、多くの異なる基本的なトランスポート方法を許可することです。 gPTPとPTPのその他の違いは、次の図にまとめられています。 gPTPの新しいリビジョンでは、ワンステップのタイムスタンプを使用できるようになりました。最後に、gPTPはピアツーピア遅延メカニズムを必要とし、すべてのデバイスが同期されることを期待します。つまり、標準の周波数ベースを持ち、すべてのクロックが同じレートで実行されます。

図2。 PTPとgPTPの違い。

エンジニアは、802.1AS標準を使用して、マシン内または産業用ネットワーク全体でタスクを同期できます。この記事では、802.1ASを利用した同期モーター制御の例を後で紹介します。

802.1CBを使用した冗長ネットワークの作成

802.1CB標準により、システム設計者はネットワーク上で冗長通信ストリームを作成できます。一般的なアプリケーションは、複数のデバイスを備えたリングトポロジネットワークです。デバイス間の通信は複製され、リング上の各方向に送信されます。いずれかの時点でリングが切断された場合でも、すべてのデバイスは、パケットが失われることなく、また再送信アルゴリズムによって遅延が発生することなく、相互に通信できます。

図3。 メッセージの冗長性を備えたリングトポロジ図。

デバイス（トーカー）がリング内の別のデバイス（リスナー）と通信する場合は常に、異なる方向に重複したメッセージを送信します。この機能はハードウェアに実装されているため、TSN対応スイッチはパケットを複製し、複製されたストリームを識別するヘッダーと、受信者が受信した複製を破棄できるようにするシーケンスIDを含む冗長タグを挿入します。リスナーのTSN対応ハードウェアは、リング上の両方向からパケットを受信し、最初の一意のパケットを検出します。次に、同じシーケンスIDを使用して後で到着する重複パケットを自動的に破棄します。

これらのタスクをTSN対応のハードウェアにオフロードすると、複雑な再送信アルゴリズムが不要になるため、ソフトウェア開発が簡素化されます。

802.1CBを使用するには、システム設計者はTSN対応スイッチを介して複製するトラフィックストリームを特定する必要があります。いくつかの異なる方法が存在しますが、それぞれのコアで、ネットワークスイッチは所定のパターンに一致するメッセージを複製します（たとえば、特定のMACアドレスを持つデバイスに送信されるすべてのメッセージ）。

単一ネットワーク上のOTトラフィックとITトラフィックを802.1Qbvと組み合わせる

802.1Qbv標準は、SoC内のイーサネットスイッチまたはスタンドアロンイーサネットコントローラーの出力ポート（送信ポート）に実装されている時間認識シェーパーを利用します。時間認識シェーパーは、トラフィックがいつネットワークに送信できるかを決定します。この規格では、さまざまなトラフィックストリームに対して8つのキューが定義されており、ソフトウェアはゲート制御リストを使用してこれらのキューを構成します。

図4。 802.1Qbvスケジュールの概略例。スケジュールには、OTデータとITデータを別々に送信するための2つの別々の時間領域（灰色と青色）が含まれています。

ゲート制御リストは、キューからトラフィックを排出す​​るためにゲートが開くスケジュールを設定します。これらのリストは用途が広く、複数のゲートを同時に開いたり閉じたりすることができます。スケジュールの各ステップに一意の時間間隔を設定することもできます。

デバイスで実行されている各ソフトウェアアプリケーションは、そのアプリケーションの優先度レベルまたは送信しているデータに応じて、トラフィックを異なるキューに割り当てます。マッピングは、プロトコル、宛先ポート、および特定のトラフィックタイプ（たとえば、PTP over UDP）によって発生する可能性があります。ネットワーク上のすべてのデバイスが同期および管理され、重要なデータストリームがネットワーク上で衝突しないようにし、リアルタイムの要件を満たしていることを確認します。

TSNハードウェアは、各タイムスロットの前にガードバンドも自動的に適用します。これにより、ゲート遷移の直前に大きなパケットの送信が開始されないことが保証されます。そうしないと、優先度の低いパケット送信が優先度の高いタイムスロットで実行される可能性があります。ハードウェアは送信前に各パケットを検査し、現在のタイムスロットでパケットを完了できない場合、ハードウェアはこのトラフィッククラスの次のタイムスロットが利用可能になるまでパケットを保持します。

時間に敏感なネットワーキングのためのソフトウェアの有効化

NXPは、Layerscape®LS1028Aおよびその他のマイクロプロセッサのTSN機能を利用するためのいくつかのソフトウェアツールを提供しています。

オープンソースソフトウェア

オープンソース開発プラットフォームを好む人のために、NXPはLS1028AのすべてのTSN機能を構成するためのtsntoolを提供します。あるいは、開発者はLinuxiproute2ユーティリティスイートの一部であるtcコマンドを使用できます。 Tcは、タイムアウェアシェーパーを構成し、アプリケーショントラフィックをさまざまなトラフィックキューに誘導できます。 gPTPは、ptp4lパッケージでサポートされています。

オーディオビデオブリッジング（AVB）およびTime-Sensitive Networking（TSN）スタック

NXPは、マイクロプロセッサとマイクロコントローラの両方で実行できるポータブルAVB / TSNスタックも提供し、スケーラブルなプラットフォームのセットにTSNを展開する必要がある開発者にオプションを提供します。

上記の802.1Qbvの説明では、ゲート制御リストをTSN対応のイーサネットコントローラーにアップロードする1つの方法として、Layerscape LS1028Aソフトウェア開発キット（SDK）について説明しました。 LS1028Aは、通常Linux®OSまたは異なる高レベルOSまたはリアルタイムオペレーティングシステムを実行する2つのArm®Cortex®-A72コアに基づくアプリケーションプロセッサです。

LS1028Aには、TSN対応のイーサネットコントローラと、TSNをサポートする統合ネットワークスイッチが含まれています。さらに、LS1028Aアプリケーションプロセッサは、暗号化エンジンや信頼アーキテクチャなどのさまざまなセキュリティ機能をサポートしています。さらに、このデバイスには、DisplayPort（DP）を介した3Dグラフィックスアクセラレーションとモニターサポートも組み込まれています。

LS1028Aは、産業ユースケースに特化したオープン産業用Linuxを実行できます。これにより、デバイスはリアルタイム環境で機能し、低遅延の処理を実行できます（xenomai Linuxを使用）。さらに、このデバイスは、一方のコアでベアメタルコードを実行し、もう一方のコアでLinuxを実行できます。

さらに、NXPは、TSNのオープンソースサポートと、TSNを構成するためのツールを提供します。オープンインダストリアルLinux内で、NXPはPTPのオープンソースドライバーサポートを提供します。これらのドライバーを使用すると、ユーザーはPTPハードウェアのクロックとタイムスタンプを制御できます。

今後の同期モーター制御の例の一部では、市販のNXP AVBスタックを利用します。これは、説明した標準のいくつかの初期の反復です。 NXPは将来TSNサポートを追加する予定です。

Layerscape LS1028Aの代替として、i.MXRT1170クロスオーバーMCUはTSNをサポートするもう1つのNXPデバイスです。このデュアルコアクロスオーバーMCUは、最大1 GHzで動作可能なCortex-M7コアと、400MHzでクロックされる組み込みArmCortex-M4コアを備えています。

このクロスオーバーMCUは、多くの一般的なMPU IOを高性能マイクロコントローラーコア、ディスプレイ機能、高度なセキュリティと組み合わせ、TSN対応のイーサネットコントローラーを備えています。

実用的な例：TSNを使用した同期モーター制御

次の実際の例では、2つのモーターにスロットが切り取られたプラスチックディスクが取り付けられています。これらのディスクは、ディスクが互いに衝突しないように同期して動作する必要があります。これを実現するために、i.MX RT1170 MCUは、802.1AS対応のイーサネットコントローラーを使用してシステム全体を調整するタスクを実行します。

図5。 同期モーター制御の例の概要。 i.MX RT1170 MCUはモーターの同期動作を保証し、LS1028Aを搭載したネットワークブリッジはタイムクリティカルなデータが異なる時間枠で送信されることを保証します。

モーターは、メインコーディネーターからパケットを受信する個別のコントローラーに接続されています。このデータは、モーターにいつ移動するかを指示します。

ネットワークブリッジは、コンポーネント間のトラフィックを転送します。この例では、ブリッジはLayerscapeLS1028Aアプリケーションプロセッサを使用しています。これらのデバイスは、TSN802.1Qbv標準を使用してOTトラフィックとITトラフィックを組み合わせることができます。このアプローチでは、モーター制御データは、この例ではランダムに生成されたデータであるITデータとは異なる時間枠で送信されます。

前述のように、TSN標準を組み合わせて、特定のアプリケーションの要件を満たすことができます。この例はまさにそれを示しています。メインコントローラーは802.1ASを使用して同期されたタイムベースを確立し、スイッチは802.1Qbvを実装してネットワークトラフィックを形成し、タイムクリティカルなデータが指定された制約内で送信されるようにします。これにより、モーターが同期して可能な限り高速に動作できるようになります。

共有接続のための時間に敏感なネットワーキング

ITデータとOTデータには相反する要件があります。通常、ITトラフィックはOTトラフィックよりも多くのデータで構成されており、通常はベストエフォート通信で十分です。一方、OTトラフィックはタイムクリティカルです。通常、厳密なタイミング、遅延、および遅延の制約が適用されます。 TSNを使用すると、システム設計者はイーサネットネットワークを使用して、共有接続でITおよびOTデータを送信できます。

802.1ASは、ネットワーク内の複数のデバイスをナノ秒以内の精度で同期します。この機能は、多くのLayerscape、i.MX、およびi.MX RTクロスオーバーMCUで利用でき、オープンソースおよびターンキーの商用ソフトウェアは、TSNをサポートするためにすぐに利用できます。

802.1CBを使用すると、システム設計者はイーサネットネットワークに冗長性を追加することでシステムにフォールトトレランスを導入できます。 TSN対応のハードウェアでは、冗長機能がハードウェアにオフロードされます。そうすることで、アプリケーションソフトウェアのオーバーヘッドが少なくなります。この機能はLayerscapeLS1028Aで利用でき、オープンソースのソフトウェアとドライバーも利用できます。

802.1Qbvは、標準のイーサネットネットワークに時間認識シェーピングを導入します。時間に敏感なイーサネットトラフィックストリームに低遅延と低ジッタートランスポートを提供し、特定のアプリケーション用に帯域幅を予約します。 OTトラフィックとITトラフィックは単一のネットワークを共有します。この機能は、いくつかのNXPプロセッサでも利用でき、オープンソースおよびターンキーの商用ソフトウェアが利用できます。

モーター制御の例に示されているように、特定のアプリケーションのニーズに合わせてさまざまな規格を組み合わせることができます。

NXPのコミュニティページには、時間に敏感なネットワーキングを可能にして共有データ接続を可能にする、NXPプロセッサに関する多数のフォーラム、例、アプリケーションノート、およびその他の情報が用意されています。

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