決定論的な通信を保証するタイムセンシティブネットワーキングの実装方法

自律型ロボットなどのインダストリ4.0システム、5G通信、自動車の先進運転支援システム（ADAS）、リアルタイムストリーミングサービスなど、さまざまなアプリケーションで決定論的通信は欠かせません。IEEE 802 Ethernetの規格であるタイムセンシティブネットワーキング（TSN）は、決定論的な通信をサポートするために拡張されたものです。TSNは適切に実装されれば、非TSN機器との相互運用が可能ですが、決定論的な通信はTSN対応機器間でのみ可能です。TSNを実装する際、決定論的な通信と相互運用性を確保するために調整すべきIEEE 802規格が多数あるため、ネットワーク機器に一からTSNを設計するのは複雑で時間がかかります。

そのため、ネットワーク機器の設計者は、TSN機能を内蔵したマイクロプロセッサ（MPU）を利用することで、製品化までの時間を短縮し、開発リスクを低減することができます。この記事では、TSNの動作と実装の基本を確認し、TSNを実装するための多くのIEEE 802.1規格の中から一部を紹介します。また、IEC/IEEE 60802とTSNの関係を考察して、TSNとEtherCAT、ProfiNet、EtherNet/IPなどの他のプロトコルの比較を行います。さらに、TSN機能を搭載したTexas Instruments、NXP、RenesasのMPUと、インダストリ4.0デバイスへの決定論的ネットワーク統合をサポートする開発プラットフォームを紹介します。

TSNが開発される以前、リアルタイムネットワークは産業用の特殊なフィールドバスでしか利用できませんでした。フィールドバスは、しばしば「産業用Ethernet」とも呼ばれます。802.1 TSN規格は、レイヤ2機能とローカルエリアネットワーキング（LAN）レベルのスイッチングを定義し、時刻と同期の概念を追加しています。TSNは、レイヤ2以上のレベルのプロトコルを置き換えるものではなく、ソフトウェアインターフェースやハードウェア構成・機能を定義しないため、さまざまなアプリケーションプログラミングインターフェース（API）に対応することができます（図1）。

図1：TSN規格はレイヤ2の機能を定義しており、さまざまなAPIと共存できます。（画像提供：Texas Instruments）

既存のTSNトラフィックシェーピングアルゴリズムは、標準的なEthernetネットワーク内で、リアルタイムトラフィックと通常のベストエフォートトラフィックの共存を可能にします。タイムクリティカルな通信に対して、決定性、低レイテンシを保証することができます。産業や自動車環境における安全関連システムの展開をサポートすることができます。IEEE 802.1 TSNの主な準規格には、以下のものがあります（表1）。

• IEEE 802.1 AS - タイミングと同期
• IEEE 802.1Qbv - タイムアウェアシェイパ
• IEEE 802.3Qbr - インタースパースドエクスプレストラフィック
• IEEE 802.1Qbu - フレーム割り込み
• IEEE 802.1Qca - パス制御と予約
• IEEE 802.1CB - 冗長性
• IEEE 802.1 Qcc - ストリーム予約の強化と改良
• IEEE 802.1 Qch - サイクリックキューイングと転送
• IEEE 802.1Qci - ストリームごとのフィルタリングとポリシング
• IEEE 802.1CM - フロントホールに対応したタイムセンシティブネットワーク

表1：TSNは多数の準規格に依存し、決定論的な性能、冗長性、その他の機能をモジュール方式で提供します。（画像提供：Texas Instruments）

IEEE TSNは、TSNの運用を保証するために必要な準規格として4つのカテゴリに分けられます。時刻同期は、ネットワーク上のクロックを確実に同期させるための基盤です。802.1AS（802.1ASrevとも呼ばれる）は、同期に関連する主要な準規格です。

もう1つの準規格のグループは、低レイテンシに関連するものです。低境界レイテンシのサポートは、データ伝送の決定論を実現するための必要条件であり、802.1Qat（クレジットベースシェイパ）、802.3Qbr（インタースパースドエクスプレストラフィック）、802.1Qbu（フレーム割り込み）、802.1Qbv（タイムアウェアシェイパ（TAS）、802.1Qav（サイクリックキューイングと転送）、802.1Qcr（非同期トラフィックシェイピング）の5つの準規格で定義されています。

故障やエラーに対応し、冗長性や関連機能を提供するために、超高信頼性が要求されます。関連する準規格には、802.1CB（フレームの複製と削除）、802.1Qca（パスの制御と予約）、802.1qci（ストリームごとのフィルタリングとポリシング）、802.1ASおよび802.1AVBの一部（TSNとIEEEオーディオ伝送規格のタイミングと同期部分の時間同期の信頼性）などがあります。

専用リソース、API、その他必要な「オーバーヘッド」機能（より高度な計画や構成、異種ネットワークでの相互運用性など）に関連する一般的な準規格のグループがあります。これらの一般的な準規格の例としては、802.1Qat（ストリーム予約プロトコル）、P802.1Acc（TSN設定）、YANG（Yet Another Next Generation）データモデリング言語との互換性、802.1Qdd（リソース割り当てプロトコル）などがあります。

TSNはモジュール設計のため、特定のアプリケーションやユースケースに最適化することが可能です。すべての機能が毎回必要なわけではありません。たとえば、802.1ASのタイミングと同期は、すべてのファクトリオートメーションでのTSNの使用で特に重要である一方で、冗長性はオートメーションのユースケースのサブセットでのみ必要とされるかもしれません。

IEC/IEEE 60802とTSNとの関連性は？

本稿執筆時点では、IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN Profile for Industrial Automationがコメントアウトされており、2023年中に承認される予定です。このIEC SC65C/WG18とIEEE 802のプロジェクトは、産業用オートメーション用のTSNプロファイルを定義します。この共同の取り組みでは、ブリッジ、エンドステーション、LANの機能、オプション、構成、デフォルト、プロトコル、手順などをプロファイルとして選択し、産業用オートメーションネットワークを構築します。既存のIEEE 802 TSN規格と同様に、60802は柔軟なモジュール方式を採用し、さまざまなネットワークシナリオに対応する予定です。

IEC/IEEE 60802は、IEEE 802規格を超えるもので、産業用オートメーション用の相互運用可能なブリッジ型タイムセンシティブネットワークのユーザーとベンダが、オペレーション技術のトラフィックとその他のトラフィックを同時にサポートする統合型ネットワークを効果的に展開するために、TSN関連規格と機能の選択と使用に関するガイドラインを必要としている事実を認識して開発されています。さまざまなフィールドバスが「産業用Ethernet」と呼ばれることが多いため、少なくとも当初はIEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automationのリリースが混乱の元となることが予想されます。

TSNとフィールドバス

TSNとフィールドバスの使い分けは、二者択一ではありません。これらは互換性があり、一緒に使われることも多く、いずれも時間同期に関連した概念を採用しています。しかし、PROFINET、EtherNet/IP、EtherCATなどのフィールドバスは、それぞれ異なる方法で同期を実装しています。PROFINETはPrecision Time Control Protocol（PTCP）を採用しています。EtherCATは、同期化のために専用レジスタと関連レジスタを使用する分散クロックを使用しています。

PROFINETとEtherNet/IPは、基盤となるスイッチング技術としてIEEE Ethernetラーニングブリッジを採用しています。その結果、これらのプロトコルは、TASとフレーム割り込みの拡張を適応させて、標準的なTSNハードウェアを使用することができるようになりました。EtherNet/IPは、データ交換にUDPパケットを使用し、TSNスイッチング層と互換性があります。PROFINETは、プログラマブルリアルタイムユニット産業用通信サブシステム（PRU-ICSS）TSNソリューションによってサポートされるデータのための直接レイヤ2バッファモデルをサポートしています。

TSNは、少なくともEtherCATやPROFINETなどの産業用Ethernetプロトコルと同程度のサイクルタイムに対応できるように設計されています。ギガビットEthernetにアップグレードした場合、TSNは他のプロトコルの性能を上回ることが期待されます。EtherCATの決定論的トラフィックのサポートは、特殊なタイプのデータパケットに限定されています。EtherCATとTSNを組み合わせて使用することで、柔軟性を向上させることができます。たとえば、同期に関しては、TSNはマルチマスター機能を追加しています。3つのプロトコルは、それぞれ異なる方法で冗長性を確保しています。TSNでは、IEC 62439-3で規定されているparallel redundancy protocol（PRP）やhigh-availability seamless redundancy protocol（HSR）といった手法を用いて、ゼロロス冗長を実現しています（表2）。

表2：EtherCAT、PROFINET、TSNは類似した機能を持ちながら、異なる方法で実装されています。（画像提供：Texas Instruments）

TSNはアプリケーション層を含まず、アプリケーションレベルでフィールドバスに干渉することはありません。たとえば、マシンレベルでEtherCATを使用しながら、マシンをスイッチで相互接続することで、TSN機能を含む産業用Ethernetネットワークを構築することができます。TSN-EtherCAT統合ネットワークは、技術を混ぜ合わせるのではなく、両方の技術を使い、それぞれの最高の性能を実現するためのシームレスな統合を定義しています。

最大6つのTSNポートを持つMCU

TSN接続を必要とするインダストリ4.0の組み込みデバイスの設計者は、AM6528BACDXEAなどのTexas InstrumentsのAM652x Sitaraプロセッサを利用することができます。これらのMCUは、2つのArm Cortex-A53コアとデュアルCortex-R5F、3つのプログラマブルリアルタイムユニットおよび産業用通信サブシステムGigabit（PRU_ICSSG）サブシステムを組み合わせ、TSN、PROFINET、EtherCAT、その他のプロトコルなど最大6ポートの産業用Ethernetに使用できるほか、標準的なギガビットEthernet接続に使用することができます（図2参照）。

図2：AM652x Sitaraプロセッサには、TSNやその他の産業用Ethernetプロトコルに使用できるポートが6つ搭載されています。（画像提供：Texas Instruments）

AM652x MCUファミリは、デバイス管理およびセキュリティ制御（DMSC）サブシステムによって管理される粒度の高いファイアウォールに加えて、セキュアブートおよび暗号化アクセラレーションを搭載しています。さらに、デュアルCortex-R5F MCUサブシステムは、2つの個別コアとして汎用的に使用できるほか、機能安全アプリケーション向けにコアをロックステップ方式で使用することも可能です。

CC-Link IE TSNスタック搭載MCU

MIMXRT1176DVMAAのようなNXPのi.MX RT1170クロスオーバーMCUは、高性能なCortex-M7コア（最大1GHzで動作）と電力効率の良いCortex-M4コア（最大400MHzで動作）のデュアルコアアーキテクチャを採用しています。このデュアルコアアーキテクチャは、アプリケーションの並列実行を可能にし、必要に応じて個々のコアをオフにすることで消費電力の最適化をサポートします。これらのMCUは、完全なCC-Link IE TSN通信スタックを提供し、リアルタイム動作をサポートするように最適化されており、12nsの割り込み応答時間を実現しています。

図3：NXPのMCU「i.MX RT1170」は、専用のTSN機能ブロック（黒い楕円の中）を搭載しています。（画像提供：NXP）

機械学習（ML）アプリケーション、リアルタイムモータ制御、顔認識などの高度なヒューマンマシンインターフェース（HMI）、その他のインダストリ4.0アプリケーションの開発を加速するために、NXPはMIMXRT1170-EVK評価キットを提供しています（図4参照）。この評価キットは、電磁両立性（EMC）性能を向上させるためにスルーホール設計の6層プリント回路基板（PCB）を使って作られており、TSN接続の開発用に2つのEthernetポートを搭載しています。

図4：NXPのMIMXRT1170-EVK評価キット。（画像提供：NXP）

TSN用MCUとスターターキット

RenesasのR9A07G084M04GBG#AC0などのRZ/N2LファミリのMCUは、インダストリ4.0アプリケーションにおける産業用EthernetとTSNの実装を簡素化するために設計されています。TSN、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、OPC UAをサポートする3ポートのギガビットEthernetスイッチによる確定的な通信を可能にします。また、RenesasではRTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ for RZ/N2L MCUを提供しています。本スターターキットは、産業用途に適した周辺機能を豊富に搭載し、産業用EthernetやTSNの評価をサポートします（図7）。キットには必要なハードウェアとソフトウェアがすべて含まれています。

• ハードウェア
  • RZ/N2L MCUとオンボードエミュレータを搭載したCPUボード
  • 電源供給用USBケーブル（Type C to Type C）
  • オンボードエミュレータ接続用USBケーブル（Type A to Type Micro B）
  • PC端末デバッグ用USBケーブル（Type A to Type Mini B）
• ソフトウェア
  • また、開発環境、サンプルコード、アプリケーションノートをWeb上で公開しており、周辺ドライバや多数のアプリケーション例を含むソフトウェアサポートパッケージも含まれているため、迅速な評価や試作が可能です。

図5：RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+は、決定論的ネットワークの開発を支援するために必要なハードウェアとソフトウェア、およびアプリケーション例を含んでいます。（画像提供：Renesas）

まとめ

TSNはIEEE 802.1 Ethernet規格に追加され、決定論的な通信の開発をサポートしています。TSNはレイヤ2の通信機能を定義しており、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IPなどの上位プロトコルと互換性があります。近々、国際標準規格であるIEC/IEEE 60802「TSN Profile for Industrial Automation」で具体化される予定です。サプライヤはすでにTSNをMCUや関連開発プラットフォームに組み込み始めており、設計者が決定論的通信を次世代のインダストリ4.0機器に迅速に統合できるよう支援しています。