産業オートメーション用TSN
Pekka Varis

Chief Technologist, Catalog Processors

Thomas Leyrer

Distinguished Member of Technical Staff
Texas InstrumentsはじめにTSN（Time-sensitive networking：タイム・センシティブ・ネットワーキング）は、IEEE（Institute of Electrical andElectronic Engineers：米国電気電子学会）が定義したイーサネットの拡張規格で、イーサネットをベースにしたネットワークが決定性のある挙動をするよう工夫されています。自動車、工業、パフォーマンス・オーディオなどの分野では、複数のネットワーク機器とのリアルタイム通信を行っており、TSN 規格によるメリットがあります。
コンシューマ市場や企業でのイーサネットおよび無線イーサネット通信は、帯域追求型です。例えば、インターネット閲覧
時に、ビデオ再生開始前の遅延時間が一定しなくても許容されるでしょう。すばやく応答してくれるのが望ましいのですが、100回クリックしたうちに1回、性能が1桁劣化したとしても、普通のユーザなら我慢するでしょう。しかし、ビデオ画質が悪かったり、ビデオが止まったりすればイライラします。
車両、生産ライン、コンサート・ホールなどで使用される制御系では、遅延発生の頻度が少なくても許容できません。このようなシステムでは、ネットワークを経由する制御データのレイテンシとジッタ（レイテンシの変動）が最も重要です。パケッ
トがシステム内の宛先へ到達するまでに要する最大時間によって、ネットワークの通信サイクル、すなわち、制御の頻度が決まります。
表1に、あるアプリケーション例でのネットワーク・パラメータ

モーターの新しい制御パラメータは250µs 毎に伝送されます。の概要を示します。.ネットワークのサイズとトポロジは（あるこのような固定用途向けにあらかじめ設計された装置では、アプリケーションに対して）固定されている場合も、可変の場短いサイクル・タイムで高精度にクロックを配信する、決定性合もあります。インターネットは、パケットがネットワークを通のあるリアルタイム・イーサネットが必要です。

過するノード数と経路という点からはワーストケースの事例です。インターネット上でパケットの転送を繰り返すと、レイテンシは秒の範囲になり、ジッタは極めて大きくなります。
それに対して、決定性のあるリアルタイム・イーサネット通信
では、ネットワーク接続されるデバイス数を制限することが一般的です。組み込み製品の例として工作機械を考えると、制御ハードウェア1台にイーサネットで接続されているモーターは100個未満です。

Networkfeature

Automotive Machine Professional Consumer
toolaudiovideo
radar

Scale

4 sensors

64 axes

20 speakers

1 screen

Bandwidth

1 Gb

100 Mb100 Mb100 Mb

Jitter

20 ns

100 ns

10 ns

100 ms

Latency

1 ms

100 µs

10 µs

1s

Cycle time

10 ms

<1 ms

StreamBurst

Time synchronized

Yes

Yes

Yes

NoTopology

StarLine, ring

Star, line

Point to point

表 1. 各種アプリケーション例でのネットワーク・パラメータ

産業オートメーション用 TSN

22018

最新工場の生産システムでは、システム全体がリアルタイム・TSN の原理イーサネットで接続されています。図1に、生産セルの各種制IEEE 802イーサネットとIP（Internet Protocol：インター御系を示します。TSN は、各種制御系をリアルタイムで接続ネットプロトコル）の組み合わせは、ハイテク産業の中でするための重要なテクノロジーです。

は稀有な成功例です。この優位性を脅かすものは、ATM（Asynchronous transfer mode：非同期転送モード）、トー制御系に対する要求は、規模、サイクル・タイム、精度の点でクン・リング、RapidIO®など、決定性とQoS の分野でさらさまざまですが、同じ通信インターフェイスを使用して、決定性のあるデータ転送を行うことができます。制御系の中には、数多くのセンサやアクチュエータが使用されています。これに洗練されたテクノロジしか存在しませんでした。TSN は大まかに言って12のIEEE 802規格からなり、相互運用性など、イーサネットの長所を損なうことなく、決定性とQoS に対処すらは、リアルタイム・イーサネットと直結されるか、リアルタイム・イーサネット・ネットワーク内のコンセントレータとシリアることを目指しています。

ルのポイント・ツー・ポイントで接続されます。決定性のある

TSN は、LAN（ローカル・エリア・ネットワーク）レベルのソネットワーキング性能を持つ TSN は、このような製造現場のリューションであり、非 TSNイーサネットと一緒に動作する「フィールド」レベルに適しています。

こともできますが、適時性は TSNLANの内部でしか保証されません。TSN 規格は、時刻の共通認識、最大レイテンシ保証、バックグラウンドまたは他トラフィックとの共存など、規格が解決するユースケースに基づいてグループ分けすることが可能です。
普及した他の規格と同様に、TSN 規格の技術的内容は進化を続けています。中には802.1AS-Revision（Rev）のように、まだ承認されていない個々の規格があり、別の新しいシェーパーも登場しています。このように進化し続けているため、ソリューションを選択する際には、新規または変更された規格に対応するためにソリューションをアップグレードできるかどうかを考慮することが重要です。
次ページの図2に示すように、TSN 機能を含むIEEE 802

図 1. TSN をバックボーンとするインダストリー 4.0 の生産セル

イーサネットは、レイヤ2つまりデータリンク層のテクノロ

産業用制御系の多数接続されたセンサやアクチュエータは、ジーで す。 アプリケーションでは、TSN 上にUDP/IP やTSNネットワーク構成における重要課題の1つです。TSN でPROFINETなどの上位レイヤ・プロトコルが必要です（6ペーは、ネットワーク経由で決定性のある配信を行うために、ストジの図4）。

リームを分類し、それらをタグ付けします。理想的な場合、コ

802.1AS-Revision：

ンバージド・ネットワークは、1つの TSNドメイン内で異なる時間的制約のあるアプリケーション用のストリーム・クラスに対応可能です。ネットワーク技術の疑問

時刻情報と同期に答える前に、まず TSNの基本機能を理解しましょう。

パケット転送に決定性を要求するネットワークでは、全デバイスに時刻の共通認識が必要です。BMCA（Best Master
Clock Algorithm）が稼働するネットワークでは、1つまたは複数のクロック・マスタが全デバイスに対し、イーサネット・パケット上で時刻を配信します。

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3

2018

TIの Sitaraプロセッサ用TSN 実装は、TAS に対応していま

Industrial
automation
protocol A

Industrial
automation
protocol BIndustrial
automation
protocol C

Payload

Payload

PayloadLayer 4

TCP header

UDP header

インタースパーシング・エクスプレス・トラフィック

Layer 3IP header

IP header

イーサネットはストア・アンド・フォワード型ネットワークです。

IP encapsulated

IP encapsulated

回線上で1つのパケットの送信が始まると、そのパケットの終す。TAS は大部分がハードウェア機能で、各ブリッジ・ポートとトーカーのハードウェア・シェーパーを構成するソフトウェ

Layers 5–7

ア・スタックがあります。

802.1Qbu： フレーム割り込み、802.3br：

Layer 2IEEE 802.1 standardized TSN mechanisms

端が届けられるまで、他のパケットを回線からブロックしまIEEE 802.3 standardized MACs

す。例えば、100Mbpsのネットワークで、MTU（最大転送単IEEE 802.3 standardized PHYs位）パケット・サイズが一般的な1.5kBである場合、約120ms

Layer 1（1.5kB/100Mbps）の間、ヘッド・オブ・ラインがブロックさ

図 2. IEEE TSN と通信スタックれます。リンク速度が上がれば、それに応じてブロック時間も減少しますが、1Gbpsのネットワークでもジッタは数十マイ

802.1AS-Revは、パケット上の高精度時刻情報である1588v2の厳密に定義されたサブセット、つまりプロファイルです。

クロ秒になります。

802.1AS への802.1AS-Rev の追加により、複数の時間ドメイ

ヘッド・オブ・ラインのブロック問題を軽減するため、IEEEンへの対応、および2ステップに加えて1ステップの対応が加ではフレーム割り込み（802.1Qbu）と関連物理層規格であるわります。これを支えるハードウェアは、できるだけワイヤのインタースパーシング・エクスプレス・トラフィック（802.3br）

近くで送受信パケットをタイムスタンプする必要があります。

を定めました。エクスプレス・トラフィックだけが割り込み可

1ステップ遅延報告に対しては、ハードウェアもパケットにタイ能で、エクスプレス・トラフィックに対してレイテンシが保証さムスタンプを挿入できる必要があります。2ステップ遅延報告れます。

では、送信タイムスタンプがフォローアップ・パケットに含まカットスルー・スイッチングは、TAS およびフレーム割り込みれるため、パケット上の時刻同期によるパケットの負荷が軽とともに、長いデイジー・チェーン・トポロジで接続されたネッ減される場合があります。

トワークなど、ワーストケースでのレイテンシを減少させるた

802.1AS-Revにはピア・ツー・ピアのライン遅延測定とブめの基本テクノロジーです。TIの Sitaraプロセッサ用TSNリッジ遅延の計算が含まれています。タイムスタンプ以外の実装では、カットスルー・スイッチング、フレーム割り込み、イ

802.1AS-Rev の機能は、通常、専用のコアで実行されるソフンタースパーシング・トラフィックに対応しています。

トウェアまたはファームウェアとして実装されます。テキサス・インスツルメンツ（TI）の SitaraTMプロセッサの TSN 実装

802.1Qch： サイクリック・キューイングと転送
サイクリック・キューイングと転送により、全ストリームに対しでは、802.1AS に対応しています。802.1AS-Revおよび1スて完全に決定性のある遅延が定義されます。TIの Sitaraプ

テップ遅延レポーティングは、今後のプロセッサ SDKリリー

ロセッサ用の TSN 実装は、最初の段階では802.1Qchに対応

スでサポートされます。

していません。代替として、802.Qbv（TAS）とフル・マネー

802.1Qbv： スケジュールされたトラフィックの拡張

ジド・ネットワークを利用した干渉トラフィックの排除を推奨

タイム・アウェア・シェーパー（TAS）は、スイッチがリアルタします。

イム・トラフィックのサイクル・タイムを認識するようにします。
出口ポート毎のパケット・スケジューラにより、トラフィックの干渉が起こらない期間（ウィンドウ）が周期的に設定されます。

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802.1CB： 信頼性のためのフレーム複製と削除

ストリーム宛先アドレスは、バーチャルLAN（VLAN）ID●	

通常、イーサネット・ネットワークは、欠落したイーサネット・フレームを回復するTCP（Transmission Control Protocol）
再送、ネットワーク経由の新たな経路を構築するSTP（スパニング・ツリー・プロトコル）などの上位レベル・プロトコル（802.1Q – VLANサポート）と連結した MAC 宛先アドレスです。通常は、ローカルで管理されるアドレスか、マルチキャスト・アドレスです。
VLANプライオリティ・ビットは、通常、1つまたは2つの●	に依存しています。これらはいずれも、フレームを配送するクラスだけを使用して、トラフィック・クラスを決定します。

ために、確定できない長さの時間を犠牲にしています。

ストリームIDは、リソース管理で使用するユニークな識別子

TSN は、冗長性を用いて、ケーブル切断、スイッチ故障などです。ストリーム宛先アドレスとトラフィック・クラスは、通過の単一障害点があった場合でもレイテンシを保証します。複するデータ・パスを識別します。

数経路があるLANトポロジ内部で、フレーム配送を予防的

802.1Qccは、 図3に 示 すように、CUC（Centralized Userに保証するため、802.1CBでは送信者がフレームを選択的にConfiguration：集中ユーザ構成）を用いた集中構成モデル

複製し、宛先で複製を廃棄することにより、冗長性を確保しに対応します。CNC（Centralized Network Configuration：ます。
802.1CBは、HSR（High-Availability Seamless Redundancy：
高可用シームレス冗長 性）やPRP（Parallel Redundancy

集中ネットワーク構成）は、リソース割り当てと可用性を計算し、ブリッジを構成します。
CNCと直接やり取りするトーカーとリスナー、あるいは完全Protocol：並列冗長プロトコル）などの初期の冗長性プロト

分散 型アーキテクチャなど、別のアーキテクチャも可能でコルで単一障害点によるレイテンシの影響を防いでいた、既す。RESTCONFやNETCONFのような、集中アーキテク存の産業用ネットワークと互換性があります。TIの Sitara

チャとYANG（IETF で開発され、RFC7950で定義されたプロセッサは、プログラマブルなリアルタイム・ユニット・サネットワーク構成用のデータ・モデリング言語）をベースにブシステムおよび産業用通信サブシステム（PRU-ICSS）上したネットワーク管理プロトコルを、TLS（Transport Layerで、HSRとPRPに対応しています。802.1CB は、プロセッサSecurity）のようなセキュア標準ネットワーキング・スタック上SDKの今後のリリースで使用可能になります。

で使用することもあります。

802.1Qcc：
ストリーム予約プロトコルの強化と性能TSNでは、識別ラベルとして、ストリームID、ストリーム宛先アドレス、トラフィック・クラスの3つを使用します。
ストリームIDは、16ビットのハ●	

ンドルと連結した MAC（MediaAccess Control：メディア・アクセス制御）ソース・アドレスです。

図 3. TSN の 構 成（ 出 典： https://www.belden.com/blog/industrial-ethernet/what-doestsnconfiguration-look-like-today-and-in-the-future）

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IEEE 仕様の範囲外にある第2の（おそらく、より独自性の強い）領域は、データパス・ソフトウェア内のレイテンシの概念とレイテンシの変動つまりジッタに焦点を合わせています。先に述べたように、初期のソケットは素晴らしいものですが、リアルタイムやレイテンシには対応しようとすらしていません。
TSNネットワークのデータパス周辺のAPIやソフトウェア・アーキテクチャは、徐々に進化してゆくでしょう。PRU-ICSSをベースにしたプログラマブル TSNソリューションでは、レイテンシのソフトウェア・スタック部分と構成管理の両方に

図 4. 産業用イーサネット・プロトコルとイーサネット。
（出典： http://profinews.com/2017/07/profinet-and-tsn/）

段階的に取り組みます。この TSNソリューションは、主要なLinux®ネットワーキングをサポートしながら、リアルタイム用の非常に特殊なバッファリング・メカニズムを要するソフト

産業用イーサネットへの TSN のインパクト

ウェア・アーキテクチャに適応することができます。そして、

TSNは、かつては専用の産業用フィールド・バス（産業用イーLinux がより多くのリアルタイム機能を活用できるようになれサネットとも呼ばれる）でしか利用できなかったリアルタイム機

ば、プログラマブルなソリューションによって新しいソフトウェ能を標準 IEEEイーサネットに追加します。TSNはイーサネッア・アーキテクチャに適応できます。TI は、Linaroグループ

ト上で使用されるプロトコルを不要にしたリ、置き換えるものでの活動を通じて、TSN ハードウェアの決定性の向上、およではありません。ソフトウェアへのインターフェイスが良い例

びオープンソースの構成 APIの提供を進めています。

で す。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet
Protocol）では、BSD（Berkeley Software Distribution）ソPROFINET®やEtherNet/IP™などの産 業 用イーサネッ

ケットはTCP/IPおよびネットワーキング一般に対する標準イン

ト・プロトコルは、IEEEイーサネットのラーニング・ブリッターフェイスとなっており、広範なアプリケーションでポータブジを基本のスイッチング・テクノロジーとして既に想定していルかつスケーラブルであることが実証されています。

ます。このようなプロトコルでは、産業用イーサネットで TSNHTTP（Hypertext Transfer Protocol）アプリケーションは、ローカル・ファイルでもインターネット経由の読み込みでもアプリケーションに変更を加えることなく動作します。しかし、プロトコルの優先事項がワーストケースのレイテンシの解決標準ハードウェアを使用するために、TAS 拡張とフレーム割り込みに対応できるようになっています。EtherNet/IPはデータ交換にUDP（User Datagram Protocol）パケットを使用しますが、PROFINETはコンシューマ/プロバイダのデータ用にレイヤ2バッファ・モデルを直接サポートします。

であったり、アプリケーションへの経路全体で時刻の概念をPROFINETとEtherNet/IPはともにTSNスイッチング・レ共有することであったりする場合には、これらのソケットは必ずしも適切なインターフェイスであるとは言えません。例えば、産業用イーサネット・プロトコルであるPROFINET では、単イヤとの互換性があり、リアルタイム強化によるメリットがあります。にこのプロトコルを実行するための1つのデータリンク層とし冗長性プロトコルのIEEE 規格化はまだ完了していません。て、TSN 対応のイーサネットを要求します。

802.1CB が MRP（Media Redundancy Protocol） やDLR（Device Level Ring）といった PROFINETやEtherNet/IP

IEEE TSN では、時刻概念を含め、レイヤ2機能とLANレの冗長性プロトコルの代わりとなるかどうかは、現時点ではベルのスイッチングを定義しています。IEEE TSNが定義しわかりません。既存の産業用通信プロトコルから新しい標準ていないものは、このようなハードウェア機能を構成するためへの移行には、通常、長い年月を要します。この移行段階でのソフトウェア・インターフェイスです。つまり、ベンダA 製のは、新旧プロトコルが生産システム内で同時に使われます。

スイッチの管理ソフトウェアでは、あるAPI（アプリケーション・プログラミング・インターフェイス）を使用する一方、ベンダ B 製では別のAPI が必要であることを意味します。

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既存と新規のプロトコル間をブリッジするゲートウェイ機能フェイスをサポートし、4つの仮想チャネルでのQoSに対応しがあれば、産業用通信への TSN ハードウェアの導入が促進ています。

されます。ゲートウェイ・アプリケーションとしては、以下のものが考えられます。
従来のフィールド・バス（DeviceNet™、PROFIBUS®）●	と新しいイーサネット・プロトコル（TSNのEtherNet/IP、TSNのPROFINET）間同一ネットワーク内で TSNと共存できない産業用イーサ●	ネット（EtherCAT®、SERCOS® III）
フィールド・レベル（コントローラ）と制御レベル（デバイ●	ス）間のゲートウェイ
TSNネットワークへのIO-Linkマスタ・ゲートウェイ●	

標準的な有線 /無線イーサネットを使用した TSN-クラ図 5. インダストリー 4.0 ゲートウェイ●	

ウド間インターフェイス上の OPC UA（OLE for Process
Control Unified Architecture）

結論
TSN は、順調に進化しており、大規模な産業用ネットワークフィールド/ 制御レベルのプロトコルとクラウドへのアップ上でレイテンシを保証してパケットを流すための豊富な機能リンクの組み合わせを提供します。産業用イーサネットの主要企業は、TSNテク●	

Sitara AM57x プロセッサは、 このリストにあるゲートウェイ機能をすべて実現可能です。産業用通信サブシステ

ノロジーを採用し、既存のエンジニアリング・システムやアプリケーション・プロファイルへの統合を進めています。

ム（PRU-ICSS）2セット、追加のギガビット・スイッチ1つ、上位レイヤの制御系や工場 外 のその他アプリケーション

そして Wi-Fi® モジュールへのインターフェイス機能により、も、アプリケーションに依存しない CNC（Central Network

AM57xプロセッサは1つのデバイスから最大7つの通信チャConfiguration）ツールと連携する可能性があります。TSN

ネルをサポートできます。各 PRU-ICSS は、コントローラ側まは100Mb の転送レートに制限されず、高帯域のギガビット・たはデバイス側の産業用イーサネット・プロトコルを実装できイーサネットにも対応します。Sitara AM57x およびAM65xます。
Sitara AM65xプロセッサは、このサポートを最大3セッ製品を統合型 TSN ハードウェア・スイッチとともに使用する

トのPRU-ICSS でギガビット・データ・レートへと拡張します。

ことで、産業用イーサネットの100Mbから1Gb への移行を促

図5は、生産システム内の異なるレベルで展開できるゲート進できます。

ウェイ・オプションの可能性を示しています。AM65x 産業

関連リソース

用開発キットは、リアルタイム・ギガビット・イーサネット6

TI.com のインダストリー 4.0ページ

ポート、追加のギガビット・イーサネット1ポート、および PCIe
（Peripheral Component Interface Express）Gen 3インター©2018日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
Printed in Japan 2018.10

TSN 概要資料

JAJY078A

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