《 TSN入門編 》
オートメーションネットワークとTSN

1. TSN（Time-Sensitive Networking）とは？

従来の標準Ethernet（イーサネット）技術では不可能であった1マイクロ秒（㎲）以下の精度で時刻同期を保証し、リアルタイム性を担保できるようにしたネットワーク規格です。

工場などでは、EtherCAT、PROFINET IRT、Sercos III など、いくつかのリアルタイム通信技術が使用されていますが、互換性の問題があり、帯域幅の増加など将来の拡張に対応できるものが限られています。これらの問題に対応できるのがTSNであり、TSNが持つ次の3つにより、これまでの制約を解消します。

2. オートメーションアーキテクチャの変遷 - Industrie 3.0から4.0への移行

TSNが必要とされるようになった背景には市場の移行があります。
ドイツのオートメーション市場において「Industrie 3.0 ( 第三次産業革命)」と呼ばれるものから「Industrie 4.0(第四次産業革命)」に移行しており、簡単に言うと「製造業におけるデジタル化」が劇的に進化しています。
この移行は、一般的にAutomation pyramid（ピラミッド型のアーキテクチャ）からAutomation pillar（ネットワーク型の分散アーキテクチャ）への移行として描かれています。

Automation pyramidからAutomation pillarへの移行

ピラミッド型モデルは、工場の現場レベル（フィールドレベル）から最上部の管理システムまで、機能層が厳密に分かれているのが特徴です。
リアルタイムデータ通信は通常、センサーやアクチュエーターがある現場レベルとコントローラレベルの間で実行されます。
一方、Automation pillar では、コントローラレベルは消滅。制御機能の一部は、分散型制御ユニットとして現場レベルに移行され、安全機能などの極めて高速で信頼性の高いリアクションに使用されます。その他の制御ユニットは、上図の集中制御ユニット（「Virtual PLC」と記載）として管理レベル（現在は工場基幹と呼ばれる）に移行します。

3. Industrie 4.0 におけるTSNの必要性

Automation pillar におけるコネクティビティ層は、工場のバックボーンとフィールド層を結ぶ情報スーパーハイウェイ^※と考えることができます。トラフィックは、緊急性の高いデータと低いデータで構成されており、緊急性が高いデータは、時間通りに目的地に到達する必要があります。
緊急性を持つトラフィックとそうではないトラフィックをネットワーク上で構成する場合、それぞれでネットワーク接続を共有し、緊急性の高いトラフィックの流れを阻害しないようにする必要があり、それを実現できるのがTSNなのです。

4. オートメーションネットワークにおけるTSNの活用

オートメーションネットワークにおいてTSNを活用することにより、多数の小規模な分断されたネットワークを1つの統一されたネットワーク構造にすることを可能にします。この新しいネットワークは、より大規模なリアルタイム通信の要件に対応し、バックグラウンドデータにはより広い伝送帯域幅を提供することができます。複数のデータ通信を1つのネットワークで使用するネットワークコンバージェンスのメリットは、さまざまなマーケットで発揮されています。ここではいくつかの事例を紹介します。

工場での活用 - ファクトリーオートメーション

ファクトリーオートメーションでは、ネットワークコンバージェンスにより、分散型リアルタイム制御が可能になり、大型機械や多数のロボットが、従来よりも正確かつ柔軟に相互作用することができます。また、予知保全など、膨大な量のセンサーデータの解析を必要とするアプリケーションの実現も可能です。また、クラウドからセンサーまでの統合ネットワークにより、インターネットから生産設備に安全にリモートアクセスし、遠隔からメンテナンスなどの作業を行うことができます。

発電施設での活用 - エネルギーオートメーション

エネルギーオートメーション、例えば変電所では、ネットワークを介して電圧と電流のサンプリング値などのタイムクリティカルデータを電気保護装置に送るためにTSNを活用することができます。また、TSNはGOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）プロトコルをセンサーデータやネットワーク監視と同じネットワークインフラ上で使用する場合であっても、重要なイベント通知であるGOOSE のパフォーマンスを向上させることができます。

交通機関用アプリケーション

交通機関、例えば鉄道網における乗客向けの電車内サイネージといった便利なエンターテインメントアプリケーションは、旅客情報などのアプリケーションや安全とは無関係な制御機能とネットワークを共有することができます。一方、安全機能は、専用の制御ネットワーク上で他の制御機能と組み合わせることができます。

車載ネットワークにおけるTSN 活用

現代の自動車は、自律走行などの新機能を実現するために、車載される電子制御ユニットの数が非常に多くなっています。このような高機能化に伴い、物理的な接続性、通信帯域幅に対する要求も高まっています。 FlexRay、CAN（Controller Area Network）、MOST（Media Oriented Systems Transport）などの車載通信バスは、すべて専用の物理ケーブルに依存しており、複雑さと重量を増しています。このケーブルの重量増は、車の燃費と性能を低下させてしまうという問題がありました。
これらを解決するには多くの異なる車載通信バスを規格化されたイーサネットに統合させ、置き換えることでした。しかし主にイーサネットケーブルが車載用向けの電磁波耐性要件を満たしていなかったため、これらのバスシステムの多くをまだ置き換えていませんでしたが、この状況は変化しつつあります。 IEEE 802.3 ワーキンググループは、これらの要件を満たすことができるいくつかの物理層チップ（PHY）を規定したのです。PHYの導入により、車載市場はイーサネットとTSN に門戸を開くことになりました。

TSNは、異なる優先順位のトラフィックを1本のケーブルに統合できるため、車載用バックボーン通信技術として理想的なものです。TSNは、さまざまな車載通信バスを統合し、統一された接続レイヤーを形成するための置き換えを可能にしました。

5. まとめ

TSN技術は工場や電車など身近なものにも活用されており、1マイクロ秒（㎲）以下の精度で時刻同期を可能にし、リアルタイムコミュニケーションを担保する技術です。今後はさらに進化を遂げ、マーケットを広げていくと考えられています。また、日本の重要な産業を支える重要な役割を担う規格となりますので、ぜひ注目していただけたらと思います。

本ブログは、2018年に発刊されたBELDEN社の著作の第1章部分を抜粋し、ブログ向けとして簡単にまとめたものとなります。本編（全4章）をすべて読みたい、TSNをもっと詳しく勉強したいという方、ネットワークのご担当者様はぜひ下記よりダウンロードいただけたら幸いです。

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