TSN(Time-Sensitive Networking)を環境構築して遊んでみた

TSN(Time-Sensitive Networking)を環境構築して遊んでみたミソジ　2023/3/26 第13回FA設備技術勉強会 in けいはんな #FA_Study

自己紹介名前：ミソジ　@misoji_engineer 仕事：ハードウェア系のエンジニアエンジニアの電気屋さん(https://misoji-engineer.com/) 「ハードウェア」などの技術ネタをブログにしてます

アジェンダ • TSN(Time-Sensitive Networking)で遊びたい    • どうやったらテスト環境構築できるか調べてみる    • いろんなパターンでテストしてみる 
  • まとめ 

TSN(Time-Sensitive Networking) リアルタイム性がある拡張された標準イーサネット。  何かカッコいい！遊んでみたい！  時刻同期 (Synchronization)  信頼性   (Reliability)  遅延 
(Latency)  リソース管理 (Resource management)  次世代の車載  ネットワーク  TSN対応  PLC(PC)  TSN対応ハブ 

FAのTSN対応機器も一部あるが… 怪しい趣味で周辺機器を含めて集めるには少しハードルが高い… 既に販売中のTSN対応のFA機器もあるが…  　　　　・Beckoff_EK1000  　　　　・三菱電機_CC-Link IE TSN  　　　　　… 
      TSN対応  ハブ(カプラー)  TSN対応PLC 

やりたいことは沢山！・TSNでn(ナノ)secレベルの時刻同期・市販PCから簡単にTSN通信・TSNの通信設定を確認・調整・TSNの時分割(IEEE 802.1QBV)の確認・TSNのパケットをキャプチャ(解析) ・TSNの伝送遅延測定を確認　他にも色々… TSNを色々と弄れて+安い
個人環境が欲しい！重要！

エンジニアのいつもの無いならば～ TSNの環境が

エンジニアのいつもの作ればいいじゃない！ TSNの環境を

TSNの環境構築できるのか？ • 次世代の車載ネットワーク関係者でもない • TSN対応したFA機器も触ったことがない • ハード屋で通信プロトコルの専門家でもない 100%趣味の個人でTSN扱えるの…？

ちょっとTSNを調べてくる 1.適当なPC・デバイスではTSN使えないの？ 2.TSNの通信ができるPCに改造する 3.TSNスイッチ(ハブ)にもなれる評価ボード 4.TSNの通信テスト安くテストできる環境構築

1. 適当なPC・デバイスでは TSN使えないの？

適当なPC・デバイスではTSNは使えない TSNにはPTP(ハードウェアタイムスタンプ)が必要 ※PTP(Precision Time Protocol)…時刻同期の規格 ※正確にはPTPv2(IEEE 1588-2008)を簡略化したgPTP

TSNには時刻同期(PTP)の環境構築が必要 PTPの通信ができる環境構築。 ※金融業界での高精度取引、放送業界の4K/8K、通信業界のLTE …等々にも使われている通信環境 TSN対応  PLC(PC)  TSN対応  デバイス  TSN対応  デバイス 
PTP  PTP  ハードウェアタイムスタンプで  us以下の時刻精度  タイムスタンプ  **:**:**  タイムスタンプ  **:**:**  タイムスタンプ  **:**:** 

2. TSNの通信ができる PCに改造する

TSNの通信ができるPCを作る (家にある)市販のデスクトップPCを改造 5~6年前の型落ち中古PC(2万円) 

TSNの通信ができるLANカード(NIC) 数千円でPTP(時刻同期)対応のLANカードが購入できます詳細はブログ記事に記載済　https://misoji-engineer.com/archives/ptp-lan-card.html

PCのテスト環境はLinuxとlinuxptp TSNの通信ができるPC(テスト環境)が出来ました。詳細はブログ記事に記載済　 https://misoji-engineer.com/archives/linuxptp-ubuntu.html PTPの通信に関してはオープンソースのlinuxptpを利用 https://linuxptp.sourceforge.net/ OSはUbuntu(Linux) ハードウェアタイムスタンプOK！
PTPの通信の初期化OK！

3. TSNスイッチ(ハブ)にもなれる評価ボード

TSNスイッチ(ハブ)対応のデバイス XilinxのKR260(FPGAボード)を使用 ※現時点では(個人で買える)TSN対応のボードが非常に少ない… 今回は予算の関係で 3つ目以降のデバイスは断念 FPGA…ハードレベルでロジック書き換え可能なIC

KR260は産業用向けの評価ボード Xilinx公式の手順・サンプルに沿って環境を構築 ※詳細はブログ記事に記載済　https://misoji-engineer.com/archives/kr260-ubuntu.html 約6万円でした。何とか個人でも買えるレベル…

4. TSNの通信テスト

TSNのテスト環境 TSN通信の機器を2台用意できました。 ※マスター・スレーブを逆にも出来ること確認済

TSNの時刻同期の確認 TSN通信でus以下の時刻同期を確認 ※詳細はブログ記事に記載済　https://misoji-engineer.com/archives/tsn-kr260.html

Wiresharkでパケットキャプチャも可能 TSNのネットワーク調査でWiresharkも使えます。詳細はブログ記事に記載済　 https://misoji-engineer.com/archives/tsn-packet.html

TSNの時分割(IEEE 802.1QBV) TSNの特徴である通信トラフィックをスケジューリング ※詳細はブログ記事に記載済　https://misoji-engineer.com/archives/tsn-time-synchronization.html 例えばFAだと「位置精度」など重要な情報を優先的に割り当てれる

TSNの動画デモ + 感想 1.TSNの時刻同期 2.TSN通信をWiresharkでの解析 3.TSNで遊んでみた(すごく個人的な)感想①②③ 代表的なパターンでのデモ + 感想

TSNの時刻同期のデモ ※動画のリンク先　https://youtu.be/uYP5x2dd3TE

Wiresharkで解析したデモ ※動画のリンク先　https://youtu.be/TaQrDHwTMNY

TSNで遊んでみた(すごく個人的な)感想① 1.標準のイーサネットの感覚で通信テスト・使える　 →今回あくまで大変だったのは「通信環境の構築」　テスト開始したら、よくあるネットワーク弄る感じで色々遊んでいます。　EDS、GSDML、ESI…とか、固有の設定が無くて楽。 →使う側・開発する側も、標準(普通の)イーサネット使う方が　余分な環境・コストはいらないし、特別に覚えることも少ないと思う。使う分には「標準のイーサネット」の感覚リアルタイム性は特に意識しなくても勝手やってくれる
…とN=1,趣味で遊び始めた奴が勝手に言っている

TSNで遊んでみた(すごく個人的な)感想② 2.標準イーサネットでus以下の時刻同期が簡単に取れる　　　　　世界線が徐々に近づいて来てる →現在は工場・FAなどで、同期した機械制御をするには、　EtherCAT,PROFINETなど含めた産業用イーサネットが主力(簡単)だと思う。 →ただ「5G」とか、その先の将来の通信ネットワーク網で、　・標準のPC・デバイスでもPTPが使える　・「無線」でもPTPが簡単に使える　とかなると、一気に状況・環境が変わってきそう。maybe…多分… 複数軸でusのリアルタイムの機械制御？
　→普通のネット環境でも大丈夫！ …という未来も遠くないのかもしれない。

TSNで遊んでみた(すごく個人的な)感想③ 3.現時点では、無理してTSNを使う必要は無いと思う →TSNでしか要件を満たせないFAでの場面は、現時点では多くない認識。　ユーザ側では「TSNが当たり前」という状況からでも遅くないと思う。 →ただ、まだ策定中の所も多いと思うが「～～TSN」「～～ over TSN」とか　産業ネットワーク業界もTSNを大分気にしている様子。　TSN対応含めて、これからの動きに筆者も1ユーザとして期待しています。　　
まだまだTSN対応した機器・デバイスは少ない… これからの動きに期待しています。

詳細のまとめ記事リンク先・TSN通信の仕組みのまとめ。実際にテスト・調べてみた　https://misoji-engineer.com/archives/tsn-matome.html

まとめ TSNを環境構築して十分に遊べました！ TSNを弄りたい・遊びたい方におすすめです

最後にご清聴ありがとうございました

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