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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

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

misoji engineer

March 25, 2023
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Transcript

  1. 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

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  2. 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

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  3. 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


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  4. 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


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  5. 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


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  6. 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!

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  7. エンジニアのいつもの
    無いならば~
    TSNの環境が

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  8. エンジニアのいつもの
    作ればいいじゃない!
    TSNの環境を

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  9. 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…?

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  10. 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

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  11. 1. 適当なPC・デバイスでは
    TSN使えないの?

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  12. 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

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  13. 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

    **:**:**


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  14. 2. TSNの通信ができる
    PCに改造する

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  15. 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)


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  16. 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

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  17. 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!

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  18. 3. TSNスイッチ(ハブ)にもなれる
    評価ボード

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  19. 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

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  20. 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…

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  21. 4. TSNの通信テスト

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  22. 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

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  23. 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

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  24. 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

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  25. 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

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  26. 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

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

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

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  29. 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

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  30. 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。

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  31. 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。

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  32. 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

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  33. 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

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  34. 最後に
    ご清聴ありがとうございました

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