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インダストリアルIoTの実現に向けた、標準Ethernet規格の拡張版「TSN」

さまざまな産業の業務効率を改善し、新しいビジネスモデルをも生み出す可能性を秘めた仕組みとして、「インダストリアルIoT(IIoT)」に注目が集まっている。開発現場や生産現場、そして工業製品を利用する現場に、センサーや制御・解析機能を搭載したスマートエッジデバイスを分散配置し、ネットワークでつなぐことでデータを共有・伝送する、インテリジェントなSoS(System of Systems)が形成されつつある。そうした次世代の産業システムの構築で求められる要件に応えるべく、標準のEthernet規格を拡張するのが「TSN(Time-Sensitive Networking)」である。

 IIoTに対応したシステムの構築には、一つひとつのスマートエッジデバイスに、遠隔地から安全・確実にアクセスできるネットワーク技術が欠かせない。伝送すべきデータ量は急激に増加し、ネットワークの分散化も急速に進んでいる。次世代の産業システムの要件を満たすため、ネットワーク技術は、さらなる進化を遂げる必要がある。

産業用ネットワークでは確定性の高い通信が必須

岡田 一成 氏
日本ナショナルインスツルメンツ株式会社 マーケティング部 シニアテクニカルマーケティングマネージャ

 重要な情報の共有や伝送に使われる産業用ネットワークには、パソコンやスマートフォンなどIT機器に向けたものとは異なる特徴が求められる。

 例えば、工場内の生産状況を画像でモニタリングするマシンビジョンでは、画像データが途切れることなく確実に伝送できる、一定以上の帯域幅を確保したネットワークが求められる。また、ロボットの制御システムでは、センサーで検知した作業状況に応じて、迅速にフィードバックを掛けられる、低レイテンシ(遅延)のネットワークが欠かせない。

 IT機器では、ネット上の動画サイトを見ている時に、ネットが混雑して再生が中断された場合でも、視聴者のストレスは溜まるものの、甚大な損失を被るような事態に至ることはほとんどない。このため、IT用ネットワークでは、レイテンシや信頼性などの面では、産業用ほど重視した仕様にはなっていない。

産業用とIT用、ネットワークの融合の道険し

 現在の産業システムの多くは、ネットワークに求める機能を階層的に整理した「パデュー・リファレンスモデル」と呼ぶ構造に沿って構築されている(図1)。計測や制御のように低レイテンシや高い信頼性が要求される用途には、開発現場や生産現場など閉じた領域内で、求められる要件を確実に満たす仕様の産業用ネットワークを使っている。デバイス間のデータのやり取りは制御機器を介して行い、Ethernetといった経営情報や物流情報などを扱うIT用ネットワークにデバイスを直接接続することはない。

図1 従来の産業システムとIIoT時代の産業用システムの構造
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 計測や制御で使われる産業用ネットワークと経営情報などを扱う通常のIT用ネットワークは別の階層に区分され、それぞれで遅延や帯域幅、サービス品質のレベルが定義される。外部のIT用ネットワークや産業用ネットワークとの間でデータをやり取りする場合には、必ず制御機器を介して行う。このため、相互運用性を確保することは難しく、重要なデータを適切なタイミングで転送するのは現実的には不可能である。

 さらに、産業用ネットワークには、用途に応じたさまざまな規格があることが、産業システムの構築を複雑にしている。同じ階層のネットワークでも、規格が違えば、直接的に相互運用することができない。対応する機器や製品も別々に用意する必要があり、コネクターの形状から違っている場合もある。

 近年では、IT用ネットワークとの相互運用性を向上させるために、Ethernetをベースにした数々の産業用ネットワークの規格が提案され、実際に利用されるようになった(図2)。IT用ネットワークであるEthernetでは、IEEE 802規格の枠の中で、通信プロトコルのそれぞれの階層の仕様を用途に応じて規定することで、デバイス間の相互運用性を保証している。同様に、産業機器メーカーやITベンダー、半導体メーカーは、標準Ethernetのプロトコルを拡張し、産業用で求められる要件を満たす、Ethernet規格を提案している。

図2 標準Ethernetと産業用Ethernetの比較
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 産業用Ethernetの登場で、ネットワークを構成するハードをIT用のものと共通化できる部分が増えた。ただし、産業用に適合させるため、MAC層などのプロトコル処理に独自仕様のハード(ASIC)を使っている点が、その効果を削いでしまっている。スイッチや配線などネットワークを構成する要素でも、独自仕様のものを使う必要がある。このため、IT用ネットワークや別規格の産業用ネットワークとの間で回線やデバイスの共有ができない。また、低レイテンシを保証する代わりに、100Mbpsでの伝送が片道でしかできないといった、制限があった。

産業用とIT用の真の融合を目指すTSN

 IIoTの時代には、スマートエッジデバイスをインターネットに直接接続し、データをやり取りすることになる。そうした産業システムを構築するためには、従来の階層的なネットワーク構造に代わる、産業用とIT用を相互運用できる新たなネットワーク技術が求められる。こうした要件に応えるべく、標準のEthernet規格を拡張するのが「TSN(Time-Sensitive Networking)」である(図3)。Broadcom社、Cisco Systems社、Intel社、そしてナショナルインスツルメンツ(NI)社などがメンバー企業として参加しているAVnuアライアンスが、TSN規格と互換性のある製品や機器を認証し、規格化と普及を促進している。

図3 主要なベンダーがTSNの規格策定に参加
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 「TSNは、標準のEthernet規格をベースに拡張することにより、産業向けの要求に応えるものです」(日本ナショナルインスツルメンツ マーケティング部 シニアテクニカルマーケティングマネージャの岡田 一成 氏)という。TSNは、既存のIT用ネットワークの中に、産業用で求められる要件を満たす専用レーンを、ソフトで作り出すというコンセプトに基づく技術である。プロトコル処理を実行するソフトをカスタマイズすることで、有線LANや無線LANの機材やデバイスを、産業用にもIT用にも利用することができる。さらに産業用とIT用のネットワークを共存させて運用することも可能である。

 AVnuアライアンス役員でCisco Systems社 IoTソリューション担当アーキテクトのPaul Didier氏は、「AVnuアライアンスやIIC(Industrial Internet Consortium)などの業界団体は、Ethernetの機能を拡張するための規格策定を進めています。TSNが広く採用されて市場が拡大すれば、多くの応用分野や業界にメリットがもたらされます。TSNは、業界の大手企業が連携して推し進めている規格です。同規格に準拠する製品や機器は、長期的なサポートが得られることが保証されます」と語っている。

産業用ネットワーク規格の有力候補になり得るTSNの潜在能力

 TSNは、標準Ethernetの拡張版であることから、産業用に特化して開発されたEthernetと比較して、以下のような優位性がある。これらの優れた仕様によって、産業システムを使って行う制御と計測のいずれにも大きなメリットがもたらされる。

 まずは、帯域幅。マシンビジョンや3Dスキャン、電力解析といった高度なセンサーアプリケーションでは、大量のデータが生み出される。現在、産業分野の制御で一般的に使われている産業用Ethernetでは、帯域幅が100Mbpsの半二重通信を使用するという制限がある。それに対し、TSNでは標準のEthernetと同等のレート(1Gbps、10Gbps、400Gbpsのバージョンを計画)を採用し、全二重通信をサポートする予定である。

 次はセキュリティ。現在生産ラインの機器などで使用されているフィールドバスのほとんどは、隔離と隠ぺいによってセキュリティを実現している。自動車での制御や操作のデータを伝送するCAN(Controller Area Network)のコンセプトを受け継いだものだ。しかし、最近のハッキング事例から、フィールドバスが使われていた制御用インフラにもセキュリティ機能を拡張する必要があることがわかってきた。TSNは、標準Ethernetの拡張版であるため、IT分野で培われている既存のセキュリティの研究成果が流用できるはずであり、セキュリティ対策面で有利になる可能性がある。

 そして、相互運用性。TSNでは、標準のEthernetに対応する製品や機器を利用して、産業用デバイスとIT用デバイスのシームレスな統合を図ることができる。また、HTTPのインタフェースやウェブサービスなど、既存のEthernetが備える多くの機能を継承しているため、遠隔診断や視覚化、修復といったIIoTシステムに求められる機能が実現可能できる。加えて、標準のEthernet対応のチップセットをそのまま利用することもできる。つまり、量産品/市販品を利用できるため、部品コストを抑えることが可能になる。

 最後に遅延と同期。TSNでは、低遅延の通信が優先される。これは、高速なシステム応答や閉ループ制御が求められる応用で必要とされる要件に応えるものだ。数十マイクロ秒でのデータ転送、数十ナノ秒でのノード間の同期が保証される。リアルタイム性が求められる用途でのデータ伝送を確実に実現するため、信頼性の高いデータパスを自動的に構成し、パケットを二重化してマージする無損失のパス冗長構成を採ることができる。

 ただし、TSNが既存の産業用ネットワークを全て置き換える事ができるかと聞かれれば、そうとは言えない。例えば、車載ネットワークで使用を想定した場合、厳しい車載要件を満たすことは容易ではなく、既存のCAN FDの方が優位だからだ。

 しかしながらTSNは、産業用とIT用のネットワークを融合に導く、産業用ネットワークの有力候補として、産業用システムの構造とその利用シーンをガラリと変える可能性を秘めている。TSNの規格を策定するAVnuアライアンスのメンバー企業であるNI社の動向にも、ぜひ注目をしておきたいと言えよう。

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