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【ホワイトペーパー】IIoTにおけるリアルタイムイーサネット ネットワークの重要性

ホワイトペーパー

IIoTアプリケーションで使用されるTSNとRTS Hypervisorの例について解説しています。

【ホワイトペーパー】IIoTにおけるリアルタイムイーサネット ネットワークの重要性
このホワイトペーパーは、IIoTアプリケーションで使用されるTSNとRTS Hypervisorの例について解説しています。
産業の分野において、5Gテクノロジーの出現と、10+ GbEネットワークの導入によって、タッチインターネット環境におけるTime-Sensitive Networking(TSN)を活用したリアルタイム処理が、新しい重要なアプリケーション分野になりつつあります。TSN対応のエッジコンピュータの要件とは何でしょうか?

キーワード:リアルタイムイーサネット, Time-Sensitive Networking, TSN, RTS Hypervisor, ハイパーバイザ, OpenVINO, VM, リアルタイムLinux

このカタログについて

ドキュメント名 【ホワイトペーパー】IIoTにおけるリアルタイムイーサネット ネットワークの重要性
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
ファイルサイズ 2.4Mb
登録カテゴリ
取り扱い企業 コンガテックジャパン株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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ホワイトペーパー IIoTにおけるリアルタイムイーサネット ネットワークの重要性 産業用エッジコンピュータのコンフィグレーション
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1 産業用エッジコンピュータのコンフィグレーション IIoTにおけるリアルタイムイーサネット ネットワークの重要性 産業の分野において、 5Gテクノロジーの出現と、 10+ GbEネットワークの導入によって、 タッチイ ンターネット環境におけるTime-Sensitive Networking(TSN)を活用したリアルタイム処理が、 新しい重要なアプリケーション分野になりつつあります。 TSN対応のエッジコンピュータの要件と は何でしょうか? 今日では、 過去とは異なり、 接続された産業用デバイスは、 エンタープライズアプリケーションと直接 通信することが期待されています。 一部の企業では自社の生産業務を詳細に評価しその分析結果を 得るために、 これらのアプリケーションを直接、 産業用エンドデバイスで実行しています。 目的がリアルタイム分析であっても、 本格的なAIアルゴリズムであっても、 コンポーネントが最適な組 み合わせでない場合には、 これらのアプリケーションの整合性がすぐに損なわれます。 デバイスとシス テムのコア機能がリアルタイムで実行され続けることを保証することが重要です。 したがって、 現代の 産業エンジニアは、 IT技術とOT技術を単一のデバイスに統合できるようにするコンセプトを必要とし Time-Sensitive Networking(TSN)により、イーサネットを介したリアルタイム制御と、タッチインターネットセッションの実装が可能になります。 ています。 このようなソリューションプラットフォームは、 理想的には予測可能で安全かつ信頼性が高 い標準のITネットワーキングとデータ処理の利点を活かすべきです。 TSNを含むリアルタイムネットワーキング 産業用モノのインターネット(IIoT)において、 このようなリアルタイムデータ通信ネットワークを実現 するための重要なコンポーネントは、 Time-Sensitive Networking(TSN)です。 TSNテクノロジーは、 イーサネットを介した仮想LAN用のIEEE 802.1qや、 最小伝送遅延を保証するためにIEEE 802.1Qbvで 規格化された Time Aware Shaping(TAS)、 IEEE1588で定義されたPrecision Time Protoco(l PTP) を利用したリアルタイム同期など、 多くの規格で構成されています。
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2 産業用エッジコンピュータのコンフィグレーション PTPは、 ノード間の時刻同期を担当します。 マスターが時刻を設定し、個々のスレーブは、 2桁のナノ 秒の精度でクロックを同期します。 この同期されたクロックをベースに、 パケットにタイムスタンプを 付けて送信することができます。 これは、 PTPネットワークが2桁のナノ秒の精度で同期できることを 意味し、 当然IPパケットの伝送時間もアプリケーションのリアルタイム動作に影響を与えます。 I219 Intel Ethernet インタフェースの場合、 クロック同期は100%この規格に基づいています。 この機能が ハードウェアに付加されていることにより、 追加の特別なアプリケーションや専用ハードウェアを必要 としないという、 二重のアドバンテージが得られます。 VMとマルチコアCPUによるワークロードの統合 同時に、 リアルタイムのエッジ分析などエンタープライズの機能を統合するためには、 産業用デバイ スが必要です。 従来は明確に定義された機能ユニットだった産業用システムは、 現在では「エッジで のワークロードバランシング」という項目のもとに、 マルチコアプロセッサに分類されています。 これ により、産業用リアルタイムシステムでハイパーバイザテクノロジーを使用することの重要性が増して きています。 例えば仮想化テクノロジーにより、 一部のプロセッサコアがデータ分析を実行し、 同時に他のプロセ ッサコアをデータ収集や制御タスク用に予約することがで きます。 その結果、ロボット制御や、 協調ロボットに最適な ビジョンベースのAIなどのリアルタイムタスクは、 リモート 管理やクラウド接続など、 タイムクリティカルではないアプ リケーションと一緒に、 サーバプラットフォーム内の完全に 別の仮想マシン(VM)で実行することができます。 このような産業用リアルタイム制御を備えた TSN 対応 RTOSシステムの概念実証(PoC)は、 congatec 社、 Intel 社、 およびReal-Time Systems 社によって、 ドイツのニュル ンベルクで開催された Embedded World 2019 のライブデ モで最初に発表されました。このPoCの産業用アプリケー ションサーバプラットフォームは、 イーサネットを介したワ RTS Hypervisorを使用すると、マルチコアのx86プロセッサ上の仮想マシンで、複数の リアルタイムオペレーティングシステム、および汎用オペレーティングシステムを実行 ークロード統合とTSNにもとづいています。 することができます。 実際のリアルタイムアプリケーションサーバ デモプラットフォームのコアは、 COM Express Type 6 モジュール(conga-TS370)です。 Intel Xeon E2 プロセッサを搭載し、 マルチタスク用に最大6つのCPUコアを提供できます。 Real-Time Systems社の RTS Hypervisorによって、 プロセッサは複数のマシンに分割され、 それぞれ に独自のオペレーティン グシステムがあり、 各VMに対して1つ以上のCPUコアと必要なIOが割り当てられます。 PoCプラットフォームは、 3つのVMをパラレルに使用して、 実際のマシンとデバイスをリアルタイムで制 御します。 最初のVMは4つのCPUコアを使用し、 Linuxオペレーティングシステムを使って、 Baslerビ ジョンカメラと 、 PCIeを介して接続されたArria 10 FPGAボードを制御します。 FPGAボードは、 Intel OpenVINOツールキットで作成された、 ビジョンベースのオブジェクト検出用AIアルゴリズムを実行し ます。 これにより、 カメラ画像は非常に高いフレームレートでキャプチャされ、 検証されます。 2番目の独立したVMはリアルタイムLinuxを実行し、 倒立振子を直立位置に保持するサーボモーター を制御します。 振り子のバランスが崩れると(たとえば振り子に触れるなど)、 システムはリアルタイム で反応し、振り子をもとの位置に戻します。 これは、並行して実行、 あるいは起動されている他のオペ レーティングシステムとは完全に独立しています。 3番目のVMは、セキュリティタスクのためのオペレーティングシステムを実行し、エッジOSとしてクラウ ドへのアップリンクを提供します。 複数マシンを実行する単一サーバプラットフォームで、 これらのア
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3 産業用エッジコンピュータのコンフィグレーション プリケーションの独立性と、 リアルタイム動作をデモするために、 他のシステムに影響を与えることな く、 テスト目的で個々のオペレーティングシステムを再起動することができます。 それによって、 振り子 を制御する重要なリアルタイム動作でさえ、 影響を受けません。 これらのアプリケーションは、すべて同じハードウェアプラットフォーム上でパラレルに実行され、 ハイ パーバイザは非リアルタイムVMを簡単に再起動することができ、 リアルタイムVMはそれにより中断さ れることなく実行を続けます。 この機能により、 システム全体の制御タスクを中断することなく、個々の アプリケーションソフトウェアのアップデートを実施することができます。 組込みシステム全体に影響 を与えないため、個々のエンタープライズVMのセキュリティの脆弱性を効果的に分離することもでき ます。 VM内のTSNイーサネットを介したリアルタイム制御 conga-TS370ボードのもう1つの重要な機能は、 Intel i219-LM GbE LANコントローラがネイティブに サポートする、 IEEE 1588 PTP時刻同期です。 congatec社、 Intel社、およびReal-Time Systems社によ る産業用アプリケーションサーバ用の PoC プラットフォームでは、 i219-LMは、 PTPパケットの送信元 と宛先を決定し、 インテグレーションされているタイマーを使用して調整します。 コントローラは、オペ レーティングシステムと連携して、定義された時間枠内でTSN送信用のパケットを並べます。 Linux Kernel 4.20のリリース以降、 IEEE 802.1 Qbvに準拠したTime Aware Priority Shape(r TAPRIO) やEarliest Transmit Time Firs(t ETF)のサポートが追加され、 利用が可能になりました。 これらのモ ジュールを使用することにより、 転送キュー内の位置に関係なく、イーサネットTSNパケットに優先順 位を付けることができるようにシステムを構成できます。 RTS Hypervisorは、 数マイクロ秒以内にゲストオペレーティングシステムが、 システムネットワークリ ソースにアクセスできるようにする特権モードを提供します。 これにより、 必要な優先度と可能な限り 低い遅延でゲストVMのTSNパケットを処理することができます。 したがって、 これらのパワフルで柔軟なハイパーバイザベースの IIoT システムを使用すると、エンター プライズのソフトウェアアップグレードによってハードリアルタイムシステムが中断されることがないた congatec社は、Intel社、およびReal-Time Systems社と協力して、6コアXeon CPU上で複数のオペレーティングシステムを仮想化しました。 その中にはリアルタイムコントローラが含まれています。 イーサネッ トコントローラに物理的にアクセスできるオペレーティングシステムの場合、 Time-Sensitive Networking(TSN)テクノロジーを利用することができます。
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4 産業用エッジコンピュータのコンフィグレーション め、 ビジネスコストを削減し、 潜在的なエラーの原因を最小限に抑え、 製品ライフサイクルを延長すること ができます。 将来の業界標準リアルタイムイーサネットとしてのTSN 今日でもリアルタイム通信は、 ほとんどが独自仕様のさまざまな伝送プロトコルと、従来のフィールドバス プロトコルにもとづいていますが、 それらは高価なコンポーネントとそれに合ったドライバを必要とするこ とが多いのが実情です。 さらに、 産業用リアルタイムプラットフォームを計画したり実装したりする能力は、 これらの高度に専門化された伝送システムが制限されているのと同様に、メーカーとそれに見合った製品 ポートフォリオの選択によるという事実によって制限されます。 TSNイーサネットは、 ネットワークコンポーネントがIEEE 1588 PTPやIEEE802.1 Qbv TASなどの必要な規 格をサポートしている限り、 通常のネットワークトラフィックとTSNトラフィックで、 同じイーサネットケーブ ルを使用する方法を提供します。 これらIEEE TSN規格を標準の産業用ネットワークコンポーネントのすべ てに実装すると、 ライセンスされた独自のリアルタイム伝送プロトコルの普及に影響を及ぼすことになる でしょう。 少なくとも、 これまで閉鎖的だったシステムは、 ますますオープンにならなければならないでしょ う。 そのためには、 既存のリソースを引き続き活用できるようにするために、 TSNとハイパーバイザテクノ ロジーが必要になるでしょう。 著者: マークス グルーバー(Markus Gruber)は、congatec社のソフトウェアエンジニアで、TSNエキスパートです。
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コンガテック(congatec)について コンガテック(congatec)は、標準フォームファクタのCOM Express、Qseven、SMARCを使用した産業用コンピュータモジュー ル、およびシングル・ボード・コンピュータとカスタマイズサービスのリーディングサプライヤーです。 コンガテックの製品は、産 業オートメーション、医療、エンターテインメント、輸送、テレコミュニケーション、試験と計測、POSなど、さまざまな産業とアプリ ケーションで使用できます。 コア知識と技術的ノウハウには、独自の拡張BIOS機能と、包括的なドライバとボード・サポート・パ ッケージが含まれます。 設計フェーズに続いて、お客様は長い製品ライフサイクル管理を通じてサポートを受けることができま す。 コンガテックの製品は、最新の品質基準に従って専門のサービスプロバイダーによって製造されています。 コンガテックは、 ドイツのデッゲンドルフに本社を置き、現在、米国、台湾、中国、日本、オーストラリア、英国、フランス、チェコ共和国に事業拠点 を置いています。 詳細については、当社の Web サイト www.congatec.com/jp または LinkedIn, Twitter YouTube をご覧くださ い.。 本社 congatec GmbH Auwiesenstraße 5 94469 Deggendorf Germany Phone +49 (991) 2700-0 info@congatec.com www.congatec.com 子会社 congatec Asia Ltd. congatec, Inc. コンガテックジャパン株式会社. congatec China Technology Ltd. 2F., No.186, Sec. 3, 6262 Ferris Square 〒105-0013 東京都 港区 浜松町1-2-7 Sunyoung Center, 901 Building B, Chengde Rd. San Diego ユニゾ浜松町一丁目ビル301 No. 28 Xuanhua Road, Changning District, 10366 Taipei, Taiwan CA 92121 USA Phone +81 (3) 6435-9250 Shanghai 200050, China Phone +886 (2) 2597-8577 Phone +1 (858) 457-2600 sales-jp@congatec.com Phone +86 (21) 6025-5862 sales-asia@congatec.com sales-us@congatec.com www.congatec.jp sales-asia@congatec.com www.congatec.tw www.congatec.us www.congatec.cn congatec Australia Pty Ltd. congatec Korea Ltd. Real-Time Systems GmbH Unit 2, 62 Township Drive Mr. Yoonsun Kim Gartenstrasse 33 West Burleigh (Yatap-Dong), #707, 88212 Ravensburg Queensland 4219, Australia 42, Jangmi-ro, Bundang-gu, Germany Phone +61 (7) 5520-0841 Seongnam-si, Gyeonggi-do, Phone +49 (751) 359558-0 sales-au@congatec.com South Korea info@real-time-systems.com www.congatec.com Phone: +82 (10) 2715-6418 www.real-time-systems.com yoonsun.kim@congatec.com セールスオフィス France United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Luc Beugin Mr. Darren Larter Mr. Anders Rasmussen Phone: +33 6 44 32 70 88 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +45 285 649 92 cfr-sales@congatec.com cuk-sales@congatec.com cdk-sales@congatec.com