Ethernet TSN（5）時分割多重における時刻基準と配信経路

【2】BMCA/【3】クロックドメイン

通信機器やノードの時刻同期をとる前に、必要なことが2つある。時刻同期の基準時間となる「グランドマスタ(GM)」の選択と、時刻同期の配信経路を確定しクロックドメイン(時刻同期の範囲)を設定することだ。GM の選択方法を BMCA( Best Master Clock Algorithm )と呼ぶ。

gPTP ネットワークでは、1つのクロックソースが GM として選出される。他の通信装置やノードは、 GM に従うことで全体の時刻同期を実現している。図1 は、 GM を選出し、クロックドメインが構成された例だ。gPTP で登場する機器(デバイス)は表1 に示すように、GM、OCとBC の3種類 で、GM は OC の一種だ。gPTP では TC をサポートしていない。

時刻情報が流れる範囲が「クロックドメイン」だ。IEEE1588(PTP)は、128個のクロックドメイン を設定できるが、gPTP では1個のクロックドメインしか設定できない。ドメイン番号は「0」に決められている。

Ethernet TSN は全てのトポロジに対応している。リングやメッシュなどのループがあるトポロジでは、ループを論理的に遮断することができる。ループ遮断プロトコルは、標準イーサネットで一般的に使われる RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)を想定している。Ethernet TSN(IEEE802.1AS で規定)と RSTP の仕組みは変わらないが、用語が異なるので注意が必要だ。用語の対応は、表2 を参照いただきたい。RSTP の動作は改めてお話しするので、ここではループのない構造で話を進めたい。

Ethernet TSN では、時刻情報を配信する装置間リンクの上位側ポートを「Clock Master port」、下位側を「Clock Slave port」と呼ぶ。グランドマスターが配信する時刻情報は、水の流れのように下 位層(下流)に向かって流れ、エンドノード(OC)で止まる。この時刻情報が流れる範囲が「クロックドメイン」だ。水が流れ出すリンクの上位側(上流)を「Clock Master port」、水を受け止 めるリンクの下位側(下流)を「Clock Slave port」と呼ぶ。時刻情報は、 Clock Master port から Clock Slave port へと順次伝播する。

BMCA は、ネットワーク上で最適な時刻源(GM)を決定する方法だ。BMCA はネットワーク上で常 に動作し、新しい GM の登場や動作中の GM 故障などのネットワークの変化に迅速に対応し、最適
な GM への切り替えを行う。最適な GM の選択には図2 の6個のパラメータを[1]から順次比較し、差が生じたところで決着する。いずれの項目も、値が小さい方が優先度が高い。

標準のPTP では Priority2 を変更できるが、[1]~[4] のパラメータ変更は推奨していない。gPTP は [1]~[5] のパラメータの変更を推奨していないため、[6] Unique Identifier(MAC Address)の小さい方が最適な時刻源に選ばれる。この場合の MAC Address を「Tie Breaker」と呼ぶ。GM 候補は、この6個のパラメータを Announce Message で2秒に1回交換することで、常に最適な GM が選ばれる。

2つの GM 候補が BC を介して接続した例が図3 だ。GM 候補の OC-1 と OC-2 は相互に各 GM の優先度情報を含む Announce Message を送信し、優先度を比較する。優位な方が GM になり、劣勢な方は Backup GM としてスレーブ動作に移行する。この例では、OC-1 の MAC Address が小さいため GM になる。

BMCA では、図3 の様に Announce Message を交換し合うケースだけではなく、様々な状況が考えられる。例えば、運用中の GM が停止し Backup GM に切り替わるケースや、新たな GM が追加されるケースなどが考えられる。BMCA は図4 のような状態遷移を設定し、全てのケースに対応している。電源投入などの初期状態から「Listen」状態に遷移すると、Announce Message タイムアウト時間 Listen 状態を保持し、外部の Announce Message を待つ。Announce Message がなければ、自分自身が唯一の GM と判断し Grand Master になる。自分自身より優位な Announce Message を受信すると Slave になる。Master または Slave に遷移後も、Announce Message により状態を変える。

BMCA での GM 決定と同時に、Announce Message は順次下位の BC を経由し、末端の OC に到達する。リンクの上位側が「Clock Master Port」、下位側が「Clock Slave Port」になり、時刻配信経路とクロックドメインが決まる(図5)。

初期状態での BMCA 、Grand Master の切り替え(故障等による)には、4秒の待ち時間が発生する。ホームネットワークや産業オートメーショでは大きな問題にならないが、自動車では使えない。自動車では BMCA を使用せず、GM(時刻源)は固定設定になる。