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Automotive ethernet training_jp

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次世代の主要車載ネットワークと注目される車載Ethernetについて、その動向及び技術的概要を解説します。 特にBroadcom社により策定された車載Ethernet規格BroadR-Reach®を中心に、CANなど既存の車載ネットワークとの違いやその特長、またTCP/IP技術及びAudio Video Bridging(AVB)に関して解説します。

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Automotive ethernet training_jp

  1. 1. 株式会社 日本イントリピッド・コントロール・システムズ 車載Ethernet入門 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 1 Ver. 20140905
  2. 2. 目次 序章 :クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 2
  3. 3. 目次 序章:クルマはEthernetへ 1.1. 車載ネットワーク概観 1.2. 車載Ethernetとは 1.3. BroadR-Reachとは 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 3
  4. 4. 1.1. 車載ネットワーク概観 その他一般のネットワークと同様、 単にデータをやりとりするコンピュータの集まり。 しかし・・・ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 4 Data
  5. 5. 1.1. 車載ネットワーク概観 車載製品に求められる条件 車載機器 家電 製品特性 品質・信頼性が最重要。15年もし くはそれ以上の寿命を期待 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 消費者にとって最新かつリッチな機 能を、最速で提供 保守 購入後に壊れた場合、修理・交換 が可能であることが必須 購入数年で壊れた場合、そのまま捨 てられることも多い 開発 白紙からの開発は殆どなく、実績 のある既存製品から積み上げる形 で開始 白紙状態から新製品を開始すること もある 寿命 11.4年(乗用車の平均年齢@米国) ~5年 5
  6. 6. 1.1. 車載ネットワーク概観 車載製品に求められる条件 過酷な環境下での稼働  雪、塵、油、泥、水、、、@ - 40~125ºC 冬@デトロイト 夏@デトロイト (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp
  7. 7. 2014/08@ICS本社周辺 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 7
  8. 8. 1.1. 車載ネットワーク概観 車載製品に求められる条件 パワーマネジメント&スリープ機能  電力浪費=燃費、バッテリー上がりに直結 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp
  9. 9. 1.1. 車載ネットワーク概観 車載ネットワークの開発背景 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 9 • 電子機器を通じた機能充実要求(80’~) • 搭載ECU数の増大 • ECU間通信の増大(当初はPoint-to-Point) • 配線&コネクタの複雑化・巨大化 ECU BCM  燃費&加速性能&コストに悪影響  製造&組立&保守に難  車内空間圧迫 TCU インパネ
  10. 10. 1.1. 車載ネットワーク概観 ~90’:各社固有の規格を利用 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 10 ゼネラル・モーターズ - Class 2 クライスラー - CCD(Chrysler Collision Detection) フォード - SCP(Standard Corporate Protocol) トヨタ - BEAN(Body Electronic Area Network) 90’~:Boschの開発したCANが業界標準へ 1983 Bosch内部にて開発開始 1986 公式発表@米国SAE 1987 初のCANコントローラ出荷 1992 メルセデスベンツに採用 1993 ISO11898として国際標準化 1998 ダイムラー&クライスラーの合併等により米国にも普及
  11. 11. 1.1.1. CAN概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 11 ECU BCM TCU インパネ ECU BCM TCU インパネ CAN 適用 それまでの通信方式に比べて・・・ ローコスト 2線、国際標準化に伴う大量生産効果 高速 最大1Mbps 高ノイズ耐性&高信頼性 エラー検出機能等 取り扱い容易 ノードの追加/削除を、他のノードに影響を与える ことなく実現
  12. 12. 1.1.2. CAN-FD概観 CANでは不足となりつつある近年の 通信量増大に対応すべく、2012年にBoschが発表 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 12 CAN CAN-FD 最高通信速度 1Mbps 8Mbps 最大ペイロード 8バイト 64バイト CAN-FDのメリット≒CANのメリット ローコスト 2線のみ、国際標準化に伴う大量生産効果 高速 最大8Mbps 高ノイズ耐性&高信頼性 エラー検出機能等 取り扱い容易 ノードの追加/削除を、他のノードに影響を与える ことなく実現 ※CAN-FDはCANに対する後方互換性なし。即ち従来のCANノードはCAN-FDネットワーク上では使用不可
  13. 13. 1.1.3. LIN概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 13 出典:CVEL メリット デメリット ・CANより廉価:1線のみ、UART利用 ・データエラー検出、ノード障害検出 ・遅延保証 ・低速:19.2Kbps@40m ・最大16ノードまで
  14. 14. 1.1.4. FlexRay概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 14 メリット デメリット ・最大10Mbpsの高速通信 ・高信頼性(2つの冗長なデータチャネル確保) ・高精度のメッセージ遅延制御 ・複数のトポロジ対応 (バス型/スター型/ハイブリッド型) ・ネットワーク全体をあらかじめ 設計・固定しておく必要あり ・高コスト
  15. 15. 1.1.5. MOST概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 15 メリット デメリット ・最大150Mbpsの高速通信 ・プラグ&プレイ:デバイスの自己認識 及び自動初期化機能 ・光ファイバ利用による軽量化&被ノイ ズ耐性&ゼロノイズ放射 ・1箇所の故障で全体がダウン (開発・評価ツールもリングの一部な ので、ツールの誤動作でもダウン) ・光ファイバは高価&曲げにくい
  16. 16. 1.2. 車載Ethernetとは (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 16 車載Ethernetへの関心の高まり…
  17. 17. 1.2. 車載Ethernetとは “車載Ethernet”の種類と動向 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 17 IEEE 802.3 100BASE-TX Ethernet BroadR-Reach Ethernet Reduced Pair Gigabit Ethernet ~2014 2014~ 2020~ 100Mbps 100Mbps 1Gbps ・診断 ・ECUフラッシュ ・ドライバアシスト ・インフォテイメント ・ネットワークバックボーン 2014 BMW X5 SUV 駐車補助システムに採用 (EE Timesより)
  18. 18. 1.2. 車載Ethernetとは (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 18 利用例1:DoIP(Ethernet経由での診断)
  19. 19. 1.2. 車載Ethernetとは (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 19 利用例2:XCP on Ethernet ETHERNET
  20. 20. 1.2. 車載Ethernetとは 利用例3:ドライバアシスト (Broadcom社資料より) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 20
  21. 21. 1.2. 車載Ethernetとは 利用例4:インフォテイメント (1394 Trade Association発表資料より) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 21
  22. 22. 1.2. 車載Ethernetとは 利用例5:車載ネットワークバックボーン (NXP社資料より) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 22
  23. 23. 1.3. BroadR-Reachとは IEEE 802とBroadR-Reachの関係 主な802ファミリ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 23 802.1 ネットワークブリッジ 802.3 Ethernet 802.11 WiFi 802.15 Bluetooth 802.3がクルマ用に 改良され、 車載Ethernet規格 BroadR-Reachへ 802.3 BroadR-Reach (Broadcom社発表資料)
  24. 24. 1.3. BroadR-Reachとは 802.3と比較したBroadR-Reachの主な改善点 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 24 コスト&重量 ・4組から1組のツイストペアへ(8線⇨2線) ・シールドなし パワーマネジメント ・低消費電力&スリープモード対応 過酷な環境下での動作 ・車載向け認証取得(AEC-Q100等) EMC(電磁両立性) ・カーラジオ周波数帯におけるノイズ放射を軽減 ・インジェクタ等からのノイズ耐性 FMラジオ70~100MHz帯 における電磁放射低減 (Broadcom社資料より)
  25. 25. 1.3. BroadR-Reachとは 802.3 EthernetとBroadR-Reachの層構造比較 ネットワーク層 MII MII (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 25 802.3 MAC (データリンク層) 802.3 PHY BroadR PHY 共通 部分 固有 部分 *MII:Media Independent Interface すなわち 物理層より上層のあらゆる既存の Ethernet HW/SW を再利用可能! ・あらゆるTCP/IP関連規格 ・あらゆるMACコントローラ ・IP技術に携わるあらゆる人間 を車載へ!
  26. 26. BroadR-Reachは、CAN等の代替として 車載ネットワークの決定版になりうるか? (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 26 1.3. BroadR-Reachとは
  27. 27. 答えはNO (Ethernet Tech Dayより) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 27
  28. 28. 1.3. BroadR-Reachとは BroadR-Reachの位置付け データレート [bps] LIN BroadR-Reach CAN-FD CAN MOST FlexRay 1ノードあたりの相対コスト 1 2 5 10 150M 100M 25M 10M 1M 20K (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 28
  29. 29. 1.3. BroadR-Reachとは Ethernet(BroadR-Reach)とMOST比較 BroadR-Reach MOST オープン性 プロプライエタリ(Broadcom) ※上位プロトコルは一般標準 (TCP/IP, AVB, …) プロプライエタリ (SMSC) 速度 100Mbps/ポート ※将来的には1Gbpsも 150Mbps/ネットワーク 累積チップ出荷数 120M個(~2020年予想) 数M個 サプライヤ 複数(Broadcom, NXP, Renesas…) SMSC 実装・運用コスト 低: ・普遍的なプロトコル利用 ・オープンソース活用 ・豊富な人的資源 ・複数チップサプライヤ 高: ・限られたツール ・限られた技術者 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 29
  30. 30. 1.3. BroadR-Reachとは 関連団体 車載Ethernet規格BroadR-Reachの策定・普及に特化した団体。 電気電子全般を扱う米国の標準化団体。ネットワーク分野では Ethernetやブリッジ等、物理層周りの規格が有名 IEEEでは扱わない、物理層よりも上のプロトコルを策定。 例:RFC 791(IP), 768(UDP), 793(TCP) 幅広い分野を扱う国際標準化団体。品質管理・診断規格が特に有 名。自動車向けではISO13400として、Ethernet経由での診断手法 を策定(※) ECU評価に用いるデータフォーマット等の標準化を推進。XCP on Ethernetとして、Ethernet経由でのECU評価手法を策定(※) ECU用ソフトウェアの標準化を推進。 車載に特化したEthernetプロトコルスタック等を策定 ※標準のIEEE 802.3 Ethernet利用(BroadR-Reachではない) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp
  31. 31. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 31
  32. 32. 第1層~物理層~ 階層 主な役割 例 7:アプリケーション層 6:プレゼンテーション層 5:セッション層 ・ユーザインタフェース ・データエンコード/デコード ・ユーザ認証 HTTP FTP SMTP 4:トランスポート層 ・プログラム間通信 ・データ転送保証 TCP UDP 3:ネットワーク層 ・異なるネットワーク間通信 (ルーティング) IPv4 IPv6 2:データリンク層 ・同一ネットワーク内通信 ・エラー検出 Ethernet CAN 1:物理層 ・隣接ノード間ビット転送 ・機械的 / 電気的仕様策定 Ethernet CAN (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 32
  33. 33. 参考:ネットワークの”層”とは? OSI参照モデル ユーザデータ アプリケー ション層 プレゼンテ ーション層 セッシ ョン層 トランスポート層 ネットワ ーク層 データリ ンク層 アプリケーション間通信 ・ポート番号 WAN 異なるネットワーク間ノード通信 ・IPアドレス ・ルータ 同一ネットワーク内ノード通信 ・MACアドレス ・スイッチ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 33 ヘッダ 物理 層 隣接ノード間通信 WAN
  34. 34. 参考:ネットワークの”層”とは? Q. OSI参照モデルの目的は?なぜ“層”に区切る? A. 通信プロトコルの開発・改良の簡単化。本モデルに則って開発すれば、他の 層の既存のプロトコルの改変等を行う必要がない。またユーザにとっては使 用プロトコルの差替も容易 Q. OSI参照モデルの実際は? A. モデルが複雑すぎることもあり、HTTPやTCP/IP等既存のプロトコルの多くは 、本モデルには基づかない。但し、モデルの概念自体は有用なのでよく引用され る(例:「このプロトコルはレイヤ2相当」、 「レイヤ3で障害が発生」、レイ ヤ1/2/3デバイス(ハブ/スイッチ/ルータ)等) Q. 各層の実体は? A. 殆どの場合パケット中のヘッダ情報。これを駆使することで各層の機能を実現 Q. 車載ネットワークプロトコルをOSI参照モデルに当てはめると? A. 例えばCAN/LINは、通信の機械的・電気的仕様及び同一ネットワーク内のノ ード間通信を定め、かつ異なるネットワーク間での通信には関知しないので 、物理層かつデータリンク層に対応すると考えられる (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 34
  35. 35. Ethernet物理層概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 35 同心10BASE2 (現在ほぼ未使用) 10Mbs、1線、半二重通信 100BASE-TX Ethernet 100Mbs、ツイストペアx2組(4線)、全二重通信 ギガビットEthernet 1Gbs、ツイストペアx4組(8線)、全二重通信 BroadR-Reach 100Mbps、ツイストペアx1組(2線)、全二重通信 従来型 Ethernet 車載 Ethernet
  36. 36. ギガビットEthernetのバス状態 1 0.5 0 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 36 -0.5 -1 V t 8ナノ秒 =バス周波数62.5MHz =125Mシンボル/秒 PAM5 1シンボルで5通りの情報伝達  4通り分:2ビットのデータ伝達  1通り分:エラー訂正用  (125Mシンボル/秒) * (2ビット/シンボル) * 4組 = 1ギガビット/秒
  37. 37. BroadR-Reachのバス状態 1 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 37 0 -1 V t 15ナノ秒 =バス周波数33.3MHz =66.7Mシンボル/秒 PAM3 1シンボルで3通りの情報伝達  2シンボルで9通り  8通り分:3ビットのデータ伝達  1通り分:データ転送終了記号  (66.7Mシンボル/秒) * (3ビット/2シンボル) * 1組 = 100Mビット/秒
  38. 38. Ethernetケーブル上には何が見える? Q. CAN/LINと同じ様に、ケーブルにオシロをあてれ ばEthernetフレームが見える?? A. 見えることは見えるが、その理解/デコードは極 めて困難。なぜなら・・・  BroadR-Reachは同一線上での全二重通信を実現。即ち2ノードが互い (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 38 に同時に送信し、信号が重なっていることがある  各ノードのPHYのみが、両者を切り分けることが可能 (自分が何を送信したのか知っているので)  スクランブル処理により、最終的にケーブル上に見えるシンボル(電圧) の並びはランダムにみえる  さらにActive Idle方式のため、フレーム皆無の状態でも常に、一見ランダム なシンボルが流れ続けている
  39. 39. Power Over Ethernet機能 家電におけるPoE利用例 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 39 BroadR-Reach でも利用可! 出典:Panasonic社資料  電源用配線を簡単化  コスト&重量削減に貢献  対応チップBCM59105  4ポート、最大電力5W/ポート、最長500m
  40. 40. ネットワークトポロジ スター型 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 40 出典:Continental社資料  スイッチポート1個:ノード1個対応  各ペアが、それぞれ独立して100Mbpsを実現  CAN等とは異なり、フレーム間の衝突は発生しない
  41. 41. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 41
  42. 42. 第2層~データリンク層~ 階層 主な役割 例 7:アプリケーション層 6:プレゼンテーション層 5:セッション層 ・ユーザインタフェース ・データエンコード/デコード ・ユーザ認証 HTTP FTP SMTP 4:トランスポート層 ・プログラム間通信 ・データ転送保証 TCP UDP 3:ネットワーク層 ・異なるネットワーク間通信 (ルーティング) IPv4 IPv6 2:データリンク層 ・同一ネットワーク内通信 ・エラー検出 Ethernet CAN 1:物理層 ・隣接ノード間ビット転送 ・機械的 / 電気的仕様策定 Ethernet CAN (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 42
  43. 43. Ethernetフレーム Ethernetネットワーク上におけるデータ輸送の基本単位 • MACアドレス:世界中の各ノードが持つ一意なアドレス(6バイト ≒280兆個) • ブロードキャスト:送信先がFF:FF:FF:FF:FF:FFなら全ノードに同時送信 • マルチキャスト:先頭バイトのLSBが1なら特定のノードグループに同時送信 • ユニキャスト:先頭バイトのLSBが0なら特定のノード単体に送信 • EtherType:上位層プロトコルを指定(IPv4なら0x0800) • CRC:フレーム全体に対するエラー検出。エラーならフレーム廃棄( エラー回復はTCP等の上位プロトコルで行う) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 43 送信先ア ドレス 06:05:04:03:02:01 送信元アドレス 01:02:03:04:05:06 Ether Type 0x0 800 デー タ 46-1500バイト CR C 4バ イト ヘッダ
  44. 44. Ethernetフレーム(802.1Qオプション付き) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 44 送信先ア ドレス 06:05:04:03:02:01 送信元アドレス 01:02:03:04:05:06 Ether Type 0x0 800 デー タ 46-1500バイト CR C 4バ イト 802.1Q タグ 4バイト 802.1Qタグ(VLANタグ) スイッチ内部にて利用。 単一Ethernetネットワークの仮想的な分割、 またフレーム転送の優先順位制御を行う。 AVB等のプロトコルが使用
  45. 45. スイッチとは (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ヘッドユニット スイッチ 45 360°カメラ 後部座席 ディスプレイ スピーカー LAN内ノード間の中継機器  各ノードの直接の接続先 所属する層:レイヤ2  Ethernetフレームヘッダのみを モニタ、その上のIP等には関知 しない(ルーティングはレイヤ3 機器即ちルータの仕事) スイッチ vs ハブ  ハブは受け取ったフレームを単 純に全ポートに送信するのみだ が、スイッチは必要なノードの みに伝達(スイッチング) ポート0 1 2 3
  46. 46. スイッチの動作 カメラ→ディスプレイへとフレーム送信する場合 MACアドレステーブルの構築方法 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ヘッドユニット スイッチ 46 360°カメラ 後部座席 ディスプレイ スピーカー ポート0 1 2 3 1.カメラがディスプレイ宛にフレーム送信 2.スイッチはポート1にてフレーム受信 3.スイッチはフレーム内部の送信先MAC確認 4.スイッチはそのMACがポート2に対応することを、 MACアドレステーブルから確認 5.スイッチはフレームをポート2へと送信 6.ディスプレイがフレーム受信 1.任意のフレーム受信時、その送信元MAC及び受信ポ ートを逐次記録 2.適当な時間が経てば自動的にテーブルが完成 (自分から全く送信しないノードは、通常存在しない) ※送信先MACがテーブルに未だ登録されていない場合は、 とりあえずブロードキャストしてフレーム伝達
  47. 47. スイッチの動作 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ヘッドユニット スイッチ 47 360°カメラ 後部座席 ディスプレイ スピーカー ポート0 1 2 3 バッファリング  受信したフレームを一時的に溜め 込むことで、バンド幅の異なるポ ート間の通信実現(100M/1G/…)  複数ポートから同時にフレーム送 受信可能  ネットワークの事実上の帯域幅が増大 (右図では200Mbps) VLANタグによるフレーム優先度制御  IP電話やAVB等リアルタイム性の 高いアプリケーションで利用 エラーフレームの廃棄(CRCエラー) 100Mbps 100Mbps
  48. 48. スイッチの動作:デバッグツールとしての利用 2ノード間の通信をモニタしたい・・・  スイッチの空きポートが利用できそう。しかしスイッチ は通常、目的のノードにしかフレームを流さない  スイッチのポートミラーリング機能を利用  あるポート上の通信内容を、別のポート上へコピーして出力 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 48 しかし・・・  もしスイッチがミラーリング未対応だったら?  スイッチに自動的に廃棄されるエラーフレームも観たい場合は?  そもそも空きポートが無ければ?
  49. 49. ソリューション:ネットワークタップ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 49 タップ モニタPC  任意の2点間にタップを挟むことで、エラーフレームも含 めたトラフィックの解析が可能に  ビットレベルでトラフィックをコピーするだけなので、レ イヤ1機器といえる
  50. 50. 当社製BroadR-Reach対応タップ:RAD-STAR ノードA ノードB ノードA→B トラフィック ノードB→A トラフィック RAD-STAR (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp BroadR-Reach 10/100 Ethernet 50  マイクロ秒以下の遅延で、BroadR-Reach通信を標準 Ethernetへとコピー  2ノード間の、各方向の通信をそれぞれ分離して観測可能  PCからの任意のフレーム送信も可能
  51. 51. デモ:Vehicle SpyによるEthernetフレームモニタ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 51
  52. 52. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 52
  53. 53. 第3層~ネットワーク層~ 階層 主な役割 例 7:アプリケーション層 6:プレゼンテーション層 5:セッション層 ・ユーザインタフェース ・データエンコード/デコード ・ユーザ認証 HTTP FTP SMTP 4:トランスポート層 ・プログラム間通信 ・データ転送保証 TCP UDP 3:ネットワーク層 ・異なるネットワーク間通信 (ルーティング) IPv4 IPv6 2:データリンク層 ・同一ネットワーク内通信 ・エラー検出 Ethernet CAN 1:物理層 ・隣接ノード間ビット転送 ・機械的 / 電気的仕様策定 Ethernet CAN (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 53
  54. 54. Internet Protocol (1/4) • RFC 791にて定義(IPv4) • IPパケットフォーマット&IPアドレス • ゲートウェイ(ルータ)の動作 • IPアドレス:ノード識別用の一意な番号 MACアドレスとIPアドレスはどちらも一意、何が違うのか? MACアドレス IPアドレス 利用範囲 第2層、同一ネットワーク内通信 第3層、異なるネットワーク間 通信 一意性 世界で一意、ノードに刻印され不変 世界で一意、だがノードへの 割当は動的に変更可能 割振方法 ランダム (ネットワーク機器ベンダ依存) ノードの所在特定を容易にする 階層的割当 比喩 住民票コード 電話番号 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ 231-0015 横浜市中区尾上町5-80 神奈川産業振興センター 7階3号室 TEL:045-263-9294 FAX:045-263-9296 URL:http://intrepidcs.jp/
  55. 55. Internet Protocol (2/4) 身近な例に基づくMACアドレスとIPアドレスの構造比較 MACアドレス 00 FC 70 01 02 03 ベンダID ランダム数値  位置情報を一切含まないので、MACアドレスのみで 世界のどこかにあるノードを特定・通信することは極めて困難 (LAN内であればOK) IPアドレス 202 232 86 11 アジア太平洋 (APNIC) 日本 (JPNIC) IIJ (ISP) 首相 官邸 住民票コード 01234567890 ランダム数値 電話番号 81 045 263 9294 日本 横浜市 通信事業者 番号 当社 オフィス  世界のあらゆるネットワーク上のノードを特定する上で有用な階層構造を形成 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 55
  56. 56. 送信先ア ドレス 06:05:04:03:02:01 Internet Protocol (3/4) IPパケット構造 Ethernetフレーム 送信元アドレス 01:02:03:04:05:06 Ether Type 0x0 800 デー タ 46-1500バイト CR C 4バ イト IPパケット ヘッダ部 データ部 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 56
  57. 57. Internet Protocol (4/4) IPヘッダ構造 管理情報 (特にIP特有 ではない) バージョン IPv4なら4で固定 ヘッダ長/全長 IPヘッダ長/IPパケット全体の長さ プロトコル 次の上位層プロトコルを指定(TCP等) チェックサム IPヘッダの誤り検出用 拡張情報 通常は未使用 ルーティング 情報(IP固有) サービス種別 パケットの転送優先順位 識別子/フラグ/断片位置 パケットの分割・復元制御 生存時間 パケットの生存時間(最大許容ホップ数) 送信元/宛先アドレス 送信元、送信先のIPアドレス (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 57
  58. 58. デモ:Vehicle SpyによるIPパケットモニタ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 58
  59. 59. 議論:IPルーティング技術(ルータ)は 車両内のノード間通信で必要? 現状ではNo しかしIPパケットは必要!  XCP/診断/動画転送で用いるTCP/UDP等の 上位プロトコルが、IPを前提とするため (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 59 なぜなら車載では・・・  ごく限られたノード数(将来的にも多くて~100)  限られた物理的距離(LANケーブルで全て届く)  もし特定のノード群を別ネットワークに隔離したいときは、スイッチ 付属のVLAN機能が使える  極力余計なデバイスを増やしたくない(コスト増、伝達遅延増)
  60. 60. 補足:IP on 非Ethernet “層”の理解を深める上で、ある層のプロトコルを 別のプロトコルに置き換えて考えてみると有用 TCP/UDP (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ? 60 IP トークンリング SONET RFC1149規格!
  61. 61. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 62
  62. 62. 第4層~トランスポート層~ 階層 主な役割 例 7:アプリケーション層 6:プレゼンテーション層 5:セッション層 ・ユーザインタフェース ・データエンコード/デコード ・ユーザ認証 HTTP FTP SMTP 4:トランスポート層 ・プログラム間通信 ・データ転送保証 TCP UDP 3:ネットワーク層 ・異なるネットワーク間通信 (ルーティング) IPv4 IPv6 2:データリンク層 ・同一ネットワーク内通信 ・エラー検出 Ethernet CAN 1:物理層 ・隣接ノード間ビット転送 ・機械的 / 電気的仕様策定 Ethernet CAN (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 63
  63. 63. UDP / TCP概観 • ポート導入によりプログラム間通信を実現 • 有名なポート:FTP = 20, HTTP = 80 • 車載では、単一ECU上で、診断用/XCP用/ECU間通信プロ グラム用にそれぞれポートを割り振るなど UDPとTCPの比較 UDP TCP 特徴 コネクションレス型通信 ・相手先応答確認なし ・データ到着確認なし ・データ到着順保証なし (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp コネクション型通信 ・相手先応答確認 ・データ到着確認 ・データ到着順保証 ・フロー/輻輳制御 メリット 単純、高速 高信頼性 デメリット 低信頼性 複雑、低速 例 VoIP、ビデオ会議 ファイル転送、ウェブ閲覧
  64. 64. User Datagram Protocol UDPヘッダ構造 IPパケットのデータ先頭部に以下を付加 送信元ポート番号 データ長 宛先ポート番号 チェックサム 送信元ポート番号 宛先からの応答を受け付けるため、適当な番号を指定。 応答不要の場合はゼロ 宛先ポート番号 宛先のポート番号。ウェブサーバプログラム宛なら80、 FTPサーバプログラムなら20など データ長 ヘッダ+データの長さ チェックサム ヘッダ+データの誤り検出 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 65
  65. 65. 信頼性よりもリアルタイム性重視 • 車載カメラ • 衝突回避、駐車補助、レーン逸脱回避、ドラレコ • XCP on Ethernet • エンジン制御など、高速で変化するデータの観測 • UDP/TCP双方サポート (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 66 車載におけるUDP利用例
  66. 66. デモ:Vehicle SpyによるUDPモニタ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 67
  67. 67. Transmission Control Protocol TCPヘッダ構造 送信元ポート 送信先ポート 送信元/送信先ポート 送信元/送信先のポート番号(UDPと同様) シーケンス番号/確認応答番号 送受信セグメントの抜け漏れ防止及び順序管理 フラグ SYN/ACK&FIN/RST:通信確立&終了時に利用 PSH/URG:直ちに送受信処理したいデータ用 NS/CWR/ECE:輻輳制御用 ウィンドウサイズ ACKを待たずに、連続して送信可能なデータ量 ヘッダ長/チェックサム TCPヘッダの長さ / ヘッダ+データ誤り検出用 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp シーケンス番号 確認応答番号 ヘッダ 長 ウィンドウサイズ チェックサム 緊急ポインタ オプション
  68. 68. Transmission Control Protocol 1. 通信確立 SYN=1 ACK=1, SYN=1 ACK=1 ノードA ノードB 2. データ転送 100バイト (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ACK=1 500バイト ACK=1 300バイト ACK=1 3. 通信終了 FIN=1 ACK=1 FIN=1 ACK=1 TCP通信フロー
  69. 69. リアルタイム性よりも信頼性重視 • XCP on Ethernet • ECUフラッシュ • DoIP • ディーラーや工場における車両診断 • ECUフラッシュ • UDP/TCP双方サポート (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 70 車載におけるTCP利用例
  70. 70. デモ:Vehicle SpyによるTCPモニタ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 71
  71. 71. vs よくあるご質問:Vehicle SpyでTCP/IPトラフィックを観ら れるのはわかったが、Wiresharkとどう違うのか? (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 72 Vehicle Spy(+当社製HW) Wireshark Ethernetエラーフレーム (CRCエラー) 検出及び保存可 検出不可(スイッチ等 に捨てられてしまう) 車載プロトコル(CAN/LIN/…) との同時解析・キャプチャ 可 不可 データベース作成・保存機能 有 無 フレームのタイムスタンプ 高精度(物理層からフレーム 取得直後にスタンプ) 低精度(OSを経由し てからスタンプ) フレーム作成・送信 可 不可 トラフィック表示モード スタティック/スクロール スクロールのみ
  72. 72. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観  背景  AVnuとは  AVB規格紹介  AVBの今後 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 73
  73. 73. 背景 A/Vストリーム再生における要件 1. 複数ストリームの正確な同期・再生  左右のスピーカから音がずれて聞こえる(音声ストリー ムx2の同期失敗)、歌手の口と歌が合っていない(音声 ストリーム&動画ストリームの同期失敗)などは論外 2. ストリーム転送の遅延が少なくかつ決定論的  再生ボタンを押してからの反応が遅い、反応時間にブ レがある、時々動画が止まる等(特に車載カメラでは問 題) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 74
  74. 74. 背景 LVDS(動画) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 75 従来型A/V転送形式 1.Point-to-Point、接続機器が増えれば配線量も膨大に 2.プロプライエタリ、高価 3.家庭/プロ/車載用など分野ごとにバラバラの規格 HD-SDI(動画) S/PDIF(音声) Ethernetを使えば万事解決?
  75. 75. 背景 規格追加 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 76 しかし標準のEthernetでは・・・ 1.いつフレームが相手に届くか不明(スイッチ由来の遅延等) 2.プログラム(ストリーム)の使えるバンド幅不定、パケット損失も有 3.各ノードを時間同期する仕組みの欠如 1.タイミング保証:802.1Qav 2.ストリーム予約:802.1Qat 3.クロック同期:802.1AS 4.AVBシステム全体:802.1BA まと めて “AV B”
  76. 76. AVB規格の属する層は? (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp IEEE 1722 IEEE 1722.1 77 Ethernet MAC(Ethernetフレーム) Ethernet PHY 802.1AS (gPTP) 802.1Qat (SRP) 802.1Qav (FQTSS) アプリケーション 第2層 即ち・・・  LAN内限定  物理層は標準Ethernet でもBroadR-Reach でもOK 出典:Harman International(一部改変) gPTP: generalized Precision Time Protocol, SRP: Stream Reservation Protocol FQTSS: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams
  77. 77. AVBシステム全体像 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 78 出典:Avnu資料改変 A/Vストリーム経路 上に1つでもAVB非 対応のノードがある とNG
  78. 78. AVB利用例 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 出典:Avnu 79 車載カメラ (ドラレコ/死角/駐車補助) インフォテイメント (動画&音声/携帯との連携)
  79. 79. AVB用語集 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 80 Talker A/Vストリームの送信元ノード ・DVDプレーヤ、マイク Listener A/Vストリームの送信先ノード ・スピーカ、LCDディスプレイ Endpoint TalkerまたはListenerとなるノード Bridge 一般的なスイッチと同義 “Either a MAC Bridge, as specified in Clause 5 of IEEE Std 802.1D-2004, or a VLAN-aware Bridge, as specified in Clause 5 of IEEE Std 802.1Q-2005.”(802.1AS-2011より) A/Vストリーム 1つのTalkerから、1つまたは複数のListenerに対す るA/Vデータの流れ ・車載カメラ⇨LCDディスプレイx1 ・CDプレーヤ⇨スピーカx2
  80. 80. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観  背景  AVnuとは  AVB規格紹介  AVBの今後 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 81
  81. 81. AVnu Alliance (アヴニュー) IEEE AVB規格と市場の橋渡し役  AVBデバイスの試験・認証、各種技術情報提供 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 82
  82. 82. AVnu認証済み製品 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 83 Summit 440 / Extreme Networks 世界初のAVBブリッジ 2013/12認証 DCi 8|600ND / Harman 世界初のAVBエンドポイント (プロ向けオーディオアンプ) 2014/06認証 車載向け製品は未だなし (2014/09現在)
  83. 83. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観  背景  AVnuとは  AVB規格紹介  AVBの今後 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 84
  84. 84. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol 背景 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp エンドポイント (スレーブ) 85 エンドポイント (グランドマスタ) ブリッジ ブリッジ エンドポイント (スレーブ) エンドポイント (スレーブ) ネットワーク経由での A/V再生には各ノードの 正確な時刻同期が必須 gPTP 誤差1us以下の高精度同期実現
  85. 85. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp エンドポイント (スレーブ) 86 エンドポイント (グランドマスタ) ブリッジ ブリッジ エンドポイント (スレーブ) エンドポイント (スレーブ) gPTP動作フロー 0.ネットワーク接続確立 1.各ノードが802.1AS対応であ ることを確認 2.ノード間伝播遅延時間算出 3.グランドマスタ選出 4.グランドマスタが全ノードに マスタクロック情報送信、各ス レーブは伝達遅延を考慮して自 クロック補正
  86. 86. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol 隣接ノード間伝播遅延算出の基本原理 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp t1 t4 t2 t3 Pdelay_Req Pdelay_Resp (t2,t3伝達) 1.ノードAは伝播遅延時間の算出 を要求するメッセージPdelay_Reqを 送信 2.ノードBはPdelay_Respメッセー ジを返信(返信時刻t3及びPdelay_Req の受信時刻t2を同梱) 3.ノードAは取得した(t1,t2,t3,t4)に 基づき片道の遅延時間Dを算出 D D ノードA ノードB 片道遅延D = ((t4 – t1) – (t3 – t2)) / 2
  87. 87. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol より正確な”t3”取得のために・・・ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ノードA ノードB t1 t4 t2 t3 Pdelay_Req Pdelay_Resp D D t3はひとまず記録しておき、 (t2伝達) 別のメッセージに載せて改めて送信 (Follow Upメッセージ) Pdelay_Resp_Follow_Up (t3伝達) 送信フレームの中に、そのフレーム 自身の正確な送信時間t3を入れるこ とは困難 (フレーム送信開始と同時に定まるt3 を、どうフレーム内に入れる??)
  88. 88. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol ノード間伝播遅延算出トラフィック例 t1 t4 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp t2 t3 Pdelay_Req Pdelay_Resp (t2伝達) Pdelay_Resp_Follow_Up (t3伝達) 片道遅延D = ((4.225169-4.225168) – (13874.651720–13874.651689))/2 ≒ 15us
  89. 89. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol グランドマスタによるクロック同期機構 グランドマスタの時刻を載せた Syncメッセージを、全ノードに 周期的に送信(デフォルト125ms)。 各スレーブはマスタ時刻&伝達遅延時間 に基づき自分の時刻を補正。 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp エンドポイント 90 エンドポイント (グランドマスタ) (スレーブ) Sync ブリッジ ブリッジ エンドポイント (スレーブ) エンドポイント (スレーブ) Sync Sync Sync Sync
  90. 90. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol グランドマスタのSyncメッセージトラフィック例 Sync(とFollow Up)メッセージが125msごと にグランドマスタよりマルチキャスト ここでも実際には、Follow Upメッセージが Syncの正確な送信時間を伝達 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 91
  91. 91. 802.1AS: generalized Precision Time Protocol (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 92 パケット構造 Ethernetフレームのデータ部に格納 gPTPヘッダ gPTPデータ (Follow Upメッセージの場合(messageType=2))
  92. 92. 802.1Qat: Stream Reservation Protocol 安定したA/V再生のため、各ストリームが その経路上(Talker→Listener)において一定のバンド幅を確保 ブリッジ (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 93 出展:AVnu Talker Listener
  93. 93. 802.1Qat: Stream Reservation Protocol ①Talkerが、確保したいバンド幅を含むAdvertise(告知)メッセージを Listenerに向けて送信 ②経路上のブリッジは、自ポートの利用可能 バンド幅を確認。OKなら次のブリッジに そのままメッセージを転送 (NGならTalker failedメッセージ転送) ③ListenerはAdvertise受信後、Listener ReadyメッセージをTalkerへと送り返す ④TalkerはReadyメッセージ受信後、 ストリーム送信開始 ※その後Talker/ListenerはAdvertise/Readyを を周期的に送信し合い、通信状態を維持 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 94 SRPの動作フロー ② ② ① ② ② ③
  94. 94. 802.1Qat: Stream Reservation Protocol (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 95 送信 先 MACアドレス 送信 元 MACアドレス Ether Type 0x22 EA デー タ 46-1500バイト CR C 4バ イト Ethernetフレーム 802.1Qatパケット ProtocolVersion Message Message ・・・・・・・・ EndMark Attibut eType (Advertise等) Attribute Length AttributeListLength Attribu teList (Stream ID等) パケット構造 Ethernetフレームのデータ部に格納
  95. 95. 802.1Qav: Forwar ding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams SRPによってバンド幅を確保したとはいっても・・・ もし各Talkerのフレーム送信間隔に重大なムラがある場合、タイミング次 第ではブリッジにて輻輳が発生しうる (例えば複数Talkerが”10Mbps”を確保 しておいて、0.9秒間待機、次の0.1秒にて10Mビットを1つのブリッジへと 一気に放出)  フレーム損失、不安定なフレーム遅延によるA/V品質の劣化 FQTSS Talker及びブリッジの送信フレーム間隔を125us単位で平滑化(Class Aの場合)  フレームがListenerに届くまで、7ホップで最悪2msの遅延を保証  125usのうちA/Vストリームは93.75us(75%)、制御信号等の非A/Vデータ は31.25us(25%)確保 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp
  96. 96. 802.1Qav: Forwar ding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams TalkerがA/Vストリームx1を送信する場合のTalker内部動作例 このキューの クレジット値 A/Vフレームが キュー入り クレジット≧0なので A/Vフレーム送信 非A/Vフレーム送信完了 後、クレジット≧0なの で直ちにA/Vフレーム送 信開始 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp クレジット≧0なので A/Vフレーム送信 ※Avnu.org資料を改変 125us 非A/Vフレーム あるA/V ストリーム のキュー 送信中 フレーム 時間 ルール概要 ✔クレジット初期値0 ✔クレジット≧0ならA/Vフレーム送信 ✔ A/Vフレーム送信中はクレジット減少 、待機中は上昇 (それぞれ傾きsendSlope, idleSlope) A/Vフレームが キュー入り クレジット≧0なので A/Vフレーム送信 Credit-based Faire Queuing:クレジット値に基づくキューイング
  97. 97. 802.1Qav: Forwar ding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams FQTSSパケット定義:なし ・なぜならFQTSSは、与えられたパケットをいかにムラなく送信 するか、というデバイス内部の動作を定めるプロトコル。送り出 すパケット内容自体の定義は行わない。 Ethernetトラフィック解析の観点からすると・・・ ・各A/Vストリームのパケットが約125us周期となっていれば、 FQTSSが”みえている”といえる(Class Bなら250us) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp
  98. 98. AVBの上位プロトコル これまでのプロトコルの組み合わせで、A/V用の安定したデータ転送が可能に  では実際のA/Vデータをどうフレームに詰める?  どうAVB対応デバイスを発見・制御する? (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp IEEE 1722.1 IEEE 1722 99 Ethernet MAC(Ethernetフレーム) Ethernet PHY 802.1AS (gPTP) 802.1Qat (SRP) 802.1Qav (FQTSS) アプリケーション
  99. 99. IEEE 1722: AVB Transport Protocol • 各種A/V形式のEthernetフレームへのカプセル化 • MPEG2-TS(動画+音声) / AM824(音声) / MIDI等 • A/Vストリーム同期機構 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 100 Talker ブリッジ 1 Listener (左スピーカ) Listener (右スピーカ) プレゼンテーション時刻の利用により、 例えばパケット到達時刻の異なる 左スピーカ/右スピーカの同期再生を実現 ブリッジ 2 ブリッジ 3 ブリッジ 6 ブリッジ 5 ブリッジ 4
  100. 100. IEEE 1722: AVB Transport Protocol プレゼンテーション時刻 =各Listenerが、Talkerから受け取ったA/Vパケットを 再生する共通時刻 =Talkerからのパケット送信時における共通時刻+2ms ※共通時刻=gPTPにより確立されたグランドマスタ時刻 ※SRP+FQTSSにより7ホップで最悪2msの遅延保証 Talker (音楽プレーヤ) ブリッジ 1 Listener (左スピーカ) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp ③ぎりぎりでパケット 到着、すぐに再生! Listener (右スピーカ) ブリッジ 2 ブリッジ 3 ブリッジ 6 ブリッジ 5 ブリッジ 4 ①今の時刻の遅くとも2ms後にはこの パケットが行き渡ってるだろう・・ (パケット送信) ②パケットが着いたけど、 まだプレゼン時刻までは だいぶ間があるので待機
  101. 101. IEEE 1722: AVB Transport Protocol パケット構造 Ethernetフレームのデータ部に格納 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 出典:Harman International 102 標準のEthernetヘッダ AVTPパケット
  102. 102. IEEE 1722: AVB Transport Protocol パケットヘッダ及びデータ部分 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 103 A/Vストリーム 共通データ構造 AVTP共通ヘッダ avtp_timestamp (プレゼンテーション時刻)
  103. 103. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 1722対応A/Vデバイスの管理用プロトコル • Talker/Listener、両者を管理する”Controller”の3者を定義 • Controllerは物理的に別のノードでも良いし、Talkerまたは Listenerが二役をこなしてもよい AVDECCを構成するプロトコル (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 104 1. デバイス検出 AVDECC Discovery Protocol 2. デバイス接続状態管理 AVDECC Connection Management Protocol 3. デバイス機能検出&制御 AVDECC Enumeration and Control Protocol
  104. 104. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 1.AVDECC Discovery Protocol ネットワーク上の1722対応ノードを検出 • 各ノードは、ENTITY_AVAILABLEメッセージを 周期的(デフォルト約15秒)に送信し自身を告知 • ENTITY_DISCOVERメッセージを、ネットワーク上の 全ノードまたは特定ノードに送信することで ENTITY_AVAILABLEメッセージを直ちに送信させる ことも可能 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 105
  105. 105. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 1.AVDECC Discovery Protocol (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 106 IEEE 1722 AVTPパケット のデータ部にパケット格納 ADPパケット
  106. 106. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 2.AVDECC Connection Management Protocol Talker⇔Listener間の接続・切断を管理 • ノード間でのコマンド送信→応答による制御 • ListenerがTalkerにCONNECT_TX_CONNECT送信、 Talkerから無事RESPONSEを受け取れば接続完了 (Fast Connectモード。Controllerを介した接続方法もある) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 107
  107. 107. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 2.AVDECC Connection Management Protocol ACMPコマンド一覧 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 108
  108. 108. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 2.AVDECC Connection Management Protocol ACMPパケット (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 109 IEEE 1722 AVTPパケット のデータ部にパケット格納
  109. 109. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 3.AVDECC Enumeration and Control Protocol 1722対応ノードの各種機能やA/Vフォーマットの検出・設定 • Controllerからのコマンド送信→ノードからの応答 • 動画フォーマットの取得/設定 (アスペクト比、フレームサイズ等) • サンプリングレートの取得/設定 • ミキサー情報の取得/設定 • ストリーミングの開始/停止 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 110
  110. 110. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 3.AVDECC Enumeration and Control Protocol AECPコマンド一覧 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 111 AECPの主要コマンド ファームウェア書換等に利用
  111. 111. 3.AVDECC Enumeration and Control Protocol AEM_COMMANDコード抜粋(計74個) (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 112 IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices
  112. 112. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices 3.AVDECC Enumeration and Control Protocol AECPパケット (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 113 IEEE 1722 AVTPパケット のデータ部にパケット格納
  113. 113. IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control for AVTP devices まとめ アプリケーション IEEE 1722.1:A/Vデバイス制御 IEEE 1722:A/Vパケット転送 802.1Qav:パケット転送間隔制御 Ethernet MAC Ethernet PHY アプリケーション IEEE 1722.1:A/Vデバイス制御 IEEE 1722:A/Vパケット転送 802.1Qav:パケット転送間隔制御 Ethernet MAC Ethernet PHY (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 114
  114. 114. IEEE P1722A IEEE 1722の機能を拡張  車載プロトコルサポート:CAN, LIN, FlexRay  新たなA/V形式サポート:H.264, MJPEG, …  ネットワーク障害検出、データ暗号化、… (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 115 2014/09現在、 標準化進行中!
  115. 115. 補足:AVBにおけるオーディオ ストリームのバンド幅計算ウェブアプリ abc.statusbar.com (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 116 条件を入力 して計算
  116. 116. 目次 序章:クルマはEthernetへ 第一章:第1層~物理層~ 第二章:第2層~データリンク層~ 第三章:第3層~ネットワーク層~ 第四章:第4層~トランスポート層~ 第五章:Audio Visual Bridging概観  背景  AVnuとは  AVB規格紹介  AVBの今後 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 117
  117. 117. AVBの今後 これまで観てきたAVBは実は”初代AVB”(AVB Gen 1)  用途はA/Vにほぼ限定 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 118 AVB Gen 2 自動車制御”も”実現すべく、 更なる超低遅延・高信頼性を追求 P802.1ASbt:802.1ASの強化 P802.1Qbv:802.1Qavの強化 P802.1Qbu:パケットの割込(新機能) →100us@5ホップ等を目標(2015年仕様完成?)
  118. 118. AVBの今後:Ethernetの採用拡大予想 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp MOST置換 119 FlexRay置換 現在 中期 長期 出典:Avnu
  119. 119. デモ:当社BroadR-Reach製品による Ethernetネットワーク構成&解析 (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 120
  120. 120. (株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 121

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