同期性
タイム・トリガ・システムにおけるイベントは、1μsレベルの精度で事前定義された時間に起こります。 これは、TT（Time-Triggered）メッセージの通信も含みます。システム設計は、いつ、どの関係者がTTメッセージを送信し、誰がそれを受信するのかを指定します。 これは、ネットワークが衝突なし（スイッチにおけるデータ渋滞）にTTメッセージを処理し、例えば、メッセージが事前定義された時間に到着しなかったか、全く到着しない場合、 受信者が決定論的システムの品質を連続的にチェックできることを保障します。これは、TTEthernetを最高度の安全統合レベルのアプリケーションに適したものにします。
図12 冗長ネットワーク・トポロジーとIEEE 1588のような他のシステムとの同期
全関係者中の同期は、TTメッセージの送信にとって重要です。TTEthernetは、同期性においてエンドシステムとスイッチのクロックを維持するため、常にクロック同期メッセージを送信します。 この目的のために、TTEthernetは、システムに時間を提供するため、多数の分散フォールトトレランス・マスター・ノードとマスター・スイッチを持つ冗長階層マスター・スレーブ方法に依存します。 これは、同期において、フェイルセーフ・オペレーションと高品質を共に保証します。この方法は、TTEthernet独特で、IEEE 1588のような他のメカニズムと組み合わせることができます（図5参照）。
IEEE 1588は、Ethernet用の同期プロトコルを指定します。TTEthernetのグローバル時間ベースは、ネイティブのIEEE 1588同期クライアントも利用することができます。 この目的のために、追加機能は、IEEE 1588クロック同期フレームを生成するTTEthernetデバイスのトップで実現することができます。 TTEthernetは、TTEthernetネットワーク中の遅延を補償する手段を提供します。 TTEthernetネットワーク外では、ネイティブのIEEE 1588ネットワークにおいて、クロック同期メッセージは、ネイティブのIEEE 1588クロック同期メッセージとして取り扱うことができます。
同期アプローチ
TTEthernetは、2ステップの同期アプローチを踏みます。第1ステップ同期において、マスターは、圧縮マスターにプロトコル制御フレームを送ります。 圧縮マスターは、その後、これらプロトコル制御フレームの比較到着時間から平均値を計算し、第2ステップにおいて、新しいプロトコル制御フレームを送り出します。 この新しいプロトコル制御フレームは、その後、同期クライアントにも送られます。
デバイスが同期マスター、同期クライアント、および圧縮マスターとして設定される決定は、システム・アーキテクチャに対する要求から提起されます。 エンドシステムは、同期マスター、およびスイッチ、圧縮マスターとして設定することができます。 しかし、圧縮マスター、およびスイッチ、同期マスターとして設定されたエンドシステムを持つシステム設定も可能です。
同期、または圧縮マスターとして設定されていないスイッチとエンドシステムは、同期クライアントとして設定されます（図13参照）。
図13 2ステップの同期アプローチ
同期トポロジー
TTEthernetは、同期トポロジーにおいて、4つの異なるレベルを区別します。 最低レベルにおいて、TTEthernetは、同期マスター、同期クライアント、および圧縮マスターを構成するデバイス・レベルを定義します。 クラスター・レベルは、同じ同期優先度と同じ同期ドメインを持つデバイスをグループ化します。 マルチ・クラスター・レベルにおいて、異なる同期優先度を持ついくつかのクラスターだが、同じ同期ドメインは、一緒にグループ化されます。 最終的に、ネットワーク・レベルは、異なる同期優先度と異なる同期ドメインを持つ異なるクラスター（潜在的にマルチ・クラスタ）をグループ化します（図14参照）
図14 TTEthernet同期トポロジーは、4レベルを持つ
TTEthernetは、クラスターの概念を指定します。 TTEthernetクラスターは、同じ同期優先度と同期ドメインを持つエンドシステムとスイッチのグループです。 TTEthernetクラスターは、大TTEthernetネットワークで使用することができ、異なるクラスターは、分離して動作させることができますが、 一旦高優先度クラスターがネットワークに加わるか、パワーONされれば、マスター・スレーブ・モードで動作させることができます。
TTEthernetのシンプルなクラスターは、通信チャンネルのオプションの冗長セットを経由して相互に接続されるエンドシステムのセットから成り、 各通信チャンネルは、1スイッチのみから成ります（図15参照）。 TTEthernetのカスケード・クラスター設定において、各通信チャンネルは、1つ以上のスイッチから成ります（図16参照）。
TTEthernetは、異なる同期優先度を指定します。マルチクラスター・システムにおける同期は、通常、マスター・スレーブ・パラダイムに従い行われ、デバイスは、最高度の同期優先度で同期します。
図15 3つの冗長チャンネルを持つTTEthernetのシンプルなクラスター
図16 3つの冗長チャンネルを持つTTEthernetカスケード・クラスター
TTEthernetは、異なる同期ドメインも指定します。同期ドメインは、互いに同期しないTTEthernetクラスターのグループです。 しかしながら、異なる同期ドメインにおける2つのTTEthernetクラスター間のデータフローは、RC、またはBEトラフィックを使用して行うことができます。
可変適用
エンドシステム用のTTEthernetの統合は、一時的品質、安全性、およびフォールトトレランスのような要求に応じて、ハードウェア、またはソフトウェアで適用することができます。 TTEthernetシステムは、事前定義された振る舞いに影響することなく、常に通常のEthernetシステムに接続することができます。しかし、この追加システム用の帯域幅が不足するかも知れません。
標準的なPCですら、TTEthernetシステムに参加することができます。これらのシナリオは、以下のことが可能です。
- 通常のNetwork Interface Card（NIC）を持つPCは、BEメッセージを送受信することができます。 専用ソフトウェアを装備するPCは、TTとRCメッセージを受信し、分析することもできます
- 通常のNICとTTEthernet スタックを持つPCは、TTC、RC、およびBEメッセージの送受信を可能にするソフトウェア・ベース・エンドシステム（SES）です。 しかし、PCソフトウェアは、一時的精度に対する限定的ファクターです。
- 特定のTTEthernet NICを持つPCは、最高の一時的精度を持つTT、RC、およびBEメッセージを送受信することができます
非PCベース組み込みシステムは、TTEhernetを適用することができます。 これは、標準的なEthernetハードウェア上のスタック・ベース・ソフトウェアか、専用のハードウェア・コントローラで起こり得ます。
この広範囲な適用自由度は、EthernetメッセージのみがTTEthernetで使用されているように、Ethernet標準へのTTEthernetの互換性の結果です。 しかしながら、TTEthernetの適用オプションと一時的品質間の自然なトレードオフが存在します。 例えば、専用ハードウェアの適用が1μsec以下の精度となるにも拘らず、標準的なNICを持つ標準的なPCで適用されるTTEthernetプロトコル・スタックは、 数百μsecのオーダーで精度を達成するするかも知れません。 なお、標準的なEthernetコントローラから生じる低い一時的な品質は、多数のリアルタイム制御プロセスには十分です。 両ケースにおいて、タイム・トリガ・システムの決定論的プロパティを維持することができます。
結論
Time-Triggered Ethernetは、全てのアプリケーション領域におけるEthernetネットワークに対するタイムトリガー通信を可能にします。 ネットワークは、古典的なWebサービスと航空機内のタイム・クリティカルかつ安全性クリティカルな制御システムのような多種多様なアプリケーションに必要な全てのメカニズムを提供します。 既存のネットワークは、既存のアプリケーションとエンドシステムを変更する必要なく、TTEthernet能力のあるスイッチとエンドシステムを使用して、着実に拡張することができます。 ネットワーク・ソリューションを確立、および認識されたEthernet標準に縮小することは、競合する市場で主要な利点を保全する潜在性を開拓します。 TTEthernetは、極めて必要とされる航空宇宙アプリケーションだけではなく、完全に新しい産業アプリケーション領域にも大きな潜在性を持ちます。
図17 TTEthernetツールのチェインは、ネットワークのライフサイクル全体をカバー