14
EtherCAT and TSN Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures Author Dr. Karl Weber, EtherCAT Technology Group Abstract EtherCAT is the dominant technology in the fieldbus domain, and Ethernet is the standard for wired office applications using switching technology. TSN is the enabler for realtime communication in a heterogeneous environment. In some cases, a combination of these two technologies is required. A better understanding of TSN and the streaming concept is a precondition for a successful implementation at the factory floor. The adoption of EtherCAT in this environment can be done very efficiently, with an upgrade at the master side and no changes to the slaves, and a moderate extension in the bridges connecting EtherCAT segments. Whitepaper

EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

  • Upload
    buinhi

  • View
    217

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for 

Industrial Ethernet System Architectures 

Author Dr. Karl Weber, EtherCAT Technology Group 

Abstract EtherCAT is the dominant technology in the fieldbus domain, and Ethernet is the standard for 

wired  office  applications  using  switching  technology.  TSN  is  the  enabler  for  real‐time 

communication  in a heterogeneous environment. In some cases, a combination of these two 

technologies  is  required.  A  better  understanding  of  TSN  and  the  streaming  concept  is  a 

precondition for a successful implementation at the factory floor. The adoption of EtherCAT in 

this  environment  can  be  done  very  efficiently, with  an  upgrade  at  the master  side  and  no 

changes to the slaves, and a moderate extension in the bridges connecting EtherCAT segments. 

Whitepaper

Page 2: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 1 of 13 

Content 

I. Objective ...................................................................................................................................... 2 

II. EtherCAT and TSN – Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures ......................... 3 

1. Evolution of TSN ...................................................................................................................... 3 

2. Possible Application Scenarios ................................................................................................. 5 

3. Understanding TSN .................................................................................................................. 6 

3.1 The TSN Task Groups ................................................................................................................. 6 

3.2 EtherCAT streaming in IEEE 802.1 Networks ............................................................................ 9 

4. EtherCAT and TSN: A Perfect Match ....................................................................................... 12 

 

  

 

List of Figures 

Figure 1. Industrial Ethernet Communication Evolution ......................................................................... 3 

Figure 2. EtherCAT performance advantages for shared frames, and optimized forwarding ................ 4 

Figure 3. Scheduled traffic latency enhancement by blocking other traffic ........................................... 7 

Figure 4. Difficulty finding an optimal schedule in TSN ........................................................................... 7 

Figure 5. Streams are reserved communication channels within an Ethernet channel ......................... 8 

Figure 6. TSN enables isolation of EtherCAT communication in a network .......................................... 10 

Figure 7. Stream adaptation and TSN provides a virtual Ethernet channel .......................................... 11 

Figure 8. TSN and EtherCAT protocol fields separated ‐ no additional protocol needed ..................... 11 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 2 of 13 

I. Objective 

Time Sensitive Networking (TSN) has been a well‐known acronym since the task group was founded in 

the  Institute  of  Electrical  and  Electronics  Engineers  (IEEE) working  group  802.1.  This whitepaper 

explains how to use this up‐and‐coming technology in the context of industrial automation. TSN is a 

technology  that  can be used  in a variety of applications,  including audio/video  (A/V), automotive, 

mobile network base stations and energy generation. The TSN model introduces the streaming of data 

in the IEEE 802.1 context. It supports a set of features to improve the real‐time capability of streaming, 

but does not define how to use it in a dedicated environment. The term “toolbox” is used to explain 

that a model is needed to describe the TSN application in the context of industrial automation. 

The EtherCAT approach does not mix both technologies, but defines an adaptation to use TSN streams. 

There is no selection of specific TSN elements; the profile at the master and slave segment adaptation 

is usable with all options to forward time sensitive streams. There is no change needed within a slave 

segment. Therefore, this profile requires attention for the master system provider to integrate stream 

adaptation and a system integrator to select the components required for TSN‐to‐EtherCAT segment 

adaptation. This mapping should help manufacturers of automation components, machine builders 

and technology experts at the manufacturing site take the appropriate steps in order to adopt TSN. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 3 of 13 

II. EtherCAT and TSN – 

Best Practices for Industrial E thernet System Architectures 

   

1. Evolution of TSN 

TSN is a set of bridging standards that connects end nodes. “Bridging” is the term used in standards 

activities, but  the popular  term  is  “switching”.  It  is  independent of  the underlying  communication 

technology, although Ethernet is the preferred TSN base. The use of switches has no impact in regards 

of reaction time for typical office users as there are not many switches between the web client and 

the web server, and the human  interaction requires network transactions  in the second range. The 

understanding of  low  latency communication  in the context of switched networks requires a closer 

look at standard office communication. 

Ethernet has a history that spans over 40 years. It was initially a joint effort of Digital Equipment, Intel 

and Xerox to establish a flexible way to interconnect computers. The primary use case at the time was 

the  connection  of  workstations  to  servers.  Flexibility  was  crucial  from  the  beginning,  so  the 

communication  was  organized  using  the  “best‐effort”  principle,  which  is  based  on  client‐server 

communication. Best‐effort means that clients can access data equally, and that no clients are granted 

priority access  to data.  If  too many clients are  trying  to access a single path at  the same  time,  the 

communication is delayed and so is the server response. 

This principle did not change with the Internet, but the workstations evolved into PCs and ultimately 

smartphones, all accessing web servers and the cloud. Ethernet is a Local Area Network (LAN) concept 

that acts as a subnet of  the  Internet. However, subnets  tend  to become  larger and  larger and  the 

original  Ethernet  concept  does  not  scale  with  the  number  of  nodes.  The  bridging  technology, 

introduced more than 25 years ago by IEEE 802.1, improves this situation significantly. It enables the 

simultaneous use of networks with different speeds and allows easy integration of other networking 

technologies  such  as  wireless.  Bridges  divide  the  communication  system  into  end  nodes  and 

communication infrastructure. The best‐effort paradigm was the baseline for all of these technology 

developments. 

 

Figure 1. Industrial Ethernet Communication Evolution 

   

Page 5: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 4 of 13 

Industrial communication protocols – generally referred to as fieldbuses – took shape in the late 1980s, 

with a breakthrough around five years later. Industrial controllers no longer needed to be monolithic, 

vendor‐specific  blocks with  extensive  cabling  to  sensors  and  actuators,  but  instead  a  structured 

network  of  I/O  components  from multiple  technology  providers.  The  baseline  for  technology  in 

automation  has  always  been  a  guaranteed  level  of  service  quality.  This  means  efficient  use  of 

communication  bandwidth,  low  frame  drop  rate  and  a  limited  communication  delay.  Dedicated 

communication technology was the choice at the beginning, but the higher bandwidth and availability 

offered by PC‐based systems placed Ethernet in a viable position for fieldbus use as well. However, the 

best‐effort policy makes  it difficult  to use Ethernet  in automation  the same way as  in  the  Internet 

domain. Even the organizations that try to use an unmodified infrastructure have established quite a 

few rules regarding the use of Ethernet  in the fieldbus environment, such as  limiting non‐real‐time 

traffic or reducing the number of nodes. The fieldbus approach is an integrated network that leads to 

two‐port devices, which can be used to replace the line topology common to fieldbus networks. Using 

an  individual frame approach for field devices with a typical process data size  in the range of eight 

bytes results in poor efficiency, wasting as much as 90 percent of the Ethernet bandwidth, just like a 

delivery truck transporting each packet individually. This challenge is a major reason why the EtherCAT 

approach using Ethernet was successful. EtherCAT offers a completely modified bridging concept that 

can resolve the Internet infrastructure issues as described. Shared frame forwarding and processing 

on the fly are the key improvements that enable high performance applications to fully harness the 

capabilities of Ethernet. 

 

Figure 2. EtherCAT performance advantages for shared frames, and optimized forwarding 

A paradigm shift in the IEEE 802 world, TSN addresses the real‐time needs of various industries. TSN 

forwards frames as fast as possible  in the IEEE 802.1 context and without  losses due to congestion. 

This implies many changes in the best‐effort world that may take a while to resolve. However, it does 

not address the basic problems of Ethernet, which are efficiency of the  individual  frame approach, 

along with the complexity and performance of the forwarding procedure. 

   

Page 6: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 5 of 13 

TSN is not a true fieldbus replacement because it only offers 10 percent of the performance available 

in alternate solutions and it forces users to wait for required fine‐tuning of systems by the technology 

providers.  The  chances  of  successfully  replacing  CAN  or  PROFIBUS with  TSN  are  practically  zero. 

EtherCAT provides much higher performance for a given transmission speed. Therefore, TSN cannot 

replace EtherCAT as a fieldbus. 

However, TSN has advantages  in scenarios with heterogeneous requirements and high amounts of 

Internet traffic. The combined use of cameras and/or various different real‐time standards may be a 

reason to use TSN as a backbone. An embedded PC with a single Ethernet interface can use the TSN 

network access as a virtual port multiplier. The coexistence of EtherCAT as a  fieldbus with already 

available devices and TSN will be another option in the automation communication infrastructure over 

the next decade.  

 

2. Possible Application Scenarios 

TSN is not limited to industrial automation. On the contrary, there are many other possible use cases. 

The  initial use case was  in A/V applications, as the  IEEE 802.1 task group used to be known as AVB 

(Audio Video Bridging). The early standard helped enhance professional A/V installations such as live 

video transmission of sporting events. It was also possible to set up large audio installations using the 

technology. One advantage in this environment was the ability to quickly change the data flow without 

shutting down the whole system. Improved flexibility with less cabling was the major reason to switch 

from the analog installations to Ethernet and wireless. There will be more demanding applications in 

the  future  such  as  3D  pictures  with  changeable  views,  or  systems  with  highly  precise  distance 

measurement. These features require very precise time synchronization. High system availability is a 

very important factor for quality live streaming and it requires a reasonable frame loss ratio, as well as 

the possibility to react quickly to system failures. Some requirements in the area of augmented reality 

(AR) can also be reasons to use this technology in a larger field of applications. In the future, this can 

be possible with TSN. 

The  second use case  for Ethernet‐based  technology was  to  supplement automotive  infrastructure. 

CAN had been the networking technology for quite a few subsystems in the automotive industry, but 

cameras  and  other  complex  infotainment  systems  drove  demand  for  much  higher  bandwidth. 

Diagnostics and service of the electronic subsystems in vehicles was the other reason for integrating 

an Ethernet backbone. Having both applications on a single network requires the separation of the 

data  traffic patterns. Communication  for advanced powertrain  systems  can be another  reason  for 

enhanced communication.  

Currently, this is controlled by an isolated network, which requires additional cabling and computing 

power to feed in new signals. Connecting and synchronizing all networks in a car can lead to additional 

control options, and the mechanical and electrical components can be monitored to implement high 

level condition monitoring functions and more accurate service indicators. The resulting “cable tree” 

is  an  expensive  component  in  a modern  car. A  TSN  backbone  approach,  combined with  efficient 

subsystems, can significantly improve car designs in terms of time critical data exchange. While TSN is 

the primary choice for the automotive backbone and for the camera system, the integration of CAN 

subsystems and the powertrain may be interesting areas for Ethernet applications. Nevertheless, both 

Page 7: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 6 of 13 

communication technologies have characteristics similar to protocols found in industrial automation, 

especially  if  an  enhanced  electrical  drive  subsystem  is  used.  The  pervasiveness  of  Ethernet  in 

automotive systems will boost the industry, and quite a few of these elements may be interesting to 

the automation industry as well. 

Affecting another enormous consumer‐focused industry, mobile networks will be powered by TSN in 

the  near  future,  and  Ethernet will  power  the  backhaul  communication  infrastructure.  This  is  the 

communication  layer  between  radio  equipment  (RE)  units  and  the  RE  control  infrastructure. 

Synchronization  is a very  important task and the  frame  loss rate  is another crucial  factor. The  fifth 

generation of mobile networks (5G) will add quite a few additional performance requirements, and 

the market’s technology providers have started a project to use TSN as the control infrastructure for 

backhaul networks.  

A/V technology is also being incorporated in the automation industry, and further developments in the 

areas mentioned above can accelerate the adoption of these systems. A/V nodes tend to have byte 

counts in the range of 500 – 1,000 bytes, so they could be moved into a specific data traffic class below 

the industrial requirements. The robot market will also grow quickly, and the combination of robots 

and other machines  require  some  time‐sensitive  communication. Currently,  this  is  solved by using 

fieldbus  communication, however,  the other machines  and/or  their PLCs  act  as devices  in  such  a 

network as well. The chances of a specific combination of machines and robots may not support the 

same protocol is high. TSN would make the communication infrastructure much simpler as robots and 

machines  need  no multiple  interfaces  for  the  various  kind  of  communication  needs.  A  common 

infrastructure at that level can accelerate the use of robots and smart machinery, all using a standard 

communication interface for multiple purposes. 

Further possibilities  to  combine TSN with  fieldbus  technology will be discussed  in  the  section  that 

examines TSN in the context of EtherCAT. 

 

3. Understanding TSN 

3.1 The TSN Task Groups 

The TSN task group within the  IEEE 802.1 working group  is responsible for enhancing the real‐time 

capabilities of bridged networks. The communication between end nodes in TSN is done by “streams”. 

The IEEE 802.1 standards use the term “talker” for the sender of a stream, and the term “listener” for 

the receiver of a stream. A stream is a unidirectional flow of data from a talker to one or more listeners. 

An RT stream talker will not send more than a number of frames with a number of octets per interval. 

A  stream  requires  stream  identification  in  order  to  function  in  an  IEEE  802.1  network.  Several 

identification schemes can be used, but a few of the TSN standards use the destination MAC address 

and the VLAN for stream identification. There are several standards that address different aspects of 

streaming. 

   

Page 8: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 7 of 13 

To date, the TSN group has initiated the following standardization projects: 

Improved synchronization behavior (IEEE 802.1ASbt) The previous version of IEEE 802.1AS had already specified a synchronization protocol for the 

timing of distributed clocks, based on the IEEE 1588 standard. It had promoted the integration 

into  a  standard  Ethernet  environment.  However,  compatibility with  other  1588  Ethernet 

profiles  was  lost.  The  new  version  will  incorporate  the  accepted  features  of  one‐step 

transparent  clocks.  The  main  area  for  improvement  right  now  is  the  response  to  error 

situations, such as failure of a communications line or a master. The new version should also 

be able to deal with different time domains in a device. 

 

Frame preemption (IEEE 802.1Qbu) A major  problem  for  deterministic  transfer  of  time‐critical messages  is 

legacy traffic on the same network segment, where an individual frame can 

be more than 1,500 bytes long. This can result in delays of up to 125 μs per 

node cycle. This problem can be addressed by using a frame interruption 

mechanism (specified within the  IEEE working groups  in Ethernet project 

P802.3br). Ultimately, this mechanism will require not only new network 

components,  but  also  new  Ethernet  integrated  circuits  (ICs)  in  the  end 

systems. 

 

Enhancements for scheduled traffic (IEEE 802.1Qbv) 

The  time control of  send operations plays a key  role  in TSN.  Just  like  in 

physical roadways, there may be traffic jams on information highways, and 

even with high‐priority, real‐time data and preemption, there may still be 

some variation in transmission times. Since the time‐sensitive streams are 

transmitted cyclically, largely undisturbed communication can be realized 

by blocking  less  time‐critical data  just before  cyclic  communication. The 

procedure is comparable to traffic light control. 

 

 

Figure 4. Difficulty finding an optimal schedule in TSN 

Path control and reservation (IEEE 802.1Qca) 

In order to get from A to B as quickly as possible, you need a map and a route planner. Just like 

in everyday life, a network requires one to capture the way in which components are arranged 

Figure 3. Scheduled traffic latency enhancement by blocking other traffic 

Page 9: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 8 of 13 

and determine how  to select  the communication  routes  in  the most efficient manner. The 

protocol can be based on the “Intermediate System to Intermediate System” (IS‐IS) concept, 

which  is  also  used  by  routers.  This  concept  involves  gathering  and  distributing  topology 

information. After several iterations, all nodes have all of the topology information from the 

entire network. If there are several possible routes that lead to the destination, the procedure 

can be used to find the shortest one.  It can also be used to  identify redundant routes. This 

project was initiated outside of TSN. 

 

Seamless redundancy (IEEE 802.1CB) 

Although international standards already provide specified protocols for seamless redundancy 

such as High‐Availability, Seamless Redundancy  (HSR), or  the Parallel Redundancy Protocol 

(PRP), they require the complete data exchange between stations be designed for redundancy. 

This can cause problems because the order of the messages  is not maintained  if there  is an 

error. In addition, troubleshooting is quite complex. For IEEE 802.1, it was decided to explicitly 

apply seamless redundancy only to individual critical data streams. This makes it possible to 

reduce the protocol overhead, and it means critical points are easier to identify. 

 

Stream bandwidth reservation (IEEE 802.1Qcc) 

A major problem with  Ethernet  is  found  in 

overload  situations,  such  as when data  are 

received  through  two  channels  and 

forwarded  over  a  single  output.  A  large 

memory  is also sub‐optimal, since the delay 

increases with  the number of bytes  stored. 

This delay (best‐effort) cannot be controlled 

by  increasing  the  response  time  in 

automation  technology.  If  real‐time  data 

streams have high priority,  this  results  in a 

risk  that  the  rest  of  the  communication  is 

delayed forever. For this reason, the required 

stream bandwidth  is determined and  reserved. The  reservation protocol allows a  real‐time 

load  of  up  to  80  percent  of  the  bandwidth.  It  is  an  extension  of  the  existing  reservation 

protocol.  It has become clear,  though,  that  it will not be  feasible  to meet all  the extended 

requirements of TSN by merely extending the existing reservation protocol. This means that it 

will still be necessary to find additional mechanisms for  implementing real‐time channels  in 

the future. 

Cyclic scheduling (IEEE 802.1Qch) 

This  is  a  procedure  that  involves  the  forwarding  of  time‐critical  messages  only  to  the 

immediate neighbor device during each cycle. This is advantageous if the cascading depth is 

low or the number of nodes on a single path with cyclic scheduling is low. The approach can 

help  integrate  wireless  devices  or  other  components  with  a  latency  that  is  difficult  to 

determine, and it is more robust than time control. It allows the easy calculation of cycle times 

and may help limit the schedule calculation in complex systems. 

 

   

Figure 5. Streams are reserved communication channels within an Ethernet channel 

Page 10: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 9 of 13 

Per stream filtering and policing (IEEE 802.1Qci) 

An additional aspect discussed by the experts is how to limit the effects of nodes that behave 

incorrectly. To this end, the incoming side (ingress) of the nodes must monitor the link traffic 

on a per stream base. Depending on the number of streams, this could be a difficult task. If 

more bandwidth is consumed than is allowed, specific actions will be taken. One possible result 

could be the disabling of a stream that produces errors. 

 

IEEE 802.1Q YANG data models (IEEE 802.1Qcp) 

YANG is the new modelling language which should replace MIB, so the idea is to remodel all 

MIBs. The starting point is a generic bridge model that should be provided by this standard. 

The  IEEE 802.1Qcc standard suggested a configuration model  that  relies on YANG, but  this 

standard will provide just a few models of the overall data needed. 

 

Asynchronous traffic shaping (IEEE 802.1Qcr) 

This shaper optimizes the latency within a traffic class with multiple streams. The work on this 

standard has just started and requires a data base in the range of 0.1 Qci. 

 

Link local registration protocol (IEEE 802.1CS) 

This standard implements a base protocol for configuration elements. It is optimized to carry 

a larger data volume than MRP. The work on this standard has also just begun. 

 

Auto attach to PBB (IEEE 802.1Qcj) 

Provider bridging configuration using Link Layer Discovery Protocol or LLDP (this is not used in 

industrial automation) 

 

Profile for fronthaul (IEEE 802.1CM) 

Telecom TSN profile (not used in industrial automation) 

 

3.2 EtherCAT streaming in IEEE 802.1 Networks 

TSN could be used in heterogeneous networks, but it cannot replace EtherCAT. Because EtherCAT uses 

standard elements  at  the master  side,  it  could be  connected  to  a TSN  infrastructure  as well.  The 

connection  to TSN, however, has  the drawback of adding additional  latency  in  the communication 

between master and slave. Yet,  it offers  the possibility  to use a higher data  rate  if  the master has 

several communication tasks. Therefore, a couple of hops in a TSN network may consume around 10 

µs. However, now  it  is possible  to  connect  four EtherCAT  subsystems and a video  system, do  the 

communication with the controlling station of a subsystem, and run all the  interconnections to the 

Internet. A single gigabit Ethernet interface is enough for the various communication needs. Therefore, 

standard  architectures  and  embedded  systems  can  serve  as  a  multi‐purpose  infrastructure  in 

automation with a TSN subsystem upfront. 

The structure and performance at the I/O level is quite different from a typical switched environment. 

For efficiency  reasons, an EtherCAT  segment  should be kept  together. Again,  the  latency within a 

segment of 10 EtherCAT slaves is around 10 µs (but now with 100 Mbps link speed). This leads to a 

structure with a master at one side, a segment with a couple of slaves on the other side and a TSN 

network in between. Adding a network infrastructure between the master and the slave segment does 

Page 11: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 10 of 13 

not  change  the  isolation  paradigm  of  such  a  group,  but  it  does  transform  a  physically  separated 

network into a logically separated network. This enables a higher level of flexibility for master devices, 

and it will maintain a guaranteed latency as well as a predictable frame loss rate. 

 

Figure 6. TSN enables isolation of EtherCAT communication in a network 

EtherCAT uses the stream concept of TSN with a one‐to‐one relationship between talker and listener, 

unless otherwise specified. A TSN stream will transmit a certain number of bytes within a given interval. 

The defined amount of data may be greater than the transmitted number of bytes, but not less than 

the reserved bandwidth. 

At least two streams will be established between a master and an EtherCAT segment. One goes from 

the master to the slave segment and vice versa. Another stream may be used for control purposes of 

a group of EtherCAT slaves (client/server kinds of communication). This kind of communication may 

have different traffic characteristics and can be put in a lower priority class. Further communication 

requirements, such as collecting data for condition monitoring, may require another pair of streams. 

The TSN profile describes how to transmit EtherCAT data within a bridged network according to IEEE 

802.1. The configuration of the bridges and other bridge‐related service functions are not described in 

the EtherCAT‐specific profile, but will be handled  in  the TSN  context. The basic  requirements of a 

virtual EtherCAT channel in the master is to have a dedicated identifier of the related EtherCAT slave 

segment and the send interval, a limit of data that can be sent, and optionally a send time between 

the intervals. These are the parameters defined for send streams at the master side. The receive time 

of the stream flowing backwards is needed at the master side. 

Page 12: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 11 of 13 

The maximum delay in the slave segment has to complete the schedule. The bridge‐related parameters 

are the additional time constraints needed to calculate the EtherCAT turnaround time in this context.

The architectural view is as follows: The identification 

of EtherCAT  segments will be unique within an  IEEE 

802.1 network. Address duplication will be detected 

by multiple responses to a single request stream.  

The identification is a 12‐bit value, which can be set up 

by an EtherCAT device within or next to a streaming 

instance.  The  other  option  is  to  assign  a  VLAN 

identifier (VID) to an EtherCAT segment to the bridge 

port connected to the EtherCAT segment. The use of 

VID makes it easier to handle EtherCAT segments in an 

IEEE 802.1 environment, as a port VID is a well‐known 

parameter of managed switches. 

The stream adaptation  in the master, and  in front of 

the EtherCAT segment, use the identification to set up 

the slave addresses needed for streaming. According 

to  the  TSN  standards,  the  stream  needs  unique 

addressing.  This  addressing  is  deduced  from 

identification combined with an address field reserved 

for EtherCAT. 

The  mapping  principle  is  straightforward:  The 

EtherCAT fields will not be changed by TSN and the TSN 

fields are not used for EtherCAT processing. 

Figure 8. TSN and EtherCAT protocol fields separated ‐ no additional protocol needed 

An EtherCAT slave segment corresponds to a VID. In this particular case the VID would be sufficient in 

combination with the priority field in the VLAN tag to operate. This is a special form of VLAN with just 

two  end  nodes.  TSN  stream  processing  is  done  with  stream  addresses  that  are  the  destination 

addresses of the frame. The bandwidth allocation and the forwarding depend upon these addresses. 

Therefore, a mapping of the ID to the individual streams is required.  

Figure 7. Stream adaptation and TSN provides a virtual Ethernet channel

Page 13: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 12 of 13 

EtherCAT Stream Address (Header)  Identifier 

0x  01  05  06  yy  yz 

X=2:  Locally Administered Address  yyy:  Set by Device ID/ VID 

Used for Unicast Communication  z:  Stream Selector 

X=3   Group Address 

Used for TSN Streams 

Synchronized operation is possible in such networks by sending the frame with a fixed interval from 

the IEEE 802.1 network into the EtherCAT slave segment. This requires a limited latency variation. The 

send time into the EtherCAT segment is determined by the worst‐case latency. TSN allows synchronous 

operations and can provide a global time base to enable synchronous actions beyond a single EtherCAT 

slave segment. The quality of synchronous operation depends on the quality of the synchronization 

within TSN (IEEE 802.1AS) to keep a precise time and perform timed actions with a very low jitter. The 

EtherCAT accuracy is in the range of 100 ns. It is recommended to use bridges that provide a precise 

timing in the 100 ns range between the EtherCAT master and the first slave. 

 

4. EtherCAT and TSN: A Perfect Match 

Automation applications can vary greatly in form, size and performance requirements. 

A  car body  shop  for  instance  is a  very  complex application 

example: about a thousand robots and thousands of control 

units could be connected to tens of thousands of sensors and 

actuators. 

One  robot  could  consist  of  several  drives  and  I/Os. Many 

sensors provide just a digital or analog signal as data for the 

control  system.  Thousands  of  I/O  boxes  help  collect  and 

distribute the process data. On top of such a system, an IEEE 

802.1 network may act as the backbone for the automation 

infrastructure. 

It would be a nightmare to connect and configure all the I/O 

boxes, drives and control units directly to this application with 

a TSN enhanced network.  It would be a never‐ending story 

and  could  imply  that  every  machine  element  must  be 

configured  outside  the  manufacturer.  It  is  a  very  open 

solution,  but  it may  be  hard  to  protect  the machine  from 

being  configured  incorrectly  or  to  maintain  the  desired 

service quality level. 

A concept is needed to ensure the appropriate structure from 

the top down and from the bottom up.  

Limitations of TSN 

TSN does not provide an 

application layer: TSN is 

not a fieldbus. 

TSN will not challenge 

the EtherCAT Device 

Protocol at the field 

level. 

 

However  

TSN will make inroads in 

existing and upcoming 

solutions, e.g. EtherCAT 

Automation Protocol 

(EAP), EtherCAT 

Topology Extension, OPC 

Publisher/Subscriber 

Model.  

Page 14: EtherCAT and TSN - Best Practices for Industrial Ethernet ... · PDF file12 List of ... the profile at the master and slave segment adaptation is ... Ethernet has a history that spans

EtherCAT and TSN ‐ Best Practices for Industrial Ethernet System Architectures 

© 2017 EtherCAT Technology Group                         www.ethercat.org  Page 13 of 13 

The intention of this whitepaper is not to cover all these aspects, but to discuss how to integrate the 

machine  level approach  in TSN. One way  is  to decouple EtherCAT and TSN using a gateway  in  the 

master. Ethernet TCP/IP communication can be routed through  the master. Additional  flexibility of 

network  configuration  can  be  achieved  by  connecting  EtherCAT master  interfaces  and  EtherCAT 

segments  to TSN. The  combination of a group of  slaves  (I/O boxes, drives, etc.)  into an EtherCAT 

segment significantly reduces the number of streams needed in TSN, and helps protect this group while 

increasing the efficiency of the combined EtherCAT/TSN system by an order of magnitude. The reasons 

for such an  integration could be missing Ethernet  interfaces at the master side  (quite a few virtual 

interfaces are possible with a gigabit Ethernet  link) or the mixture of A/V with EtherCAT  in a single 

infrastructure. Sharing existing communication wiring, but upgrading an existing system with EtherCAT 

could be a reason to use TSN. It would be a good opportunity to enhance the flexibility of automation 

systems  and  serve  as  a  step  to  boost  real‐time  performance  at  the  automation  cell  level while 

maintaining total control of the various automation tasks. 

In conclusion, EtherCAT allows perfect integration with TSN technology without changing the basis 

of EtherCAT technology.