1. 概述

        很多工業應用要求現場設備采用線形拓撲聯網。使用線形拓撲，要求終端設備具有兩個以太網端口，實施串行連接的方式，從上一個設備連到下一個設備。這種連接的問題是：一旦一個節點設備或者連接失效，會導致整個網絡的失效。如果在終端設備上使用設備環協議, 配置成環形拓撲，這時單點失效就不會阻礙其他設備的通信了。

        本文描述的設備環（DLR）協議在環形拓撲網絡上提供了高可用性。DLR協議最初打算用在EtherNet/IP的終端設備中，設備具有兩個以太網口，嵌入了交換機的技術，網絡具有快速的故障檢出和重新配置功能，可以滿足大多數控制應用的要求。比如：一個50節點的環網使用DLR協議，在最差的情況下，網絡恢復的時間小于3ms。

        因為DLR協議運行在第2層（在ISO的OSI 網絡模型中），環形拓撲和DLR協議的運行，對于高層協議是透明的，諸如TCP/IP和CIP，除了通過CIP提供了一個DLR對象，這個對象包括了DLR配置和診斷接口。

        DLR網絡至少要有一個節點（設備）、一個環監督器和任何數量的常規環節點。這里假設所有環節點都有兩個以太網口，使用了嵌入式技術的交換機。非DLR的多口設備－ 交換機或者節點設備－可以接入環中，但要服從一定的規則。非DLR 設備的接入會影響環網的恢復時間。

2. 支持的拓撲結構

        DLR拓撲使用簡單的單環結構；不支持多環或者重疊環。網絡架構允許多于一個DLR環，只要求多個環之間是隔離的。這樣，在一個環中的DLR協議幀不會在另一個環上出現。DLR協議可以與其他協議共存，且不會相互干擾。標準的網絡協議，諸如IEEE的生成樹協議（STP，RSTP，MSTP）、專有的冗余協議，可以和DLR一起運行。也就是說，用戶可以用交換機構建環形網絡，使用DLR協議，同時還可以運行生成樹協議或其他環協議，見圖1。

圖1：使用交換機的DLR

        在圖1中，每個DLR都是隔離的DLR網絡，每個環都有一個環監督器（DLR Supervisor）。圖示中的監督器有一個端口為封閉模式，用短紅線表示，這是在環沒有故障的情況下。

        連接DLR的交換機可以運行STP/RSTP/MSTP， 當冗余路徑存在時（圖1中用綠線表示），生成樹協議可以防止環路產生。交換機在DLR環端口發送的生成樹協議報文會由DLR環監督器（參考IEEE  STP/RSTP/MSTP協議）阻斷，交換機不會阻斷DLR信息。

        連接了DLR設備的交換機端口必須進行配置，以確保能夠完成相應的功能。較復雜的拓撲可能是結合DLR環和非DLR交換機時運行STP/RSTP/MSTP，可能在DLR端口產生被阻止的情況。參考DLR規范了解詳情。

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3. 正常運行

        圖2表示了一個DLR網絡正常運行的情況。就像圖中顯示的，每個節點有兩個以太網口，并假設內嵌了交換機。當節點設備接收到一個以太網口包時，它要決定是接收這個包（比如，包有節點的MAC地址），還是要從另一個以太網口轉發這個包。

圖 2: 正常運行

        有效的環監督器阻斷另一個端口的通信，除了一些特殊幀，它不轉發從一個口到另一個口的數據。使用這樣的機制，可以避免網絡環路的形成。在正常工作期間，任何兩個環節點之間只有一條路徑存在。

        在每個信標間隔（缺省值為400微秒），有效環監督器通過它的兩個以太網口發送一次信標幀。有效環監督器每秒還發送一次通告幀。發送信標和通告幀可以達到以下的目的：

        1. 信標和通告幀可以通知環節點從線形拓撲到環形拓撲的轉換。
        2. 監督器的信標幀丟失可以檢測到某種類型的故障。（注：通用環節點也能檢查環和通知環故障）。
        3. 信標幀攜帶一個優先值，當配置了多個環監督器時，通過這個值選擇一個有效監督器。

        圖3表示由有效環監督器發送信標和通告幀：

圖3: 信標和通告幀

4. 連接失效

        4.1公共失效

        最常見的公共鏈接失效形式包括下面的情形：

        ? 連接或者其他物理層失效由相鄰節點查出。
        ? 一個環節點的電源失效或者電源波動，由相鄰節點查出，認為是連接失效。
        ? 介質被用戶有意斷開，比如增加新節點或者刪減已有節點。

        在上述情況下，故障相鄰節點會發送一個link_Status信息到有效環監督器。圖4 表示了故障相鄰的環節點各自發送一個link_Status信息到有效環監督器。

圖4:鏈接失效 

        接收了link_Status信息之后，有效環監督器重新配置網絡，釋放以前被封閉的端口，更新它的單播MAC表。監督器立即發送帶有環狀態值的信標和通告幀，指出環現在出現故障。

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    根據一個方向上信標檢測的丟失信息、或根據帶有環狀態值的信標和通告幀，環節點也要更新它們的單播MAC表。在監督器和環節點同時都更新了單播 MAC表以后，網絡完成了重新配置，通信才能繼續進行。

        圖5表示了在連接失效后網絡的配置，通信信息經過了有效環監督器的兩個口。

圖5: 在鏈接失效后網絡重新配置

        4.2 非公共失效

        除了大多數的公共連接失效外，還有一類非公共失效：

        ? 在一個環節點的高層硬件/固件故障引起通信丟失，但物理層功能正常，電源也正常。
        ? 環協議未知節點與協議識別節點連接成鏈，這個鏈的中間某處出現失效。

        在這些情況下，有效環監督器會先在一個口檢查信標幀的丟失，然后在兩個口都檢查到。這時有效環監督器會重新配置網絡，和公共失效的情況一樣。另外，有效環監督器會發送一個Locate_Fault幀診斷故障位置。

        還有可能出現：網絡的一部分發生故障（如這部分由同一個電源供電，這個電源出了故障），會導致通信僅在一個方向上丟失。有效環監督器檢測到在一個口的信標丟失，可以查出這種故障。當有效環監督器的封閉口檢測到部分故障時，會在DLR對象中設置狀態值。因為是部分故障，環從這個點會進行網絡分段，這時還需要用戶的參與，排除故障。

        某些特殊條件，諸如一個網絡連接器連接不可靠，可能會使有效環監督器不斷在故障/恢復周期中循環。如果一直這樣持續，會引起網絡狀態的不穩定，而且很難診斷的問題所在。當有效環監督器快速檢測故障/恢復條件（在一個30秒周期發現5故障）時沒有發現故障，會在DLR對象中設置一個狀態值，在一個端口阻止通信。用戶必須通過DLR對象，顯式地清除這個狀態值。

5．DLR設備的分類

        DLR的設備分為下面幾類。執行每類的詳細要求會在后續章節定義。

        環監督器
        這類設備執行環監督器的功能。必須完成要求的環監督器行為，包括在缺省信標間隔400微秒時，發送和處理信標幀的能力。 

        支持信標幀的環節點
        這類設備能夠執行DLR協議，但沒有環監督器的功能。它們能夠處理和執行環監督器發送的信標幀。支持信標的環節點要支持以400微秒間隔接收信標的速率。

        支持通告幀的環節點
        這類設備能夠執行DLR協議，但沒有環監督器的功能。因為這種環節點不處理信標幀，所以只能轉發信標幀。這種節點可以處理通告幀。

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6. 實施要求

        6.1 嵌入式交換機的要求和建議

        下面是對使用嵌入式技術交換機（無論使用哪種商用芯片，FPGA，ASIC，等）的通用要求和建議：

        ? IEEE 802.3操作：
        ? 自動協商，10/100Mbps，全/半雙工（要求）；
        ? 速度/雙工的強迫設置（要求）；
        ? 推薦：在環口關閉流控制。

        ? 自動MDIX（介質隨接口交叉），在自動協商和強迫設置速度/雙工模式下。 注：這是物理層和轉換問題，不是嵌入交換問題（要求）。

        ? QoS：
        ? 2 個隊列（要求）；4個隊列（推薦）；
        ? 因為DLR幀具有排列中的高優先級，所以需要嚴格執行優先級排序功能（要求）；
        ? 使用 的優先次序（要求），和DSCP－差分服務代碼點 （高度推薦）。要與EtherNet/IP 的QoS 標準相一致。對于IP幀，嵌入交換機要使用DSCP值。對于非IP幀，使用在幀頭中的優先級位。

        ? 限制主機CPU的廣播速率（推薦）。設備容忍的廣播閥值取決于主機CPU。一般的推薦為：當廣播通信量超過帶寬的1%時，廣播流量限制應該使能。

        ? 到主機CPU 的單播和多播過慮（推薦，實踐證明大多數設備需要這個功能）。

        6.2 DLR 實施要求

        下面的要求應用于DLR節點，無論是環監督器還是環節點：

        ? 保持環協議幀中的 IEEE  VLAN Id 和標簽優先級。
        ? 在環口禁止IP多播過慮或者在環狀態轉換時更新多播過慮表。
        ? 為環口轉發信標幀和主機CPU執行信標幀配置多播地址。 
        ? 為通告和Locate_Fault 幀轉發到主機CPU和環口配置多播地址。
        ? 為Neighbor_Check_Request /Response和Sign_On僅轉發給主機CPU配置多播地址。
        ? 執行一種機制：標記從環上收到這種幀的端口。
        ? 執行一種機制：轉發從主機CPU到環的這種幀，僅通過該端口發出。
        ? 配置有效環監督器的單播MAC地址，這樣監督器可以在兩個口轉發幀。 
        ? 在環狀態轉換時，更新單播MAC 地址表（或者禁止學習）。
        ? 配置自己的單播MAC地址，這樣在MAC地址表更新時，它不會被清除。
        ? 執行以太網連接對象的接口計數器和介質計數器屬性，幫助進行網絡監視。
        ? 執行QoS對象，至少要有由設備產生的EtherNet/IP通信DSCP記號。
        ? 推薦：配置訪問控制列表或者其他適合的機制－在接收報文時，除去來自網絡設備自己的幀（比如，在環啟動/恢復周期）。

7. 結論

        DLR協議適合在EtherNet/IP網絡上使用。DLR網絡可以容錯所有單點失效，在單環拓撲中提供了高可用性網絡。在50個節點的DLR網絡中，最差的情況下，網絡的恢復時間小于3ms。快速的故障恢復，使得DLR網絡可以在實時的控制系統中使用。

（羅克韋爾自動化 華镕）