1. 概述
很多工業(yè)應(yīng)用要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用線形拓?fù)渎?lián)網(wǎng)。使用線形拓?fù)?，要求終端設(shè)備具有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，實(shí)施串行連接的方式，從上一個(gè)設(shè)備連到下一個(gè)設(shè)備。這種連接的問(wèn)題是：一旦一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備或者連接失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的失效。如果在終端設(shè)備上使用設(shè)備環(huán)協(xié)議, 配置成環(huán)形拓?fù)洌@時(shí)單點(diǎn)失效就不會(huì)阻礙其他設(shè)備的通信了。
本文描述的設(shè)備環(huán)（DLR）協(xié)議在環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上提供了高可用性。DLR協(xié)議最初打算用在EtherNet/IP的終端設(shè)備中，設(shè)備具有兩個(gè)以太網(wǎng)口，嵌入了交換機(jī)的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)具有快速的故障檢出和重新配置功能，可以滿足大多數(shù)控制應(yīng)用的要求。比如：一個(gè)50節(jié)點(diǎn)的環(huán)網(wǎng)使用DLR協(xié)議，在最差的情況下，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時(shí)間小于3ms。
因?yàn)镈LR協(xié)議運(yùn)行在第2層（在ISO的OSI 網(wǎng)絡(luò)模型中），環(huán)形拓?fù)浜虳LR協(xié)議的運(yùn)行，對(duì)于高層協(xié)議是透明的，諸如TCP/IP和CIP，除了通過(guò)CIP提供了一個(gè)DLR對(duì)象，這個(gè)對(duì)象包括了DLR配置和診斷接口。
DLR網(wǎng)絡(luò)至少要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）、一個(gè)環(huán)監(jiān)督器和任何數(shù)量的常規(guī)環(huán)節(jié)點(diǎn)。這里假設(shè)所有環(huán)節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)以太網(wǎng)口，使用了嵌入式技術(shù)的交換機(jī)。非DLR的多口設(shè)備－ 交換機(jī)或者節(jié)點(diǎn)設(shè)備－可以接入環(huán)中，但要服從一定的規(guī)則。非DLR 設(shè)備的接入會(huì)影響環(huán)網(wǎng)的恢復(fù)時(shí)間。
2. 支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
DLR拓?fù)涫褂煤?jiǎn)單的單環(huán)結(jié)構(gòu)；不支持多環(huán)或者重疊環(huán)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)允許多于一個(gè)DLR環(huán)，只要求多個(gè)環(huán)之間是隔離的。這樣，在一個(gè)環(huán)中的DLR協(xié)議幀不會(huì)在另一個(gè)環(huán)上出現(xiàn)。DLR協(xié)議可以與其他協(xié)議共存，且不會(huì)相互干擾。標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，諸如IEEE的生成樹協(xié)議（STP，RSTP，MSTP）、專有的冗余協(xié)議，可以和DLR一起運(yùn)行。也就是說(shuō)，用戶可以用交換機(jī)構(gòu)建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，使用DLR協(xié)議，同時(shí)還可以運(yùn)行生成樹協(xié)議或其他環(huán)協(xié)議，見圖1。
圖1：使用交換機(jī)的DLR
在圖1中，每個(gè)DLR都是隔離的DLR網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)環(huán)都有一個(gè)環(huán)監(jiān)督器（DLR Supervisor）。圖示中的監(jiān)督器有一個(gè)端口為封閉模式，用短紅線表示，這是在環(huán)沒(méi)有故障的情況下。
連接DLR的交換機(jī)可以運(yùn)行STP/RSTP/MSTP， 當(dāng)冗余路徑存在時(shí)（圖1中用綠線表示），生成樹協(xié)議可以防止環(huán)路產(chǎn)生。交換機(jī)在DLR環(huán)端口發(fā)送的生成樹協(xié)議報(bào)文會(huì)由DLR環(huán)監(jiān)督器（參考IEEE STP/RSTP/MSTP協(xié)議）阻斷，交換機(jī)不會(huì)阻斷DLR信息。
連接了DLR設(shè)備的交換機(jī)端口必須進(jìn)行配置，以確保能夠完成相應(yīng)的功能。較復(fù)雜的拓?fù)淇赡苁墙Y(jié)合DLR環(huán)和非DLR交換機(jī)時(shí)運(yùn)行STP/RSTP/MSTP，可能在DLR端口產(chǎn)生被阻止的情況。參考DLR規(guī)范了解詳情。
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3. 正常運(yùn)行
圖2表示了一個(gè)DLR網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的情況。就像圖中顯示的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)以太網(wǎng)口，并假設(shè)內(nèi)嵌了交換機(jī)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收到一個(gè)以太網(wǎng)口包時(shí)，它要決定是接收這個(gè)包（比如，包有節(jié)點(diǎn)的MAC地址），還是要從另一個(gè)以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)包。
圖 2: 正常運(yùn)行
有效的環(huán)監(jiān)督器阻斷另一個(gè)端口的通信，除了一些特殊幀，它不轉(zhuǎn)發(fā)從一個(gè)口到另一個(gè)口的數(shù)據(jù)。使用這樣的機(jī)制，可以避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的形成。在正常工作期間，任何兩個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)之間只有一條路徑存在。
在每個(gè)信標(biāo)間隔（缺省值為400微秒），有效環(huán)監(jiān)督器通過(guò)它的兩個(gè)以太網(wǎng)口發(fā)送一次信標(biāo)幀。有效環(huán)監(jiān)督器每秒還發(fā)送一次通告幀。發(fā)送信標(biāo)和通告幀可以達(dá)到以下的目的：
1. 信標(biāo)和通告幀可以通知環(huán)節(jié)點(diǎn)從線形拓?fù)涞江h(huán)形拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換。
2. 監(jiān)督器的信標(biāo)幀丟失可以檢測(cè)到某種類型的故障。（注：通用環(huán)節(jié)點(diǎn)也能檢查環(huán)和通知環(huán)故障）。
3. 信標(biāo)幀攜帶一個(gè)優(yōu)先值，當(dāng)配置了多個(gè)環(huán)監(jiān)督器時(shí)，通過(guò)這個(gè)值選擇一個(gè)有效監(jiān)督器。
圖3表示由有效環(huán)監(jiān)督器發(fā)送信標(biāo)和通告幀：
圖3: 信標(biāo)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(jié)點(diǎn)查出。
? 一個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)的電源失效或者電源波動(dòng)，由相鄰節(jié)點(diǎn)查出，認(rèn)為是連接失效。
? 介質(zhì)被用戶有意斷開，比如增加新節(jié)點(diǎn)或者刪減已有節(jié)點(diǎn)。
在上述情況下，故障相鄰節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)link_Status信息到有效環(huán)監(jiān)督器。圖4 表示了故障相鄰的環(huán)節(jié)點(diǎn)各自發(fā)送一個(gè)link_Status信息到有效環(huán)監(jiān)督器。
圖4:鏈接失效
接收了link_Status信息之后，有效環(huán)監(jiān)督器重新配置網(wǎng)絡(luò)，釋放以前被封閉的端口，更新它的單播MAC表。監(jiān)督器立即發(fā)送帶有環(huán)狀態(tài)值的信標(biāo)和通告幀，指出環(huán)現(xiàn)在出現(xiàn)故障。
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根據(jù)一個(gè)方向上信標(biāo)檢測(cè)的丟失信息、或根據(jù)帶有環(huán)狀態(tài)值的信標(biāo)和通告幀，環(huán)節(jié)點(diǎn)也要更新它們的單播MAC表。在監(jiān)督器和環(huán)節(jié)點(diǎn)同時(shí)都更新了單播 MAC表以后，網(wǎng)絡(luò)完成了重新配置，通信才能繼續(xù)進(jìn)行。
圖5表示了在連接失效后網(wǎng)絡(luò)的配置，通信信息經(jīng)過(guò)了有效環(huán)監(jiān)督器的兩個(gè)口。
圖5: 在鏈接失效后網(wǎng)絡(luò)重新配置
4.2 非公共失效
除了大多數(shù)的公共連接失效外，還有一類非公共失效：
? 在一個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)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(huán)協(xié)議未知節(jié)點(diǎn)與協(xié)議識(shí)別節(jié)點(diǎn)連接成鏈，這個(gè)鏈的中間某處出現(xiàn)失效。
在這些情況下，有效環(huán)監(jiān)督器會(huì)先在一個(gè)口檢查信標(biāo)幀的丟失，然后在兩個(gè)口都檢查到。這時(shí)有效環(huán)監(jiān)督器會(huì)重新配置網(wǎng)絡(luò)，和公共失效的情況一樣。另外，有效環(huán)監(jiān)督器會(huì)發(fā)送一個(gè)Locate_Fault幀診斷故障位置。
還有可能出現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)的一部分發(fā)生故障（如這部分由同一個(gè)電源供電，這個(gè)電源出了故障），會(huì)導(dǎo)致通信僅在一個(gè)方向上丟失。有效環(huán)監(jiān)督器檢測(cè)到在一個(gè)口的信標(biāo)丟失，可以查出這種故障。當(dāng)有效環(huán)監(jiān)督器的封閉口檢測(cè)到部分故障時(shí)，會(huì)在DLR對(duì)象中設(shè)置狀態(tài)值。因?yàn)槭遣糠止收?，環(huán)從這個(gè)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段，這時(shí)還需要用戶的參與，排除故障。
某些特殊條件，諸如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接器連接不可靠，可能會(huì)使有效環(huán)監(jiān)督器不斷在故障/恢復(fù)周期中循環(huán)。如果一直這樣持續(xù)，會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的不穩(wěn)定，而且很難診斷的問(wèn)題所在。當(dāng)有效環(huán)監(jiān)督器快速檢測(cè)故障/恢復(fù)條件（在一個(gè)30秒周期發(fā)現(xiàn)5故障）時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障，會(huì)在DLR對(duì)象中設(shè)置一個(gè)狀態(tài)值，在一個(gè)端口阻止通信。用戶必須通過(guò)DLR對(duì)象，顯式地清除這個(gè)狀態(tài)值。
5．DLR設(shè)備的分類
DLR的設(shè)備分為下面幾類。執(zhí)行每類的詳細(xì)要求會(huì)在后續(xù)章節(jié)定義。
環(huán)監(jiān)督器
這類設(shè)備執(zhí)行環(huán)監(jiān)督器的功能。必須完成要求的環(huán)監(jiān)督器行為，包括在缺省信標(biāo)間隔400微秒時(shí)，發(fā)送和處理信標(biāo)幀的能力。
支持信標(biāo)幀的環(huán)節(jié)點(diǎn)
這類設(shè)備能夠執(zhí)行DLR協(xié)議，但沒(méi)有環(huán)監(jiān)督器的功能。它們能夠處理和執(zhí)行環(huán)監(jiān)督器發(fā)送的信標(biāo)幀。支持信標(biāo)的環(huán)節(jié)點(diǎn)要支持以400微秒間隔接收信標(biāo)的速率。
支持通告幀的環(huán)節(jié)點(diǎn)
這類設(shè)備能夠執(zhí)行DLR協(xié)議，但沒(méi)有環(huán)監(jiān)督器的功能。因?yàn)檫@種環(huán)節(jié)點(diǎn)不處理信標(biāo)幀，所以只能轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀。這種節(jié)點(diǎn)可以處理通告幀。
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6. 實(shí)施要求
6.1 嵌入式交換機(jī)的要求和建議
下面是對(duì)使用嵌入式技術(shù)交換機(jī)（無(wú)論使用哪種商用芯片，F(xiàn)PGA，ASIC，等）的通用要求和建議：
? IEEE 802.3操作：
? 自動(dòng)協(xié)商，10/100Mbps，全/半雙工（要求）；
? 速度/雙工的強(qiáng)迫設(shè)置（要求）；
? 推薦：在環(huán)口關(guān)閉流控制。
? 自動(dòng)MDIX（介質(zhì)隨接口交叉），在自動(dòng)協(xié)商和強(qiáng)迫設(shè)置速度/雙工模式下。 注：這是物理層和轉(zhuǎn)換問(wèn)題，不是嵌入交換問(wèn)題（要求）。
? QoS：
? 2 個(gè)隊(duì)列（要求）；4個(gè)隊(duì)列（推薦）；
? 因?yàn)镈LR幀具有排列中的高優(yōu)先級(jí)，所以需要嚴(yán)格執(zhí)行優(yōu)先級(jí)排序功能（要求）；
? 使用 的優(yōu)先次序（要求），和DSCP－差分服務(wù)代碼點(diǎn) （高度推薦）。要與EtherNet/IP 的QoS 標(biāo)準(zhǔn)相一致。對(duì)于IP幀，嵌入交換機(jī)要使用DSCP值。對(duì)于非IP幀，使用在幀頭中的優(yōu)先級(jí)位。
? 限制主機(jī)CPU的廣播速率（推薦）。設(shè)備容忍的廣播閥值取決于主機(jī)CPU。一般的推薦為：當(dāng)廣播通信量超過(guò)帶寬的1%時(shí)，廣播流量限制應(yīng)該使能。
? 到主機(jī)CPU 的單播和多播過(guò)慮（推薦，實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備需要這個(gè)功能）。
6.2 DLR 實(shí)施要求
下面的要求應(yīng)用于DLR節(jié)點(diǎn)，無(wú)論是環(huán)監(jiān)督器還是環(huán)節(jié)點(diǎn)：
? 保持環(huán)協(xié)議幀中的 IEEE VLAN Id 和標(biāo)簽優(yōu)先級(jí)。
? 在環(huán)口禁止IP多播過(guò)慮或者在環(huán)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)更新多播過(guò)慮表。
? 為環(huán)口轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀和主機(jī)CPU執(zhí)行信標(biāo)幀配置多播地址。
? 為通告和Locate_Fault 幀轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)CPU和環(huán)口配置多播地址。
? 為Neighbor_Check_Request /Response和Sign_On僅轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)CPU配置多播地址。
? 執(zhí)行一種機(jī)制：標(biāo)記從環(huán)上收到這種幀的端口。
? 執(zhí)行一種機(jī)制：轉(zhuǎn)發(fā)從主機(jī)CPU到環(huán)的這種幀，僅通過(guò)該端口發(fā)出。
? 配置有效環(huán)監(jiān)督器的單播MAC地址，這樣監(jiān)督器可以在兩個(gè)口轉(zhuǎn)發(fā)幀。
? 在環(huán)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，更新單播MAC 地址表（或者禁止學(xué)習(xí)）。
? 配置自己的單播MAC地址，這樣在MAC地址表更新時(shí)，它不會(huì)被清除。
? 執(zhí)行以太網(wǎng)連接對(duì)象的接口計(jì)數(shù)器和介質(zhì)計(jì)數(shù)器屬性，幫助進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。
? 執(zhí)行QoS對(duì)象，至少要有由設(shè)備產(chǎn)生的EtherNet/IP通信DSCP記號(hào)。
? 推薦：配置訪問(wèn)控制列表或者其他適合的機(jī)制－在接收?qǐng)?bào)文時(shí)，除去來(lái)自網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自己的幀（比如，在環(huán)啟動(dòng)/恢復(fù)周期）。
7. 結(jié)論
DLR協(xié)議適合在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上使用。DLR網(wǎng)絡(luò)可以容錯(cuò)所有單點(diǎn)失效，在單環(huán)拓?fù)渲刑峁┝烁呖捎眯跃W(wǎng)絡(luò)。在50個(gè)節(jié)點(diǎn)的DLR網(wǎng)絡(luò)中，最差的情況下，網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間小于3ms。快速的故障恢復(fù)，使得DLR網(wǎng)絡(luò)可以在實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)中使用。
（羅克韋爾自動(dòng)化 華镕）
