1. 概述
很多工业应用要求现场设备采用线形拓扑联网。使用线形拓扑，要求终端设备具有两个以太网端口，实施串行连接的方式，从上一个设备连到下一个设备。这种连接的问题是：一旦一个节点设备或者连接失效，会导致整个网络的失效。如果在终端设备上使用设备环协议, 配置成环形拓扑，这时单点失效就不会阻碍其他设备的通信了。
本文描述的设备环（DLR）协议在环形拓扑网络上提供了高可用性。DLR协议最初打算用在EtherNet/IP的终端设备中，设备具有两个以太网口，嵌入了交换机的技术，网络具有快速的故障检出和重新配置功能，可以满足大多数控制应用的要求。比如：一个50节点的环网使用DLR协议，在最差的情况下，网络恢复的时间小于3ms。
因为DLR协议运行在第2层（在ISO的OSI 网络模型中），环形拓扑和DLR协议的运行，对于高层协议是透明的，诸如TCP/IP和CIP，除了通过CIP提供了一个DLR对象，这个对象包括了DLR配置和诊断接口。
DLR网络至少要有一个节点（设备）、一个环监督器和任何数量的常规环节点。这里假设所有环节点都有两个以太网口，使用了嵌入式技术的交换机。非DLR的多口设备－ 交换机或者节点设备－可以接入环中，但要服从一定的规则。非DLR 设备的接入会影响环网的恢复时间。
2. 支持的拓扑结构
DLR拓扑使用简单的单环结构；不支持多环或者重叠环。网络架构允许多于一个DLR环，只要求多个环之间是隔离的。这样，在一个环中的DLR协议帧不会在另一个环上出现。DLR协议可以与其他协议共存，且不会相互干扰。标准的网络协议，诸如IEEE的生成树协议（STP，RSTP，MSTP）、专有的冗余协议，可以和DLR一起运行。也就是说，用户可以用交换机构建环形网络，使用DLR协议，同时还可以运行生成树协议或其他环协议，见图1。
图1：使用交换机的DLR
在图1中，每个DLR都是隔离的DLR网络，每个环都有一个环监督器（DLR Supervisor）。图示中的监督器有一个端口为封闭模式，用短红线表示，这是在环没有故障的情况下。
连接DLR的交换机可以运行STP/RSTP/MSTP， 当冗余路径存在时（图1中用绿线表示），生成树协议可以防止环路产生。交换机在DLR环端口发送的生成树协议报文会由DLR环监督器（参考IEEE 802.1D/802.1Q STP/RSTP/MSTP协议）阻断，交换机不会阻断DLR信息。
连接了DLR设备的交换机端口必须进行配置，以确保能够完成相应的功能。较复杂的拓扑可能是结合DLR环和非DLR交换机时运行STP/RSTP/MSTP，可能在DLR端口产生被阻止的情况。参考DLR规范了解详情。
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3. 正常运行
图2表示了一个DLR网络正常运行的情况。就像图中显示的，每个节点有两个以太网口，并假设内嵌了交换机。当节点设备接收到一个以太网口包时，它要决定是接收这个包（比如，包有节点的MAC地址），还是要从另一个以太网口转发这个包。
图 2: 正常运行
有效的环监督器阻断另一个端口的通信，除了一些特殊帧，它不转发从一个口到另一个口的数据。使用这样的机制，可以避免网络环路的形成。在正常工作期间，任何两个环节点之间只有一条路径存在。
在每个信标间隔（缺省值为400微秒），有效环监督器通过它的两个以太网口发送一次信标帧。有效环监督器每秒还发送一次通告帧。发送信标和通告帧可以达到以下的目的：
1. 信标和通告帧可以通知环节点从线形拓扑到环形拓扑的转换。
2. 监督器的信标帧丢失可以检测到某种类型的故障。（注：通用环节点也能检查环和通知环故障）。
3. 信标帧携带一个优先值，当配置了多个环监督器时，通过这个值选择一个有效监督器。
图3表示由有效环监督器发送信标和通告帧：
图3: 信标和通告帧
4. 连接失效
4.1公共失效
最常见的公共链接失效形式包括下面的情形：
• 连接或者其他物理层失效由相邻节点查出。
• 一个环节点的电源失效或者电源波动，由相邻节点查出，认为是连接失效。
• 介质被用户有意断开，比如增加新节点或者删减已有节点。
在上述情况下，故障相邻节点会发送一个Link_Status信息到有效环监督器。图4 表示了故障相邻的环节点各自发送一个Link_Status信息到有效环监督器。
图4:链接失效
接收了Link_Status信息之后，有效环监督器重新配置网络，释放以前被封闭的端口，更新它的单播MAC表。监督器立即发送带有环状态值的信标和通告帧，指出环现在出现故障。
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根据一个方向上信标检测的丢失信息、或根据带有环状态值的信标和通告帧，环节点也要更新它们的单播MAC表。在监督器和环节点同时都更新了单播 MAC表以后，网络完成了重新配置，通信才能继续进行。
图5表示了在连接失效后网络的配置，通信信息经过了有效环监督器的两个口。
图5: 在链接失效后网络重新配置
4.2 非公共失效
除了大多数的公共连接失效外，还有一类非公共失效：
• 在一个环节点的高层硬件/固件故障引起通信丢失，但物理层功能正常，电源也正常。
• 环协议未知节点与协议识别节点连接成链，这个链的中间某处出现失效。
在这些情况下，有效环监督器会先在一个口检查信标帧的丢失，然后在两个口都检查到。这时有效环监督器会重新配置网络，和公共失效的情况一样。另外，有效环监督器会发送一个Locate_Fault帧诊断故障位置。
还有可能出现：网络的一部分发生故障（如这部分由同一个电源供电，这个电源出了故障），会导致通信仅在一个方向上丢失。有效环监督器检测到在一个口的信标丢失，可以查出这种故障。当有效环监督器的封闭口检测到部分故障时，会在DLR对象中设置状态值。因为是部分故障，环从这个点会进行网络分段，这时还需要用户的参与，排除故障。
某些特殊条件，诸如一个网络连接器连接不可靠，可能会使有效环监督器不断在故障/恢复周期中循环。如果一直这样持续，会引起网络状态的不稳定，而且很难诊断的问题所在。当有效环监督器快速检测故障/恢复条件（在一个30秒周期发现5故障）时没有发现故障，会在DLR对象中设置一个状态值，在一个端口阻止通信。用户必须通过DLR对象，显式地清除这个状态值。
5．DLR设备的分类
DLR的设备分为下面几类。执行每类的详细要求会在后续章节定义。
环监督器
这类设备执行环监督器的功能。必须完成要求的环监督器行为，包括在缺省信标间隔400微秒时，发送和处理信标帧的能力。
支持信标帧的环节点
这类设备能够执行DLR协议，但没有环监督器的功能。它们能够处理和执行环监督器发送的信标帧。支持信标的环节点要支持以400微秒间隔接收信标的速率。
支持通告帧的环节点
这类设备能够执行DLR协议，但没有环监督器的功能。因为这种环节点不处理信标帧，所以只能转发信标帧。这种节点可以处理通告帧。
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6. 实施要求
6.1 嵌入式交换机的要求和建议
下面是对使用嵌入式技术交换机（无论使用哪种商用芯片，FPGA，ASIC，等）的通用要求和建议：
• IEEE 802.3操作：
• 自动协商，10/100Mbps，全/半双工（要求）；
• 速度/双工的强迫设置（要求）；
• 推荐：在环口关闭流控制。
• 自动MDIX（介质随接口交叉），在自动协商和强迫设置速度/双工模式下。 注：这是物理层和转换问题，不是嵌入交换问题（要求）。
• QoS：
• 2 个队列（要求）；4个队列（推荐）；
• 因为DLR帧具有排列中的高优先级，所以需要严格执行优先级排序功能（要求）；
• 使用802.1Q/D 的优先次序（要求），和DSCP－差分服务代码点 （高度推荐）。要与EtherNet/IP 的QoS 标准相一致。对于IP帧，嵌入交换机要使用DSCP值。对于非IP帧，使用在802.1Q帧头中的优先级位。
• 限制主机CPU的广播速率（推荐）。设备容忍的广播阀值取决于主机CPU。一般的推荐为：当广播通信量超过带宽的1%时，广播流量限制应该使能。
• 到主机CPU 的单播和多播过虑（推荐，实践证明大多数设备需要这个功能）。
6.2 DLR 实施要求
下面的要求应用于DLR节点，无论是环监督器还是环节点：
• 保持环协议帧中的 IEEE 802.1Q VLAN Id 和标签优先级。
• 在环口禁止IP多播过虑或者在环状态转换时更新多播过虑表。
• 为环口转发信标帧和主机CPU执行信标帧配置多播地址。
• 为通告和Locate_Fault 帧转发到主机CPU和环口配置多播地址。
• 为Neighbor_Check_Request /Response和Sign_On仅转发给主机CPU配置多播地址。
• 执行一种机制：标记从环上收到这种帧的端口。
• 执行一种机制：转发从主机CPU到环的这种帧，仅通过该端口发出。
• 配置有效环监督器的单播MAC地址，这样监督器可以在两个口转发帧。
• 在环状态转换时，更新单播MAC 地址表（或者禁止学习）。
• 配置自己的单播MAC地址，这样在MAC地址表更新时，它不会被清除。
• 执行以太网连接对象的接口计数器和介质计数器属性，帮助进行网络监视。
• 执行QoS对象，至少要有由设备产生的EtherNet/IP通信DSCP记号。
• 推荐：配置访问控制列表或者其他适合的机制－在接收报文时，除去来自网络设备自己的帧（比如，在环启动/恢复周期）。
7. 结论
DLR协议适合在EtherNet/IP网络上使用。DLR网络可以容错所有单点失效，在单环拓扑中提供了高可用性网络。在50个节点的DLR网络中，最差的情况下，网络的恢复时间小于3ms。快速的故障恢复，使得DLR网络可以在实时的控制系统中使用。
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