工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)原理

【摘要】工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)解決了現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能局限，為未來(lái)更豐富更強大的自動(dòng)化應用打下堅實(shí)的基礎。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù) 工業(yè)以太網(wǎng)交換機 工業(yè)以太網(wǎng)

　　1、引言

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)解決了現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能局限，每個(gè)以太網(wǎng)設備都能夠獨享高帶寬，從而緩解了帶寬不足和網(wǎng)絡(luò )瓶頸的問(wèn)題,為未來(lái)更豐富更強大的自動(dòng)化應用打下堅實(shí)的基礎。本文主要探討交換技術(shù)的基本原理。

　　2、交換機制

　　交換是按照通信兩端傳輸信息的需要，用設備自動(dòng)完成的方法，把需要傳輸的信息送到符合要求的對象上的技術(shù)統稱(chēng)。廣義的交換機就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。

　　在網(wǎng)絡(luò )系統中，交換概念的提出是對于共享工作模式的改進(jìn)。HUB集線(xiàn)器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址，當一局域網(wǎng)內的A設備給B設備傳輸數據時(shí)，數據包在以HUB為架構的網(wǎng)絡(luò )上是以廣播的方式傳輸的，由每一臺設備通過(guò)驗證數據包頭的地址信息來(lái)確定是否接收。也就是說(shuō)，在這種工作方式下，同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò )上只能傳輸一組數據幀的通訊，如果發(fā)生碰撞還得重試。這種方式就是共享網(wǎng)絡(luò )帶寬。

　　交換機根據數據幀的MAC（Media Access Control）地址進(jìn)行數據幀的轉發(fā)操作。交換機轉發(fā)數據幀時(shí)，遵循以下規則：

　　如果數據幀的目的MAC地址是廣播地址或者組播地址，則向交換機（除源端口外）所有端口轉發(fā)；

　　如果數據幀的目的MAC地址是單播地址，但是這個(gè)地址并不在交換機的地址表內，那么也會(huì )向交換機（除源端口外）所有端口轉發(fā)；

　　如果數據幀的目的MAC地址在交換機的地址表內，那么根據地址表轉發(fā)到相應的端口；
如果數據幀的目的MAC地址與數據幀的源地址在同一個(gè)端口上，它就會(huì )丟棄這個(gè)數據幀，交換也不會(huì )發(fā)生。

　　交換機擁有一條很高帶寬的背部總線(xiàn)和內部交換矩陣。交換機的所有端口都掛接在這條背部總線(xiàn)上，通過(guò)交換機地址表，交換機只允許必要的網(wǎng)絡(luò )流量通過(guò)交換機。通過(guò)交換機的過(guò)濾和轉發(fā)，可以有效的隔離廣播風(fēng)暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享沖突。

　　交換機的交換地址表中，一條表項主要由一個(gè)MAC地址和該地址所位于的交換機端口號組成。整張地址表的生成采用動(dòng)態(tài)自學(xué)習的方法，既當交換機收到一個(gè)數據幀以后，將數據幀的源地址和輸入端口記錄在交換地址表中。每一條地址表項都有一個(gè)時(shí)間標記，用來(lái)指示該表項存儲的時(shí)間周期。如果在一定時(shí)間范圍內地址表項仍然沒(méi)有被引用，它就會(huì )從地址表中被移走。因此，交換地址表中所維護的一直是最有效和最精確的地址-端口信息。

　　交換機在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡(luò )設備獨自享有全部的帶寬，無(wú)須同其他設備競爭使用。

　　3、交換方式

　　目前主要有以下三種交換技術(shù)：

　　1、端口交換（Port switch）

　　端口交換最早出現在插槽式的集線(xiàn)器中，這類(lèi)集線(xiàn)器的背板通常劃分有多條以太網(wǎng)段，不用網(wǎng)橋或路由器連接時(shí)，是不能互相通信的。模塊插入后通常被分配到某個(gè)背板的網(wǎng)段上，端口交換用于將模塊的端口在背板的多個(gè)網(wǎng)段之間進(jìn)行分配、平衡。根據支持的程度，端口交換可細分為：

　　模塊交換：將整個(gè)模塊進(jìn)行網(wǎng)段遷移。

　　端口組交換：通常模塊上的端口被劃分為若干組，每組端口允許進(jìn)行網(wǎng)段遷移。

　　端口級交換：支持每個(gè)端口在不同網(wǎng)段之間進(jìn)行遷移。這種交換技術(shù)是基于OSI第一層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，故而未能稱(chēng)之為真正的交換。
　　2、幀交換（Frame switch）
　　幀交換是目前應用最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過(guò)對傳統傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并行的傳送機制，以減小沖突域，獲得高帶寬。一般有三種處理方式：
　　直通交換方式（Cut-through）

　　采用直通交換方式的以太網(wǎng)交換機可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線(xiàn)路矩陣電話(huà)交換機。它在輸入端口檢測到一個(gè)數據包時(shí)，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動(dòng)內部的動(dòng)態(tài)查找表轉換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數據包直通到相應的端口，實(shí)現交換功能。由于它只檢查數據包的包頭（通常只檢查14個(gè)字節），不需要存儲，所以切入方式具有延遲小，交換速度快的優(yōu)點(diǎn)。所謂延遲（Latency）是指數據包進(jìn)入一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備到離開(kāi)該設備所花的時(shí)間。

　　它的缺點(diǎn)主要有三個(gè)方面：一是因為數據包內容并沒(méi)有被以太網(wǎng)交換機保存下來(lái)，所以無(wú)法檢查所傳送的數據包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力；第二，由于沒(méi)有緩存，不能將具有不同速率的輸入／輸出端口直接接通，而且容易丟包。如果要連到高速網(wǎng)絡(luò )上，如提供快速以太網(wǎng)（100BASE－T）、FDDI或ATM連接，就不能簡(jiǎn)單地將輸入／輸出端口“接通”，因為輸入／輸出端口間有速度上的差異，必須提供緩存；第三，當以太網(wǎng)交換機的端口增加時(shí)，交換矩陣變得越來(lái)越復雜，實(shí)現起來(lái)就越困難。
碎片隔離式（Fragment Free）

　　這是介于直通式和存儲轉發(fā)式之間的一種解決方案。它在轉發(fā)前先檢查數據包的長(cháng)度是否夠64個(gè)字節（512 bit），如果小于64字節，說(shuō)明是假包（或稱(chēng)殘幀），則丟棄該包；如果大于64字節，則發(fā)送該包。該方式的數據處理速度比存儲轉發(fā)方式快，但比直通式慢，但由于能夠避免殘幀的轉發(fā)，所以被廣泛應用于低檔交換機中。

　　使用這類(lèi)交換技術(shù)的交換機一般是使用了一種特殊的緩存。這種緩存是一種先進(jìn)先出的FIFO（First In First Out），比特從一端進(jìn)入然后再以同樣的順序從另一端出來(lái)。當幀被接收時(shí)，它被保存在FIFO中。如果幀以小于512比特的長(cháng)度結束，那么FIFO中的內容（殘幀）就會(huì )被丟棄。因此，不存在普通直通轉發(fā)交換機存在的殘幀轉發(fā)問(wèn)題，是一個(gè)非常好的解決方案。數據包在轉發(fā)之前將被緩存保存下來(lái)，從而確保碰撞碎片不通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳播，能夠在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò )傳輸效率。
　　存儲轉發(fā)方式（Store-and-Forward）
　　存儲轉發(fā)（Store and Forward）是網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域使用得最為廣泛的技術(shù)之一，以太網(wǎng)交換機的控制器先將輸入端口到來(lái)的數據包緩存起來(lái)，先檢查數據包是否正確，并過(guò)濾掉沖突包錯誤。確定包正確后，取出目的地址，通過(guò)查找表找到想要發(fā)送的輸出端口地址，然后將該包發(fā)送出去。正因如此，存儲轉發(fā)方式在數據處理時(shí)延時(shí)大，這是它的不足，但是它可以對進(jìn)入交換機的數據包進(jìn)行錯誤檢測，并且能支持不同速度的輸入／輸出端口間的交換，可有效地改善網(wǎng)絡(luò )性能。它的另一優(yōu)點(diǎn)就是這種交換方式支持不同速度端口間的轉換，保持高速端口和低速端口間協(xié)同工作。實(shí)現的辦法是將10Mbps低速包存儲起來(lái)，再通過(guò)100Mbps速率轉發(fā)到端口上?！?/p>

　　3、信元交換（ATM switch
　　ATM采用固定長(cháng)度53字節的信元交換。由于長(cháng)度固定，因而便于用硬件實(shí)現。ATM采用專(zhuān)用的非差別連接，并行運行，通過(guò)一個(gè)交換機同時(shí)建立多個(gè)節點(diǎn)，但并不會(huì )影響每個(gè)節點(diǎn)之間的通信能力。ATM還容許在源節點(diǎn)和目標節點(diǎn)建立多個(gè)虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統計時(shí)分電路進(jìn)行復用，因而能大大提高通道的利用率。ATM技術(shù)，在電信骨干級線(xiàn)路被廣泛采用。
　
　4、結束語(yǔ)
　　由上可見(jiàn)，采用幀交換技術(shù)存儲轉發(fā)方式的交換機，最符合工業(yè)自動(dòng)化準確性、經(jīng)濟性、實(shí)時(shí)性的要求。在工業(yè)自動(dòng)化通信領(lǐng)域中，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)，將是未來(lái)的主流。