工业以太网交换技术原理

工业以太网交换技术解决了现场总线网络的性能局限，为未来更丰富更强大的自动化应用打下坚实的基础。

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　　1、引言

　　工业以太网交换技术解决了现场总线网络的性能局限，每个以太网设备都能够独享高带宽，从而缓解了带宽不足和网络瓶颈的问题,为未来更丰富更强大的自动化应用打下坚实的基础。本文主要探讨交换技术的基本原理。

　　2、交换机制

　　交换是按照通信两端传输信息的需要，用设备自动完成的方法，把需要传输的信息送到符合要求的对象上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。

　　在网络系统中，交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。HUB集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当一局域网内的A设备给B设备传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播的方式传输的，由每一台设备通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。

　　交换机根据数据帧的MAC（Media Access Control）地址进行数据帧的转发操作。交换机转发数据帧时，遵循以下规则：

　　如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机（除源端口外）所有端口转发；

如果数据帧的目的MAC地址是单播地址，但是这个地址并不在交换机的地址表内，那么也会向交换机（除源端口外）所有端口转发；

如果数据帧的目的MAC地址在交换机的地址表内，那么根据地址表转发到相应的端口；
如果数据帧的目的MAC地址与数据帧的源地址在同一个端口上，它就会丢弃这个数据帧，交换也不会发生。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有端口都挂接在这条背部总线上，通过交换机地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。

交换机的交换地址表中，一条表项主要由一个MAC地址和该地址所位于的交换机端口号组成。整张地址表的生成采用动态自学习的方法，既当交换机收到一个数据帧以后，将数据帧的源地址和输入端口记录在交换地址表中。每一条地址表项都有一个时间标记，用来指示该表项存储的时间周期。如果在一定时间范围内地址表项仍然没有被引用，它就会从地址表中被移走。因此，交换地址表中所维护的一直是最有效和最精确的地址-端口信息。

交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。

3、交换方式

目前主要有以下三种交换技术：

1、端口交换（Port switch）

端口交换最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段，不用网桥或路由器连接时，是不能互相通信的。模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换可细分为：

模块交换：将整个模块进行网段迁移。

端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。

端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点，但没有改变共享传输介质的特点，故而未能称之为真正的交换。
　　2、帧交换（Frame switch）
　　帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行的传送机制，以减小冲突域，获得高带宽。一般有三种处理方式：
　　直通交换方式（Cut-through）

采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于它只检查数据包的包头（通常只检查14个字节），不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点。所谓延迟（Latency）是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间。

它的缺点主要有三个方面：一是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；第二，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，而且容易丢包。如果要连到高速网络上，如提供快速以太网（100BASE－T）、FDDI或ATM