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(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的性能局限，為未來更豐富更強(qiáng)大的自動化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【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(jī) 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(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的性能局限，每個以太網(wǎng)設(shè)備都能夠獨(dú)享高帶寬，從而緩解了帶寬不足和網(wǎng)絡(luò)瓶頸的問題,為未來更豐富更強(qiáng)大的自動化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文主要探討交換技術(shù)的基本原理。

　　2、交換機(jī)制

　　交換是按照通信兩端傳輸信息的需要，用設(shè)備自動完成的方法，把需要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮膶ο笊系募夹g(shù)統(tǒng)稱。廣義的交換機(jī)就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。

　　在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換概念的提出是對于共享工作模式的改進(jìn)。HUB集線器就是一種共享設(shè)備，HUB本身不能識別目的地址，當(dāng)一局域網(wǎng)內(nèi)的A設(shè)備給B設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播的方式傳輸?shù)模擅恳慌_設(shè)備通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網(wǎng)絡(luò)上只能傳輸一組數(shù)據(jù)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(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的MAC（Media Access Control）地址進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)操作。交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時，遵循以下規(guī)則：

　　如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是廣播地址或者組播地址，則向交換機(jī)（除源端口外）所有端口轉(zhuǎn)發(fā)；

　　如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是單播地址，但是這個地址并不在交換機(jī)的地址表內(nèi)，那么也會向交換機(jī)（除源端口外）所有端口轉(zhuǎn)發(fā)；

　　如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址在交換機(jī)的地址表內(nèi)，那么根據(jù)地址表轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口；
如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址與數(shù)據(jù)幀的源地址在同一個端口上，它就會丟棄這個數(shù)據(jù)幀，交換也不會發(fā)生。

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

　　交換機(jī)的交換地址表中，一條表項(xiàng)主要由一個MAC地址和該地址所位于的交換機(jī)端口號組成。整張地址表的生成采用動態(tài)自學(xué)習(xí)的方法，既當(dāng)交換機(jī)收到一個數(shù)據(jù)幀以后，將數(shù)據(jù)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(xiàng)都有一個時間標(biāo)記，用來指示該表項(xiàng)存儲的時間周期。如果在一定時間范圍內(nèi)地址表項(xiàng)仍然沒有被引用，它就會從地址表中被移走。因此，交換地址表中所維護(hù)的一直是最有效和最精確的地址-端口信息。

　　交換機(jī)在同一時刻可進(jìn)行多個端口對之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨(dú)立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨(dú)自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)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(xiàn)在插槽式的集線器中，這類集線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，是不能互相通信的。模塊插入后通常被分配到某個背板的網(wǎng)段上，端口交換用于將模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之間進(jìn)行分配、平衡。根據(jù)支持的程度，端口交換可細(xì)分為：

　　模塊交換：將整個模塊進(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(fù)載平衡能力等優(yōu)點(diǎn)，但沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，故而未能稱之為真正的交換。
　　2、幀交換（Frame switch）
　　幀交換是目前應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并行的傳送機(jī)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(jī)可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機(jī)。它在輸入端口檢測到一個數(shù)據(jù)包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應(yīng)的端口，實(shí)現(xiàn)交換功能。由于它只檢查數(shù)據(jù)包的包頭（通常只檢查14個字節(jié)），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(shù)據(jù)包進(jìn)入一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到離開該設(shè)備所花的時間。

　　它的缺點(diǎn)主要有三個方面：一是因?yàn)閿?shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機(jī)保存下來，所以無法檢查所傳送的數(shù)據(jù)包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力；第二，由于沒有緩存，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，就不能簡單地將輸入／輸出端口“接通”，因?yàn)檩斎耄敵龆丝陂g有速度上的差異，必須提供緩存；第三，當(dāng)以太網(wǎng)交換機(jī)的端口增加時，交換矩陣變得越來越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來就越困難。
碎片隔離式（Fragment Free）

　　這是介于直通式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)式之間的一種解決方案。它在轉(zhuǎn)發(fā)前先檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠64個字節(jié)（512 bit），如果小于64字節(jié)，說明是假包（或稱殘幀），則丟棄該包；如果大于64字節(jié)，則發(fā)送該包。該方式的數(shù)據(jù)處理速度比存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢，但由于能夠避免殘幀的轉(zhuǎn)發(fā)，所以被廣泛應(yīng)用于低檔交換機(jī)中。

　　使用這類交換技術(shù)的交換機(jī)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。當(dāng)幀被接收時，它被保存在FIFO中。如果幀以小于512比特的長度結(jié)束，那么FIFO中的內(nèi)容（殘幀）就會被丟棄。因此，不存在普通直通轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)存在的殘幀轉(zhuǎn)發(fā)問題，是一個非常好的解決方案。數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)之前將被緩存保存下來，從而確保碰撞碎片不通過網(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(zhuǎn)發(fā)方式（Store-and-Forward）
　　存儲轉(zhuǎn)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(jī)的控制器先將輸入端口到來的數(shù)據(jù)包緩存起來，先檢查數(shù)據(jù)包是否正確，并過濾掉沖突包錯誤。確定包正確后，取出目的地址，通過查找表找到想要發(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(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換，保持高速端口和低速端口間協(xié)同工作。實(shí)現(xiàn)的辦法是將10Mbps低速包存儲起來，再通過100Mbps速率轉(zhuǎn)發(fā)到端口上?！?/p>

　　3、信元交換（ATM switch
　　ATM采用固定長度53字節(jié)的信元交換。由于長度固定，因而便于用硬件實(shí)現(xiàn)。ATM采用專用的非差別連接，并行運(yùn)行，通過一個交換機(jī)同時建立多個節(jié)點(diǎn)，但并不會影響每個節(jié)點(diǎn)之間的通信能力。ATM還容許在源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)建立多個虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統(tǒng)計(jì)時分電路進(jìn)行復(fù)用，因而能大大提高通道的利用率。ATM技術(shù)，在電信骨干級線路被廣泛采用。
　
　4、結(jié)束語
　　由上可見，采用幀交換技術(shù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的交換機(jī)，最符合工業(yè)自動化準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時性的要求。在工業(yè)自動化通信領(lǐng)域中，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)，將是未來的主流。