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工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)原理
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  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,為未來更豐富更強大的自動化應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。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(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),由每一臺設(shè)備通過驗證數(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(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的地址表內(nèi),那么也會向交換機(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。

  交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機的所有端口都掛接在這條背部總線上,通過交換機地址表,交換機只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉(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。

  交換機的交換地址表中,一條表項主要由一個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態(tài)自學(xué)習(xí)的方法,既當(dāng)交換機收到一個數(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。每一條地址表項都有一個時間標(biāo)記,用來指示該表項存儲的時間周期。如果在一定時間范圍內(nèi)地址表項仍然沒有被引用,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立的網(wǎng)段,連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨自享有全部的帶寬,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,但沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點,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路矩陣電話交換機。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。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。

  它的缺點主要有三個方面:一是因為數(shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機保存下來,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”,因為輸入/輸出端口間有速度上的差異,必須提供緩存;第三,當(dāng)以太網(wǎng)交換機的端口增加時,交換矩陣變得越來越復(fù)雜,實現(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)用于低檔交換機中。

  使用這類交換技術(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。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。

  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,因而便于用硬件實現(xiàn)。ATM采用專用的非差別連接,并行運行,通過一個交換機同時建立多個節(jié)點,但并不會影響每個節(jié)點之間的通信能力。ATM還容許在源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點建立多個虛擬鏈接,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,最符合工業(yè)自動化準(zhǔn)確性、經(jīng)濟性、實時性的要求。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。

  


 

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