一文了解工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅速進(jìn)步和在商用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)控制設(shè)備也逐漸采用以太網(wǎng)并采用TCP/IP協(xié)議作為主要的通訊標(biāo)準(zhǔn)。盡管在產(chǎn)業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與商用以太網(wǎng)相同，但是在這個(gè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)需要能夠在較為惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定地運(yùn)行。

因此，為了滿足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的需求，連接產(chǎn)業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，以提供產(chǎn)業(yè)級(jí)的可靠性。此外，在產(chǎn)業(yè)控制領(lǐng)域，需要連接的設(shè)備分布相對(duì)分散，每個(gè)地方所需連接設(shè)備數(shù)量較少，因此對(duì)支持光纖冗余環(huán)路的8端口的光纖網(wǎng)絡(luò)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品有了很高的需求。為了實(shí)現(xiàn)光纖冗余環(huán)路的功能，必須采用性能卓越的微處理器來(lái)管理和控制網(wǎng)絡(luò)，并使用高性能的網(wǎng)絡(luò)交換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的10/100M以太網(wǎng)交換功能。

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程加快，我國(guó)城市化速度不斷推動(dòng)，城市化人口也在迅猛增長(zhǎng)。在這種情況下，城市的發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)向安全、方便、舒適的城市軌道交通。城市軌道交通的發(fā)展不僅可以促進(jìn)城市建設(shè)和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還可以在一定程度上改善城市的整體交通狀況。為了保障軌道交通的安全和高效運(yùn)行，需要使用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)建立可靠且獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)。這樣能夠及時(shí)準(zhǔn)確地處理符合軌道交通運(yùn)營(yíng)需求的各種信息。

工業(yè)以太網(wǎng)交換技術(shù)解決了現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)性能受限的問(wèn)題，使每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備都能夠獨(dú)立享受高帶寬，從而解決了帶寬不足和網(wǎng)絡(luò)瓶頸的問(wèn)題。這為未來(lái)更豐富、更強(qiáng)大的自動(dòng)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文的主要目的是探討交換技術(shù)的基本原理。

交換是一種技術(shù)總稱，它根據(jù)通信兩端傳輸信息的需求，通過(guò)設(shè)備的自動(dòng)操作將需要傳輸?shù)男畔魉偷椒弦蟮膶?duì)象上。廣義來(lái)說(shuō)，交換機(jī)是指一種設(shè)備，在通信系統(tǒng)中負(fù)責(zé)進(jìn)行信息交換的功能。

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換概念的引入是為了改善共享工作模式。HUB集線器是一種共享設(shè)備，它本身無(wú)法識(shí)別目標(biāo)地址。當(dāng)局域網(wǎng)中的設(shè)備A向設(shè)備B傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包通過(guò)以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)以廣播方式傳輸，每臺(tái)設(shè)備根據(jù)驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭中的地址信息確定是否接收。換句話說(shuō)，在這種工作方式下，網(wǎng)絡(luò)每次只能傳輸一組數(shù)據(jù)幀，如果出現(xiàn)碰撞，就需要重新嘗試。共享網(wǎng)絡(luò)帶寬是指利用這種方法。

當(dāng)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，它會(huì)根據(jù)特定的規(guī)則來(lái)確定該數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。以下是這些規(guī)則的描述：

1、如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是廣播地址或組播地址，交換機(jī)會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口。

2、當(dāng)數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是單播地址時(shí)，即使該地址不在交換機(jī)的地址表中，交換機(jī)仍然會(huì)將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口上。

3、當(dāng)數(shù)據(jù)幀攜帶目的MAC地址時(shí)，交換機(jī)會(huì)根據(jù)其地址表將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。

4、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(gè)端口上，那么這個(gè)數(shù)據(jù)幀將被丟棄，而且不會(huì)進(jìn)行交換。

交換機(jī)內(nèi)部裝有一條帶寬很大的背部總線和交換矩陣。所有的端口都連接到交換機(jī)的背部總線上，通過(guò)使用交換機(jī)的地址表，只有必要的網(wǎng)絡(luò)流量才能通過(guò)交換機(jī)傳輸。通過(guò)使用交換機(jī)的過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以有效地避免廣播風(fēng)暴，并降低誤包和錯(cuò)包的發(fā)生概率，進(jìn)而避免共享沖突的出現(xiàn)。

在工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)的交換地址表中，每個(gè)表項(xiàng)主要由一個(gè)MAC地址和相應(yīng)交換機(jī)端口號(hào)構(gòu)成。生成整張地址表的方法采用動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)，即當(dāng)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)接收到一幀數(shù)據(jù)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。每個(gè)地址表項(xiàng)都配有一個(gè)時(shí)間標(biāo)記，用于表示該表項(xiàng)存儲(chǔ)的時(shí)間周期。如果在特定的時(shí)間段內(nèi)，地址表項(xiàng)仍然沒有被引用，那么它將會(huì)從地址表中被刪除。所以，地址表中一直存儲(chǔ)著最有效和準(zhǔn)確的地址-端口信息。

審核編輯 黃宇