工業以太網的交換機制

　　工業以太網交換技術解決了現場總線網絡的性能局限，每個以太網設備都能夠獨享高帶寬，從而緩解了帶寬不足和網絡瓶頸的問題,為未來更豐富更強大的自動化應用打下堅實的基礎。本文主要探討交換技術的基本原理。

　　交換是按照通信兩端傳輸信息的需要，用設備自動完成的方法，把需要傳輸的信息送到符合要求的對象上的技術統稱。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。

　　在網絡系統中，交換概念的提出是對于共享工作模式的改進。HUB集線器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址，當一局域網內的A設備給B設備傳輸數據時，數據包在以HUB為架構的網絡上是以廣播的方式傳輸的，由每一臺設備通過驗證數據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，同一時刻網絡上只能傳輸一組數據幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網絡帶寬。

　　交換機根據數據幀的MAC（MediaAccessControl）地址進行數據幀的轉發操作。交換機轉發數據幀時，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；

　　如果數據幀的目的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，那么也會向交換機（除源端口外）所有端口轉發；

　　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端口上，它就會丟棄這個數據幀，交換也不會發生。

　　交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有端口都掛接在這條背部總線上，通過交換機地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，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自學習的方法，既當交換機收到一個數據幀以后，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時間標記，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行多個端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的網段，連接在其上的網絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。