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、引言
 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。
 
 2、交換機製
 jiaohuanshianzhaotongxinliangduanchuanshuxinxidexuyao，yongshebeizidongwanchengdefangfa，baxuyaochuanshudexinxisongdaofuheyaoqiudeduixiangshangdejishutongcheng。guangyidejiaohuanjijiushiyizhongzaitongxinxitongzhongwanchengxinxijiaohuangongnengdeshebei。
 在網絡係統中
，交換概念的提出是對於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(wei)架(jia)構(gou)的(de)網(wang)絡(luo)上(shang)是(shi)以(yi)廣(guang)播(bo)的(de)方(fang)式(shi)傳(chuan)輸(shu)的(de)
，由(you)每(mei)一(yi)台(tai)設(she)備(bei)通(tong)過(guo)驗(yan)證(zheng)數(shu)據(ju)包(bao)頭(tou)的(de)地(di)址(zhi)信(xin)息(xi)來(lai)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)接(jie)收(shou)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，在(zai)這(zhe)種(zhong)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)下(xia)
，同(tong)一(yi)時(shi)刻(ke)網(wang)絡(luo)上(shang)隻(zhi)能(neng)傳(chuan)輸(shu)一(yi)組(zu)數(shu)據(ju)幀(zhen)的(de)通(tong)訊(xun)
，如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)還(hai)得(de)重(zhong)試(shi)。這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)就(jiu)是(shi)共(gong)享(xiang)網(wang)絡(luo)帶(dai)寬(kuan)。
 交換機根據數據幀的MAC（Media Access Control）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，但是這個地址並不在交換機的地址表內
，那麼也會向交換機（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，那麼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(jiao)換(huan)機(ji)擁(yong)有(you)一(yi)條(tiao)很(hen)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)背(bei)部(bu)總(zong)線(xian)和(he)內(nei)部(bu)交(jiao)換(huan)矩(ju)陣(zhen)。交(jiao)換(huan)機(ji)的(de)所(suo)有(you)端(duan)口(kou)都(dou)掛(gua)接(jie)在(zai)這(zhe)條(tiao)背(bei)部(bu)總(zong)線(xian)上(shang)，通(tong)過(guo)交(jiao)換(huan)機(ji)地(di)址(zhi)表(biao)，交(jiao)換(huan)機(ji)隻(zhi)允(yun)許(xu)必(bi)要(yao)的(de)網(wang)絡(luo)流(liu)量(liang)通(tong)過(guo)交(jiao)換(huan)機(ji)。通(tong)過(guo)交(jiao)換(huan)機(ji)的(de)過(guo)濾(lv)和(he)轉(zhuan)發(fa)
，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)的(de)隔(ge)離(li)廣(guang)播(bo)風(feng)暴(bao)，減(jian)少(shao)誤(wu)包(bao)和(he)錯(cuo)包(bao)的(de)出(chu)現(xian)，避(bi)免(mian)共(gong)享(xiang)衝(chong)突(tu)。
 交換機的交換地址表中

，一條表項主要由一個MAC地di址zhi和he該gai地di址zhi所suo位wei於yu的de交jiao換huan機ji端duan口kou號hao組zu成cheng。整zheng張zhang地di址zhi表biao的de生sheng成cheng采cai用yong動dong態tai自zi學xue習xi的de方fang法fa，既ji當dang交jiao換huan機ji收shou到dao一yi個ge數shu據ju幀zhen以yi後hou
，將jiang數shu據ju幀zhen的de源yuan地di址zhi和he輸shu入ru端duan口kou記ji錄lu在zai交jiao換huan地di址zhi表biao中zhong。每mei一yi條tiao地di址zhi表biao項xiang都dou有you一yi個ge時shi間jian標biao記ji，用yong來lai指zhi示shi該gai表biao項xiang存cun儲chu的de時shi間jian周zhou期qi。如ru果guo在zai一yi定ding時shi間jian範fan圍wei內nei地di址zhi表biao項xiang仍reng然ran沒mei有you被bei引yin用yong
，它ta就jiu會hui從cong地di址zhi表biao中zhong被bei移yi走zou。因yin此ci
，交jiao換huan地di址zhi表biao中zhong所suo維wei護hu的de一yi直zhi是shi最zui有you效xiao和he最zui精jing確que的de地di址zhi-端口信息。
 交jiao換huan機ji在zai同tong一yi時shi刻ke可ke進jin行xing多duo個ge端duan口kou對dui之zhi間jian的de數shu據ju傳chuan輸shu。每mei一yi端duan口kou都dou可ke視shi為wei獨du立li的de網wang段duan，連lian接jie在zai其qi上shang的de網wang絡luo設she備bei獨du自zi享xiang有you全quan部bu的de帶dai寬kuan，無wu須xu同tong其qi他ta設she備bei競jing爭zheng使shi用yong。
 
 3、交換方式
 目前主要有以下三種交換技術：
 
 1、端口交換（Port switch）
 duankoujiaohuanzuizaochuxianzaichacaoshidejixianqizhong，zheleijixianqidebeibantongchanghuafenyouduotiaoyitaiwangduan，buyongwangqiaohuoluyouqilianjieshi，shibunenghuxiangtongxinde。mokuaicharuhoutongchangbeifenpeidaomougebeibandewangduanshang，duankoujiaohuanyongyujiangmokuaideduankouzaibeibandeduogewangduanzhijianjinxingfenpei
、平衡。根據支持的程度，端口交換可細分為：
 模塊交換：將整個模塊進行網段遷移。
 端口組交換：通常模塊上的端口被劃分為若幹組
，每組端口允許進行網段遷移。
 端口級交換：支持每個端口在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是基於OSI第一層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優點
，但沒有改變共享傳輸介質的特點
，故而未能稱之為真正的交換。
 
 2、幀交換（Frame switch）
 幀(zhen)交(jiao)換(huan)是(shi)目(mu)前(qian)應(ying)用(yong)最(zui)廣(guang)的(de)局(ju)域(yu)網(wang)交(jiao)換(huan)技(ji)術(shu)，它(ta)通(tong)過(guo)對(dui)傳(chuan)統(tong)傳(chuan)輸(shu)媒(mei)介(jie)進(jin)行(xing)微(wei)分(fen)段(duan)，提(ti)供(gong)並(bing)行(xing)的(de)傳(chuan)送(song)機(ji)製(zhi)
，以(yi)減(jian)小(xiao)衝(chong)突(tu)域(yu)，獲(huo)得(de)高(gao)帶(dai)寬(kuan)。一(yi)般(ban)有(you)三(san)種(zhong)處(chu)理(li)方(fang)式(shi)：
 
 直通交換方式（Cut-through）
 采(cai)用(yong)直(zhi)通(tong)交(jiao)換(huan)方(fang)式(shi)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)交(jiao)換(huan)機(ji)可(ke)以(yi)理(li)解(jie)為(wei)在(zai)各(ge)端(duan)口(kou)間(jian)是(shi)縱(zong)橫(heng)交(jiao)叉(cha)的(de)線(xian)路(lu)矩(ju)陣(zhen)電(dian)話(hua)交(jiao)換(huan)機(ji)。它(ta)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)口(kou)檢(jian)測(ce)到(dao)一(yi)個(ge)數(shu)據(ju)包(bao)時(shi)，檢(jian)查(zha)該(gai)包(bao)的(de)包(bao)頭(tou)
，獲(huo)取(qu)包(bao)的(de)目(mu)的(de)地(di)址(zhi)，啟(qi)動(dong)內(nei)部(bu)的(de)動(dong)態(tai)查(zha)找(zhao)表(biao)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)相(xiang)應(ying)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)
，在(zai)輸(shu)入(ru)與(yu)輸(shu)出(chu)交(jiao)叉(cha)處(chu)接(jie)通(tong)，把(ba)數(shu)據(ju)包(bao)直(zhi)通(tong)到(dao)相(xiang)應(ying)的(de)端(duan)口(kou)，實(shi)現(xian)交(jiao)換(huan)功(gong)能(neng)。由(you)於(yu)它(ta)隻(zhi)檢(jian)查(zha)數(shu)據(ju)包(bao)的(de)包(bao)頭(tou)（通常隻檢查14個字節）
，不需要存儲，所以切入方式具有延遲小，交換速度快的優點。所謂延遲（Latency）是指數據包進入一個網絡設備到離開該設備所花的時間。
 它的缺點主要有三個方麵：一是因為數據包內容並沒有被以太網交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數據包是否有誤

，不能提供錯誤檢測能力；第二，由於沒有緩存，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。如果要連到高速網絡上，如提供快速以太網（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
，當以太網交換機的端口增加時，交換矩陣變得越來越複雜，實現起來就越困難。
 
 碎片隔離式（Fragment Free）
 這是介於直通式和存儲轉發式之間的一種解決方案。它在轉發前先檢查數據包的長度是否夠64個字節（512 bit），如果小於64字節，說明是假包（或稱殘幀），則丟棄該包；如果大於64zijie
，zefasonggaibao。gaifangshideshujuchulisudubicunchuzhuanfafangshikuai
，danbizhitongshiman，danyouyunenggoubimiancanzhendezhuanfa，suoyibeiguangfanyingyongyudidangjiaohuanjizhong。
 使用這類交換技術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先出的FIFO（First In First Out），比特從一端進入然後再以同樣的順序從另一端出來。當幀被接收時
，它被保存在FIFO中。如果幀以小於512比特的長度結束，那麼FIFO中的內容（殘幀）jiuhuibeidiuqi。yinci，bucunzaiputongzhitongzhuanfajiaohuanjicunzaidecanzhenzhuanfawenti，shiyigefeichanghaodejiejuefangan。shujubaozaizhuanfazhiqianjiangbeihuancunbaocunxialai，congerquebaopengzhuangsuipianbutongguowangluochuanbo，nenggouzaihendachengdushangtigaowangluochuanshuxiaolv。 
 
 存儲轉發方式（Store-and-Forward）
 存儲轉發（Store and Forward）是shi網wang絡luo領ling域yu使shi用yong得de最zui為wei廣guang泛fan的de技ji術shu之zhi一yi，以yi太tai網wang交jiao換huan機ji的de控kong製zhi器qi先xian將jiang輸shu入ru端duan口kou到dao來lai的de數shu據ju包bao緩huan存cun起qi來lai，先xian檢jian查zha數shu據ju包bao是shi否fou正zheng確que，並bing過guo濾lv掉diao衝chong突tu包bao錯cuo誤wu。確que定ding包bao正zheng確que後hou，取qu出chu目mu的de地di址zhi，通tong過guo查zha找zhao表biao找zhao到dao想xiang要yao發fa送song的de輸shu出chu端duan口kou地di址zhi，然ran後hou將jiang該gai包bao發fa送song出chu去qu。正zheng因yin如ru此ci，存cun儲chu轉zhuan發fa方fang式shi在zai數shu據ju處chu理li時shi延yan時shi大da，這zhe是shi它ta的de不bu足zu
，但dan是shi它ta可ke以yi對dui進jin入ru交jiao換huan機ji的de數shu據ju包bao進jin行xing錯cuo誤wu檢jian測ce，並bing且qie能neng支zhi持chi不bu同tong速su度du的de輸shu入ru／輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)間(jian)的(de)交(jiao)換(huan)
，可(ke)有(you)效(xiao)地(di)改(gai)善(shan)網(wang)絡(luo)性(xing)能(neng)。它(ta)的(de)另(ling)一(yi)優(you)點(dian)就(jiu)是(shi)這(zhe)種(zhong)交(jiao)換(huan)方(fang)式(shi)支(zhi)持(chi)不(bu)同(tong)速(su)度(du)端(duan)口(kou)間(jian)的(de)轉(zhuan)換(huan)
，保(bao)持(chi)高(gao)速(su)端(duan)口(kou)和(he)低(di)速(su)端(duan)口(kou)間(jian)協(xie)同(tong)工(gong)作(zuo)。實(shi)現(xian)的(de)辦(ban)法(fa)是(shi)將(jiang)10Mbps低速包存儲起來
，再通過100Mbps速率轉發到端口上。　
 
 3、信元交換（ATM switch）
 ATM采用固定長度53字節的信元交換。由於長度固定，因而便於用硬件實現。ATM采用專用的非差別連接
，並行運行，通過一個交換機同時建立多個節點，但並不會影響每個節點之間的通信能力。ATM還容許在源節點和目標節點建立多個虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統計時分電路進行複用

，因而能大大提高通道的利用率。ATM技術，在電信骨幹級線路被廣泛采用。
 
 4、結束語 
 由上可見，采用幀交換技術存儲轉發方式的交換機，最符合工業自動化準確性、經濟性、實時性的要求。在工業自動化通信領域中，采用工業以太網交換技術
，將是未來的主流。