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工業以太網交換技術原理_5

1、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、交換機制

  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(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。

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)

  端口交換最早出現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段,不用網橋或路由器連接時,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段上,端口交換用于將模塊的端口在背板的多個網段之間進行分配、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干組,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。這種交換技術是基于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)

  幀交換是目前應用最廣的局域網交換技術,它通過對傳統傳輸媒介進行微分段,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據包時,檢查該包的包頭,獲取包的目的地址,啟動內部的動態查找表轉換成相應的輸出端口,在輸入與輸出交叉處接通,把數據包直通到相應的端口,實現交換功能。由于它只檢查數據包的包頭(通常只檢查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面:一是因為數據包內容并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復雜,實現起來就越困難。

  碎片隔離式(Fragment Free)

  這是介于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),如果小于64字節,說明是假包(或稱殘幀),則丟棄該包;如果大于64字節,則發送該包。該方式的數據處理速度比存儲轉發方式快,但比直通式慢,但由于能夠避免殘幀的轉發,所以被廣泛應用于低檔交換機中。

  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),比特從一端進入然后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。如果幀以小于512比特的長度結束,那么FIFO中的內容(殘幀)就會被丟棄。因此,不存在普通直通轉發交換機存在的殘幀轉發問題,是一個非常好的解決方案。數據包在轉發之前將被緩存保存下來,從而確保碰撞碎片不通過網絡傳播,能夠在很大程度上提高網絡傳輸效率。

  存儲轉發方式(Store-and-Forward)

  存儲轉發(Store and Forward)是網絡領域使用得最為廣泛的技術之一,以太網交換機的控制器先將輸入端口到來的數據包緩存起來,先檢查數據包是否正確,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送的輸出端口地址,然后將該包發送出去。正因如此,存儲轉發方式在數據處理時延時大,這是它的不足,但是它可以對進入交換機的數據包進行錯誤檢測,并且能支持不同速度的輸入/輸出端口間的交換,可有效地改善網絡性能。它的另一優點就是這種交換方式支持不同速度端口間的轉換,保持高速端口和低速端口間協同工作。實現的辦法是將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。由于長度固定,因而便于用硬件實現。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點,但并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復用,因而能大大提高通道的利用率。ATM技術,在電信骨干級線路被廣泛采用。

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。

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