一文了解工业以太网交换机

随着以太网技术的迅速进步和在商用领域的广泛应用，越来越多的产业控制设备也逐渐采用以太网并采用TCP/IP协议作为主要的通讯标准。尽管在产业控制领域应用的以太网标准与商用以太网相同，但是在这个领域，网络需要能够在较为恶劣的工作环境下稳定地运行。

因此，为了满足长期连续运行的需求，连接产业设备的网络产品需要经过特别设计，以提供产业级的可靠性。此外，在产业控制领域，需要连接的设备分布相对分散，每个地方所需连接设备数量较少，因此对支持光纤冗余环路的8端口的光纤网络工业级以太网交换机产品有了很高的需求。为了实现光纤冗余环路的功能，必须采用性能卓越的微处理器来管理和控制网络，并使用高性能的网络交换芯片来实现基本的10/100M以太网交换功能。

随着经济高速发展和工业化进程加快，我国城市化速度不断推动，城市化人口也在迅猛增长。在这种情况下，城市的发展重点转向安全、方便、舒适的城市轨道交通。城市轨道交通的发展不仅可以促进城市建设和推动经济发展，还可以在一定程度上改善城市的整体交通状况。为了保障轨道交通的安全和高效运行，需要使用工业级以太网交换机来建立可靠且独立的通信网络。这样能够及时准确地处理符合轨道交通运营需求的各种信息。

工业以太网交换技术解决了现场总线网络性能受限的问题，使每个以太网设备都能够独立享受高带宽，从而解决了带宽不足和网络瓶颈的问题。这为未来更丰富、更强大的自动化应用奠定了坚实的基础。本文的主要目的是探讨交换技术的基本原理。

交换是一种技术总称，它根据通信两端传输信息的需求，通过设备的自动操作将需要传输的信息传送到符合要求的对象上。广义来说，交换机是指一种设备，在通信系统中负责进行信息交换的功能。

在网络系统中，交换概念的引入是为了改善共享工作模式。HUB集线器是一种共享设备，它本身无法识别目标地址。当局域网中的设备A向设备B传输数据时，数据包通过以HUB为架构的网络以广播方式传输，每台设备根据验证数据包头中的地址信息确定是否接收。换句话说，在这种工作方式下，网络每次只能传输一组数据帧，如果出现碰撞，就需要重新尝试。共享网络带宽是指利用这种方法。

当工业级以太网交换机接收到一个数据帧时，它会根据特定的规则来确定该数据帧的转发路径。以下是这些规则的描述：

1、如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或组播地址，交换机会将其转发到所有端口。

2、当数据帧的目的MAC地址是单播地址时，即使该地址不在交换机的地址表中，交换机仍然会将该数据帧转发至所有端口上。

3、当数据帧携带目的MAC地址时，交换机会根据其地址表将数据帧转发到相应的端口。

4、如果数据帧的目的MAC地址与数据帧的源地址在同一个端口上，那么这个数据帧将被丢弃，而且不会进行交换。

交换机内部装有一条带宽很大的背部总线和交换矩阵。所有的端口都连接到交换机的背部总线上，通过使用交换机的地址表，只有必要的网络流量才能通过交换机传输。通过使用交换机的过滤和转发功能，可以有效地避免广播风暴，并降低误包和错包的发生概率，进而避免共享冲突的出现。

在工业级以太网交换机的交换地址表中，每个表项主要由一个MAC地址和相应交换机端口号构成。生成整张地址表的方法采用动态自学习，即当工业级以太网交换机接收到一帧数据后，将数据帧的源地址和输入端口记录在交换地址表中。每个地址表项都配有一个时间标记，用于表示该表项存储的时间周期。如果在特定的时间段内，地址表项仍然没有被引用，那么它将会从地址表中被删除。所以，地址表中一直存储着最有效和准确的地址-端口信息。

审核编辑 黄宇