在讲工业以太网交换机之前，先讲几个故事活跃一下气氛，应该没有人不乐意吧。故事场景设在A学校，B宿舍是女生宿舍，学校对于管理女生宿舍有以下规定：

• 男生不能进入女生宿舍；

• 男生在女生楼下不准大声喧哗；

• 男生有事情找女生只能通过宿舍管理员传达。

       因为这个女生宿舍住了不少女神，所以这里是众多男生想方设法要去串门的地方，于是发生了以下场景故事。

1.  男生C想请管理员大妈帮忙找女生D，大妈问她是哪个房间的，C说是X房间的，那么大妈很快就找到了D。

2.  有时男生不知道女生住哪个房间，央求大妈帮忙，于是大妈站在楼下运气，然后大吼一声：“D在哪个房间？”D听到后就回答：“我是X房间的。”这样大妈下次就不用在楼下运气大吼了，找D的话直接去X房间。有时男生E想找女生F，大妈吼了一嗓子后没人应答，就不再吼了。铁打的宿舍，流水的学生，房间里住的的女生会有变化，C过了一段时间后再要想找D，大妈就不一定能在X房间找到了。于是大妈需要定期（一年）清理一下女生与房间的对应关系。如果在清理了对应关系后，有男生还想通过原来房间找女生，大妈就得按前面所描述的过程重来一遍。

3.  大妈觉得很多男生就是来追女生的，而不是真有什么事情，于是就会多问一句：“你找她什么事呀？”男生多半会编个理由敷衍。然后大妈会去找女生证实一下，如果发现无中生有，就放这个男生的鸽子。其实大妈是很热心的，一般不会为难那些以学习为目的来找女生的男童鞋，但某个男生经常来借书，有时上午一次下午一次，于是大妈就记住了他并问道：“你上午找的D同学是中文系的，怎么下午找数学系的H同学？”男生想了想回答：“因为上午是语文课，下午上数学课。”大妈不依不饶接着问：“D同学是三年级的，H同学是二年级的，怎么你中午就留级了？”“……”看来这姜还是老的辣。

4.  后来找女生的越来越多，不少还确实有事情，比如通知一个年级的女生开会，大妈觉得站在楼下吼太累了，女生也认为总是听到楼下在找人，感觉太吵了。于是学校决定将同一个年级的女生安排住同一层楼，大四的住一楼，大一的住四楼。这样遇上确有事情的男生，大妈就要问清楚是找哪个年级的，这样就在相应楼层喊一嗓子就行了。如果不知道哪个年级的，对不起，老娘不伺候。

5.  如果有两个男生来找大妈帮忙，男生G说找女生H，同时男生I说找女生J，这时大妈就说：“你们俩同时说我听不清，一个一个说，后来的等前一个说完再说。”有时，大妈会接待几个男生，先后听完所有请求后，估摸着每个楼层都有，那么就从低楼层的女生开始，依次找到高楼层，这样往往是先通知到高年级的，后通知到低年级的女生，虽然会给一些男生一种学长在先的感觉，但这样比较省时间和力气，毕竟这时《甄嬛传》正在热播中，大妈也着急要看嘛。

       故事暂告一段落，接下来偶就想像郎咸平教授解读中国经济一样，深入解读这些故事背后所蕴含的交换机内容。

交换机的基本原理

       交换机作为网络组件，连接各个终端之间的传输路径，负责接收数据帧再转发。交换机上用于连接计算机或其他设备的接插口称作端口，如图所示。

       简单来说，以太网报文都包含源MAC地址与目的MAC地址，交换机基本原理就是学习“源地址”，基于“目的地址”转发，其工作过程可以概括为“学习、记忆、接收、查表、转发”等几个方面：

1.      “学习”每个端口上所连接设备的MAC地址；

2.      “记忆”地址与端口号的对应关系，在内存中生成地址列表；

3.      从一个端口“接收”到报文后，在地址列表中“查找”与报文中目的地址对应的端口；

4.      将数据帧从查到的端口上“转发”出去。

       从交换机的原理上讲，场景1中的男生想请大妈帮忙找人，最好能告知女生名字和房间号，就相当于交换机地址列表中的目的地址和端口。

交换机的地址列表

       工程师经常需要坐火车出差，到车站后就会找对应的检票口，确定检票口的提示信息和票面上的车次一致，就不会上错车，车站会根据调度表来调整检票口提示信息。

       交换机会生成一张目的地址与端口号对应关系的地址列表，用于转发报文。如果交换机在开始时并没有确定设备连接在哪个端口上，其地址列表中没有相关条目，就会把该报文广播发送到所有端口等待响应。一旦收到回复的报文，就记录下相关联的目的地址与端口，作为一个条目填入地址列表中，等到下次收到报文，发现其目的地址已经记录在地址列表中，则直接向对应端口转发报文。如果交换机广播后没有收到任何回复，则不会有进一步操作。交换机还需要维护并动态更新地址列表。

       感谢《网络那些事儿》作者所提供的图，描述了地址列表学习与使用的步骤：

1.      交换机端口1接收到来自PC 1的报文，目的地址是PC3；

2.      交换机获得报文的目的地址，这时地址列表中的没有记录，则交换机将PC1的源地址关联到进入端口1，记录在地址列表中。

3.      交换机向所有端口转发该报文（除了进入端口不发）；

4.      PC3收到报文后回复目的地址为PC1的单播报文；

5.      交换机地址表中记录下PC3的源地址和端口3，在地址列表中找对应的端口。由于地址列表中已有关联的条目PC1和端口1，交换机不用广播只要向PC1转发报文。

       这就是为什么大妈要在楼下运气后大吼一声，原来这就是在广播找人，D回应后就知道是哪个房间的，下次大妈就直接去房间找D就行了。但大吼一声没有回复，说明女生不在宿舍，男生就不要纠缠了，不然大妈就要对你大吼了。而且大妈会定期整理女生与房间的对应关系，这就相当于交换机维护地址列表，地址列表项目通常会保持5分钟。

不同的工业以太网交换机

       工业交换机用于苛刻的工业应用，外观和安装形式多样，高IP防护等级，满足24V电源，还要求防水、防尘、抗震、抗电磁干扰，使用全双工模式。PROFINET工业以太网交换机还需要支持VLAN、标准化的诊断、自动极性交换、自动协商和自动交叉等功能。

       工业以太网交换机有两类不同的报文处理方法——直通转发（cut-through）与存储转发（store-forward）。

       直通转发就是交换机在收到帧后，只要查看到此帧的目的MAC地址，马上根据MAC地址表向相应的端口转发；这种方式的好处是速度快，转发所需时间短，但问题是可能同时把一些错误的、无用的帧也同时转发目的地址。

       存储转发就是交换机的每个端口被分配到一定的缓冲区（大小一般为64 k），报文在进入交换机后读取目标地址，根据地址表获得到转发关系后，数据会暂存在此端口的缓冲区，直到数据填满缓冲区后，所有数据会一次性转发。在数据存储在缓冲区期间，交换机会简单效验数据，如果此时发现错误的数据，就不会转发到目的地址，而是直接丢弃。储存转发机制提高了报文转发质量，但是转发所需时间会比直通转发要长一点。

       开始时，大妈采用直通转发，所以男生的用户体验非常好，以至于女生宿舍的访问量剧增。后来，大妈则改进成储存转发，所以学校的用户体验就变得越来越好，女生也多了一种保驾护航的尊贵感觉，大妈也为此加了工资。

       非管理型交换机不支持网管功能，不提供Web界面，用户不能够手动控制，没有诊断功能，一致性类型A的PROFINET IO系统可以使用非管理型交换机。所以说，大妈一开始对于以学习为理由的男生采用的是非管理型交换机的方式。

       管理型交换机支持网管功能，提供了多种用户控制选项，支持冗余控制、网络数据流量的统计分析和诊断功能，允许Web访问，而且可以作为一种IO设备。满足一致性类别B类和C类的PROFINET IO系统的要求，尤其在使用冗余控制功能时必须使用管理型交换机。后来，大妈就运用了管理型交换机的处理方法来限制男生串门，导致男生叫苦不已，女生的尊荣感受与日俱增。