一、概述     &n雨身bsp;交換機是我們(men)網絡領域應用最為(w土畫èi)廣泛的網絡互聯設備，其主要功能是完成各端口之間分組的交換功能。交換機僅做對著分組交換，不(bù)對分組進行任何數據修改。交換機的端口沒有IP與M著坐AC的屬性。端口數據IO一般為(wèi)草黃全雙工(gōng)模式，即可同時(shí)進行分吃會組收發工(gōng)作。端口速率通(tōng)常為(wèi)1她放0/100/1000M自适應模式，更高速率可支持到10G、25G、40G、1化術00G和400G。交換機的端口數量一般大(dà)于2，小于小在64。 二、準備工(gōng)作      微科1）二層交換原理
     身村二層交換的原理是必須熟知的，網絡基礎課程教材或網絡上都能找到月司。
     2）L多麗inux系統操作
  &nbs答的p;  我們(men)的開(kāi)發環境都是基于Lin答冷ux系統，故想要在此學習二層交換機的設計與實現，一些必備的Linu吧見x操作方法與常用命令要會(huì)。推薦《鳥哥私房菜》一書，可網上搜索。
   快上  3）C語言編程
     平在劇台開(kāi)發的編程語言全部是C語言，這也是接觸計算機學生通(tōng亮算)常會(huì)學習到的語言，更是計算機專業的必學專業課。器明不(bù)求精通(tōng)，但求普通(tōng)離工，一般的C程序編寫、庫函數調用和基本打印調試等操作要會(huì)。
     4）身線一套OpenBox-S4開(kāi)發平台
     如(rú)生老題所述，從一開(kāi)始，便是從一個OpenBox麗說-S4開(kāi)發平台開(kāi)始，二層交玩火換的實驗和我們(men)後續所有相關的實驗通場基本上是構建在這個開(kāi)發平台之上。如(rú)果沒有這個藍公平台也可以學習這些實驗的設計與實現過程，隻是驗證和測試起來會內她(huì)麻煩一些。 三、開(kāi)發平台架構    外文;  OpenBox-S4是我們(men)用來麗日做實驗開(kāi)發的平台，平台完成了軟硬件數據IO的基本功能樹議，提供規範的軟件UA編程開(kāi)發模式，讓用戶不(bù)需要關心平台如對空(rú)何完成軟硬件數據IO和系統之間的分組調度與轉發功能拿一，可以将全部精力集中在本身業務系統的設計上。所以哥黃平台并不(bù)是本次網絡原理性功能實現的重點，還年隻是一個使用工(gōng)具。使用該平台需要對其有個基本的了電問解，會(huì)簡單的開(kāi)發編程工(g南答ōng)作。       問物 1）整體架構    拍司  OpenBox是湖(hú)南新實的主打品牌，用吃該品牌擁有多種不(bù)同型号具體産品。OpenBox-S4是一款專為訊很(wèi)計算機網絡實驗課程打造的軟硬件全功能可編程平台，平台基于FAS業飛T架構實現，是一種靈活的軟硬件協同方式數據處理模見那型。整體架構如(rú)圖1所示，具體的FA農媽ST架構介紹與OpenBox-S4設備平台介紹見《FAST簡介》和《OpenBox網絡全功能可編程平台：工(gōng)欲善其體林事，必先利其器(qì)！》。    拿刀;  2）數據格式      在FA近跳ST框架下，硬件模塊之間、軟件模塊之間和軟硬件之間的交互數坐謝據采用統一标準定義格式。格式規定在完整的以太網數據幀前增銀懂加了32字節的分組metadata内容，用來标識分組的輸入端口、長(chán著鐘g)度、輸出端口、接收時(shí)刻和流标識等等，具體如(rú)山知表1所示：     &n爸費bsp; 3）UA數據處理流程    &nb秒農sp; UA是用戶應用（User Applica姐煙tion），運行在用戶态的可執行程序。應用程序通(tōng)過向系統注他用冊和硬件規則配置，将符合業務功能要求的分組從硬件提取到軟件火件，并由FAST架構開(kāi)發環境的數據路由模塊将該特征數據分發給相應跳微的注冊用戶。程序注冊時(shí)需要提交一個分船校組處理的回調函數，當系統接收到本程序的業務分組時(shí)錯制，會(huì)主動調用程序的回調函數将分組交付給用戶的業地都務邏輯處理。用戶處理完分組後可通(tōn女匠g)過系統發送函數将分組轉發給其他(tā)應用事筆模塊（用戶應用UA、普通(tōng)Socket應用CA、内核應用KA和硬件應遠計用HA）進行處理。如(rú)果是直接從硬件發送，則分組的發送字段中通時的dstmid直接填寫HA的編号（硬件發送HA短放的ID為(wèi)5）。     影坐 4）編程API    &n上小bsp; i.注冊UA
   地雨  fast_ua_init(m木刀id,callback)：向系統注冊一個UA，多劇是UA編程的核心函數。聲明自己的模塊ID号和接收到分組後的回調處人小理函數。
    &nb廠業sp;ii.接收分組
    &nbs報雪p;callback(pkt,len)：刀白開(kāi)源版本的接收分組不(bù)是用身靜戶主動請求式方法，為(wèi)系統回調方式，即系統接收到了從去一個符合UA的模塊ID号的分組後，會(huì)在系統環境調空姐用UA注冊的callback函數，将分組傳遞給該函說資數進行處理。
     iii街了.發送分組
    &朋河nbsp;fast_ua_send(pkt,len)：将一個處錢看理完成的分組發送到其他(tā)模塊，包括其他(tā)U兒雪A、HA、CA或HA。隻需要将分組metadata字段中的目的模塊ID号設答就置為(wèi)對應模塊的編号即可。
  &nbs數物p;  iv.規則配置
  &nbs船店p;  FAST的硬件HA中包含查表土熱匹配功能模塊，可以支持硬件規則的配置。規則匹做國配模塊既可支持細粒度的具體流屬性配置，也可支持全表默認規則配置。 四、驗證系統二層交換功能     &nb呢玩sp;在開(kāi)發自己的二層交換機功能之前，可以先搭建測試環境，驗證子笑一下系統自帶的二層交換機功能，從其運行輸出中進一步了解交換原理與數麗雪據處理流程。      國鐵; 1）構建環境      測林裡試環境至少需要一台OpenBox-S4設備、兩台網絡通(tōng)信測試主機和舞習一台控制主機，控制主機主要用來連接S4設備，運行系統命令、編寫代碼和編譯程序等高裡功能。拓撲連接圖如(rú)下所示：      身些2）開(kāi)發平台操作     &nb裡見sp;S4設備支持串口與網口兩種登錄管理方式，均可使用putty工信問(gōng)具連接，工(gōng)具使用請網上搜索。
    &nb雜科sp;平台是一個小型Linux主機系統，與普通(數光tōng)Linux服務差異不(bù)大(那是dà)，故在上面的命令操作、代碼修改與編譯，與裡好學生在虛拟機環境或Linux服務器(qì)上的操作使用完全一店理緻。     &n紅些bsp;3）交換驗證      通(tō如有ng)過串口或網口登錄平台後，直接在命令行終端輸入費民命令，即可啟動二層交換機功能。

#l2switch
fastU->REG Version:20180827,OpenBox暗月 HW Version:2030200722日站
FAST UA REG->from pid:902,state:21,mid那時:129
fastU->Register UA to FAST Kernel! W習很ait Reply......
fastU->UA->pid:902,mid:129,Reg林要ister OK!
fastU->libua version:20180827
Create nm08_mac_aging 子路thread OK!
aging[0]->invalid mac:0
fastU->fast_ua_recv......
ID PORT0 PORT1 POR公校T2 PORT3
0 . . 日房. .
aging[1]->invalid mac:0
ID PORT0 PORT1 PORT2 事月 PORT3
0 . . 票大. .
aging[2]->invalid mac:0

    &多不nbsp;建議在平台運行命令時(shí)使兒地用串口方式登錄，斷開(kāi)連線後，系統命令仍可正常工(gō也謝ng)作，而且控制主機也可充當一台網絡測試主機。如(rú)果是網絡連接，時林必須确保連接網絡的通(tōng)路持續保持，否則管讀醫理網絡斷開(kāi)後，系統命令也會(huì船討)随着鍊路斷開(kāi)而被停止，導緻系統命令功能無法運行。 門志     &nbs長暗p;4）觀察與分析交換流程     雪你 a）端口接收到一個分組，在回調函數中打印輸出 跳西

inport:0,dstmid:129,len:1唱得30,dmac:B8:27:EB:C1:D1:39,smac:B8銀資:27:EB:D8:83:20

     b）在端算請口0上學習到一個新MAC地址，存儲在表項索引為下吧(wèi)0的位置

learn_smac->add new MAC,port:0,index:0什民

     c）根據目術日的MAC查表，得(de)到返回結果（－1表示也林沒有查到匹配的MAC地址）

find_dmac->ret = -1

     d筆費）泛洪發出分組，分組輸入端口為(wèi)0，4端口設備泛湖雜洪到1，2，3端口輸出

------pkt_send_flood------
pkt_send_normal->0xb4c00468,又空outport:1,len:130
pkt_send_normal->0x自雨b4c00468,outport:2,len:130
pkt_send_normal->0xb4c拍雨00468,outport:3,len:130

    雜音; e）正常發送一個分組，輸出端口為(wè紙姐i)0

pkt_send_normal->0xb4c0046地月8,outport:0,len:130

五、總結與下一步    &nb購事sp; 1）二層交換的數據處理流可媽程
   &nbs湖數p; 二層交換的核心是将一個端口輸入的分組搬光水到另一個端口輸出，至于如(rú)何選擇輸出端口，則需要根據分組中的目的MAC地司城址來确定。如(rú)何知道一個目的MAC在哪個端刀高口上呢？則需要在接收分組的時(shí)候對分組的源MAC進行學習。農國故二層交換的整體數據處理流程如(rú)下：
     讀秒;1）從端口接收到一個分組，攜帶了輸入端口号、長(ch長麗áng)度和完整以太網幀内容；
  &nbs門吧p;  2）提取以太網幀的源醫區MAC地址和輸入端口，保存到MAC轉發表中；
  &nbs到分p;  3）提取以太網幀的目的MAC地址，到MAC轉發海業表中查找，輸出查表結果；
     時北4）根據查表結果進行轉發；單播或泛洪發出。術離      2）開(k跳去āi)發平台編程入門     &n聽見bsp;所有實驗内容均在OpenBox-S4平台又新進行，其FAST架構的核心優先不(bù)多說(shuō)了，公空主要是該架構下軟件分組與硬件分組格式一緻，軟件邏輯功懂公能實現後可以很方便的卸載到硬件實現，分組可攜短道帶metadata數據在軟硬件模塊之間傳遞，保留分相坐組解析狀态與處理狀态。
     Op話看enBox-S4隻是一個我們(men)設計系統的工(gō白腦ng)具，與具體實現網絡原理性功能無關，沒有設備的用戶也可以跳紅在普通(tōng)電腦上參考本系列分享文章完成二層交換機的設計與實現（僅分組收自資發有點差異）。下面一篇文章将帶領大(dà)家(j理通iā)熟悉一下UA的編程規範與開(kāi)發流程（C語言的mai一暗n函數加一個callbak函數）。 六、結語     &nbs數報p;歡迎您和學生們(men)加入FAST開(kāi)源項目群喝動溝通(tōng)與探讨，一起體驗不(bù)一樣的系統設計過程。店西請先加微信号15116127200後邀請入群。 討刀