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一、概述      二層交換機的主要功能就是在端口之間搬移分組，當(dāng)然是要根據(jù)正確的目標(biāo)地址來搬移，涉及到以太網(wǎng)幀格式的解析、源和目的MAC地址的提取，MAC表的設(shè)計、查找和老化等等一系列的系統(tǒng)功能實現(xiàn)。我們開始設(shè)計交換機并不考慮那么多，從簡單入手，輕裝上陣，你也許會走得更好。 二、基于端口號的交換與驗證      上一篇文章我們學(xué)會了打印分組的基本信息和將分組發(fā)送到指定端口輸出。今天我們就可以來實現(xiàn)一個簡單的交換功能，完成兩臺主機之間的正常通信了。      1）端口交換      顧名思義，就是只識別判斷端口號就將分組進行交換轉(zhuǎn)發(fā)，先實現(xiàn)一個基于端口的交換功能。固定邏輯只能實現(xiàn)固定的兩個端口交換，我們可以將要交換的兩個端口從程序啟動時作為參數(shù)輸入，這樣就可以在啟動命令時按需要指定要交換的兩個端口參數(shù)了。      增加兩個端口變量的全局定義，并在main函數(shù)的參數(shù)輸入中獲取輸入的值，如：

/*端口交換要使用的兩個全局端口號變量*/
int port1 = 0,port2 = 0;

/*main函數(shù)中添加如下代碼*/
else if(argc == 5)
{
debug = atoi(argv[1]);
mid = atoi(argv[2]);
port1 = atoi(argv[3]);
port2 = atoi(argv[4]);
}

/*callback函數(shù)中添加如下代碼*/
if(pkt->um.inport == port1)
pkt->um.outport = port2;
else
pkt->um.outport = port1;

      2）驗證      編譯代碼并執(zhí)行生成文件命令，觀察打印消息。

root@HNXS:/home/hnxs/l2switch# make
gcc -o ul2switch main_ul2switch.c -lua -lreg -lpthread
root@HNXS:/home/hnxs/l2switch# ./ul2switch 1 130 0 2
fastU->REG Version:20180827,OpenBox HW Version:2020210329
fastU->Register UA to FAST Kernel! Wait Reply......
fastU->UA->pid:2132,mid:130,Register OK!
fastU->libua version:20180827
fastU->fast_ua_recv......
inport:2,dstmid:130,len:92,dmac:FF:FF:FF:FF:FF:FF,smac:B8:27:EB:C1:D1:39
pkt_send_normal->0xb5500470,outport:0,len:92
inport:0,dstmid:130,len:92,dmac:B8:27:EB:C1:D1:39,smac:B8:27:EB:D8:83:20
pkt_send_normal->0xb5500470,outport:2,len:92
inport:2,dstmid:130,len:130,dmac:B8:27:EB:D8:83:20,smac:B8:27:EB:C1:D1:39
pkt_send_normal->0xb5500470,outport:0,len:130
inport:2,dstmid:130,len:130,dmac:B8:27:EB:D8:83:20,smac:B8:27:EB:C1:D1:39
pkt_send_normal->0xb5500470,outport:0,len:130

     同時，在一個測試主機上ping另一臺測試主機的IP，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)ping通了。

64 bytes from 192.168.2.117: icmp_seq=10 ttl=64 time=2.02 ms
64 bytes from 192.168.2.117: icmp_seq=11 ttl=64 time=0.742 ms
64 bytes from 192.168.2.117: icmp_seq=12 ttl=64 time=0.597 ms

     3）思考      從上述交換打印分析，前兩個報文應(yīng)該是ARP分組，32字節(jié)metadata加60字節(jié)以太幀數(shù)據(jù)。第1個是廣播請求，第2個是單播應(yīng)答。第3和第4個報文就是第1組ping的交互數(shù)據(jù)了，標(biāo)準(zhǔn)ping的98字節(jié)（130－32＝98）。
     先不往大了說，至少我們前面添加了幾行代碼就實現(xiàn)了我們的一個最基本的原型交換了，如果要換端口測試，只需要在啟動命令時更改相應(yīng)的端口號參數(shù)就行了。那交換機端口多了，用戶多了之后呢？我們豈不是要不斷回來的啟動程序和設(shè)置端口來保證他們通信呢？這是不是跟解放前的電話接線員工作有點類似？接線員接到電話后，先要詢問打電話的人要打給誰，然后再把線給連過去。當(dāng)然，原來的電話通信與分組交換還是有些較大區(qū)別，只是類比一下，不擴展細說。 三、基于MAC地址交換與驗證       在分組交換的頭部攜帶有該分組要去往的目的地址，我們管他叫目的MAC地址。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，任意一個通信終端都必須具備一個唯一的MAC地址，用作通信內(nèi)容標(biāo)識。在基于端口交換的基礎(chǔ)上，我們也可以很容易的實現(xiàn)一個基于MAC地址的簡單交換功能。至于為什么選目的MAC作為交換判斷參數(shù)，大家細想肯定能明白。       1）MAC交換      根據(jù)以太網(wǎng)幀格式定義，從分組頭部位置提取目的MAC作為判斷參數(shù)，實現(xiàn)一個基于MAC地址的交換功能。既然要根據(jù)目的MAC地址來做轉(zhuǎn)發(fā)，我們需要知道哪一個MAC地址的主機連接在交換機的哪一個端口上面，假設(shè)我們已經(jīng)獲取了這些信息如下：

主機MAC地址：B8:27:EB:D8:83:20，交換機端口：0
主機MAC地址：B8:27:EB:C1:D1:39，交換機端口：2

替換原來端口交換的邏輯代碼，替換代碼如下：

/*新增兩個MAC的內(nèi)存格式定義，與S4平臺（ARM）相關(guān)哦*/
u64 mac1 = 0x2083D8EB27B8,mac2 = 0x39D1C1EB27B8;

/*注釋原來端口轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，添加MAC轉(zhuǎn)發(fā)邏輯*/
if(!ether_addr_equal(pkt->data,(u8 *)&mac1))
pkt->um.outport = 0;
else if(!ether_addr_equal(pkt->data,(u8 *)&mac2))
pkt->um.outport = 2;

     ether_addr_equal函數(shù)是判斷兩個MAC地址是否相等，詳情參閱代碼。
     兩個MAC地址的定義準(zhǔn)確來說要根據(jù)MAC的順序方式表示后再做網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換，為簡化邏輯和方便驗證，直接定義成了小端平臺下反序方式，這樣正好跟網(wǎng)絡(luò)序的MAC地址對比相等。關(guān)于平臺數(shù)據(jù)的大小端的問題或主機序與網(wǎng)絡(luò)序問題，請網(wǎng)上搜索學(xué)習(xí)。
     2）驗證 編譯代碼并執(zhí)行生成文件命令，觀察打印消息。

root@HNXS:/home/hnxs/l2switch# make
gcc -o ul2switch main_ul2switch.c -lua -lreg -lpthread
root@HNXS:/home/hnxs/l2switch# ./ul2switch
fastU->REG Version:20180827,OpenBox HW Version:2020210329
fastU->Register UA to FAST Kernel! Wait Reply......
fastU->UA->pid:2255,mid:129,Register OK!
fastU->libua version:20180827
fastU->fast_ua_recv......
inport:0,dstmid:129,len:92,dmac:FF:FF:FF:FF:FF:FF,smac:B8:27:EB:D8:83:20
pkt_send_normal->0xb5400470,outport:0,len:92
inport:0,dstmid:129,len:92,dmac:FF:FF:FF:FF:FF:FF,smac:B8:27:EB:D8:83:20
pkt_send_normal->0xb5400470,outport:0,len:92
inport:0,dstmid:129,len:92,dmac:FF:FF:FF:FF:FF:FF,smac:B8:27:EB:D8:83:20
pkt_send_normal->0xb5400470,outport:0,len:92

     同時，在2端口測試主機上ping另一臺測試主機的IP，發(fā)現(xiàn)ping不通哦。這是因為我們現(xiàn)在的邏輯沒有考慮ARP廣播MAC地址的處理邏輯，導(dǎo)致其無法正常轉(zhuǎn)發(fā)。本節(jié)暫不處理廣播的泛洪轉(zhuǎn)發(fā)功能，后續(xù)文章中與組播一起討論。
     那如何讓兩邊主機不發(fā)ARP廣播直接發(fā)ping的分組呢？了解網(wǎng)絡(luò)通信原理的人都知道，這個廣播是在ping之前發(fā)出的MAC地址學(xué)習(xí)分組，如果沒有學(xué)習(xí)到對端的MAC地址，則ping的分組無法完成二層協(xié)議的封裝，無法從協(xié)議棧發(fā)出。使用如下命令分別在兩臺主機上進行對端IP與對端MAC的靜態(tài)綁定設(shè)置，ping的分組便能正常發(fā)出了。

/*192.168.2.115主機執(zhí)行*/
#arp –s 192.168.2.117 b8:27:eb:d8:83:20
/*192.168.2.117主機執(zhí)行*/
#arp –s 192.168.2.115 b8:27:eb:c1:d1:39

     現(xiàn)在，在任意一臺主機上執(zhí)行ping均能可以看到ping通了。      3）思考      我們現(xiàn)在終于可以根據(jù)主機的MAC地址來進行分組交換轉(zhuǎn)發(fā)了，但這只是兩臺主機的固定交換轉(zhuǎn)發(fā)，如果機器MAC多了怎么辦？如果機器連接交換機的端口變了怎么辦？我們需要有一張記錄表，能夠記錄哪個MAC地址在哪個端口就好了，通過每個分組的目的MAC來查找其對應(yīng)的輸出端口，這樣就很容易實現(xiàn)分組交換了。 四、總結(jié)與下一步      1）交換過程的核心數(shù)據(jù)字段      從上述實驗可以看出，目前交換里面用到的就兩個字段，一個是端口號，另一個是MAC地址。那目的MAC地址與輸出端口號從哪獲得？其實就是從分組頭的源MAC地址和輸入端口轉(zhuǎn)換變成目的MAC和輸出端口。故在交換過程中，其核心數(shù)據(jù)就2個：端口號和MAC地址。      2）MAC轉(zhuǎn)發(fā)表設(shè)計與驗證      MAC轉(zhuǎn)發(fā)表就是我們前面提到的記錄表，這張表記錄了一個MAC地址與其對應(yīng)端口號的綁定關(guān)系，這一關(guān)系要從輸入分組數(shù)據(jù)中提取而來，由分組的輸入端口與源MAC地址組成這一綁定關(guān)系，在查表中便可通過目的MAC來獲取其正確的輸出端口了。下一篇文章我們聊一下MAC轉(zhuǎn)發(fā)表的設(shè)計。 五、結(jié)語       歡迎您和學(xué)生們加入FAST開源項目群溝通與探討，一起體驗不一樣的系統(tǒng)設(shè)計過程。請先加微信號15116127200后邀請入群。