一、概述
二層交換機(jī)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(lái)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(jì)、查找和老化等等一系列的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。我們開始設(shè)計(jì)交換機(jī)并不考慮那么多，從簡(jiǎn)單入手，輕裝上陣，你也許會(huì)走得更好。
二、基于端口號(hào)的交換與驗(yàn)證
上一篇文章我們學(xué)會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的交換功能，完成兩臺(tái)主機(jī)之間的正常通信了。
1）端口交換
顧名思義，就是只識(shí)別判斷端口號(hào)就將分組進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā)，先實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于端口的交換功能。固定邏輯只能實(shí)現(xiàn)固定的兩個(gè)端口交換，我們可以將要交換的兩個(gè)端口從程序啟動(dòng)時(shí)作為參數(shù)輸入，這樣就可以在啟動(dòng)命令時(shí)按需要指定要交換的兩個(gè)端口參數(shù)了。
增加兩個(gè)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(gè)全局端口號(hào)變量*/
/*main函數(shù)中添加如下代碼*/
/*callback函數(shù)中添加如下代碼*/
2）驗(yàn)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
同時(shí)，在一個(gè)測(cè)試主機(jī)上ping另一臺(tái)測(cè)試主機(jī)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
3）思考
從上述交換打印分析，前兩個(gè)報(bào)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(gè)是廣播請(qǐng)求，第2個(gè)是單播應(yīng)答。第3和第4個(gè)報(bào)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(shuō)，至少我們前面添加了幾行代碼就實(shí)現(xiàn)了我們的一個(gè)最基本的原型交換了，如果要換端口測(cè)試，只需要在啟動(dòng)命令時(shí)更改相應(yīng)的端口號(hào)參數(shù)就行了。那交換機(jī)端口多了，用戶多了之后呢？我們豈不是要不斷回來(lái)的啟動(dòng)程序和設(shè)置端口來(lái)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(diǎn)類似？接線員接到電話后，先要詢問(wèn)打電話的人要打給誰(shuí)，然后再把線給連過(guò)去。當(dāng)然，原來(lái)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(kuò)展細(xì)說(shuō)。
三、基于MAC地址交換與驗(yàn)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(gè)通信終端都必須具備一個(gè)唯一的MAC地址，用作通信內(nèi)容標(biāo)識(shí)。在基于端口交換的基礎(chǔ)上，我們也可以很容易的實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于MAC地址的簡(jiǎn)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(xì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)基于MAC地址的交換功能。既然要根據(jù)目的MAC地址來(lái)做轉(zhuǎn)發(fā)，我們需要知道哪一個(gè)MAC地址的主機(jī)連接在交換機(jī)的哪一個(gè)端口上面，假設(shè)我們已經(jīng)獲取了這些信息如下：
主機(jī)MAC地址：B8:27:EB:D8:83:20，交換機(jī)端口：0
替換原來(lái)端口交換的邏輯代碼，替換代碼如下：
/*新增兩個(gè)MAC的內(nèi)存格式定義，與S4平臺(tái)（ARM）相關(guān)哦*/
/*注釋原來(lái)端口轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，添加MAC轉(zhuǎn)發(fā)邏輯*/
ether_addr_equal函數(shù)是判斷兩個(gè)MAC地址是否相等，詳情參閱代碼。
兩個(gè)MAC地址的定義準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)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(jiǎn)化邏輯和方便驗(yàn)證，直接定義成了小端平臺(tái)下反序方式，這樣正好跟網(wǎng)絡(luò)序的MAC地址對(duì)比相等。關(guān)于平臺(tái)數(shù)據(jù)的大小端的問(wèn)題或主機(jī)序與網(wǎng)絡(luò)序問(wèn)題，請(qǐng)網(wǎng)上搜索學(xué)習(xí)。
2）驗(yàn)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
同時(shí)，在2端口測(cè)試主機(jī)上ping另一臺(tái)測(cè)試主機(jī)的IP，發(fā)現(xiàn)ping不通哦。這是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在的邏輯沒(méi)有考慮ARP廣播MAC地址的處理邏輯，導(dǎo)致其無(wú)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(jī)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(gè)廣播是在ping之前發(fā)出的MAC地址學(xué)習(xí)分組，如果沒(méi)有學(xué)習(xí)到對(duì)端的MAC地址，則ping的分組無(wú)法完成二層協(xié)議的封裝，無(wú)法從協(xié)議棧發(fā)出。使用如下命令分別在兩臺(tái)主機(jī)上進(jìn)行對(duì)端IP與對(duì)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(jī)執(zhí)行*/
現(xiàn)在，在任意一臺(tái)主機(jī)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(jī)的MAC地址來(lái)進(jìn)行分組交換轉(zhuǎn)發(fā)了，但這只是兩臺(tái)主機(jī)的固定交換轉(zhuǎn)發(fā)，如果機(jī)器MAC多了怎么辦？如果機(jī)器連接交換機(jī)的端口變了怎么辦？我們需要有一張記錄表，能夠記錄哪個(gè)MAC地址在哪個(gè)端口就好了，通過(guò)每個(gè)分組的目的MAC來(lái)查找其對(duì)應(yīng)的輸出端口，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)分組交換了。
四、總結(jié)與下一步
1）交換過(guò)程的核心數(shù)據(jù)字段
從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，目前交換里面用到的就兩個(gè)字段，一個(gè)是端口號(hào)，另一個(gè)是MAC地址。那目的MAC地址與輸出端口號(hào)從哪獲得？其實(shí)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(guò)程中，其核心數(shù)據(jù)就2個(gè)：端口號(hào)和MAC地址。
2）MAC轉(zhuǎn)發(fā)表設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(gè)MAC地址與其對(duì)應(yīng)端口號(hào)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(lái)，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(guò)目的MAC來(lái)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(jì)。
五、結(jié)語(yǔ)
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