一、概述      交換機是(shì)我們網絡領域應用最爲(wéi / wèi)廣泛的(de)網絡互聯設備，其主要(yào / yāo)功能是(shì)完成各端口之(zhī)間分組的(de)交換功能。交換機僅做分組交換，不(bù)對分組進行任何數據修改。交換機的(de)端口沒有IP與MAC的(de)屬性。端口數據IO一般爲(wéi / wèi)全雙工模式，即可同時(shí)進行分組收發工作。端口速率通常爲(wéi / wèi)10/100/1000M自适應模式，更高速率可支持到(dào)10G、25G、40G、100G和(hé / huò)400G。交換機的(de)端口數量一般大(dà)于(yú)2，小于(yú)64。 二、準備工作      1）二層交換原理
     二層交換的(de)原理是(shì)必須熟知的(de)，網絡基礎課程教材或網絡上(shàng)都能找到(dào)。
     2）Linux系統操作
     我們的(de)開發環境都是(shì)基于(yú)Linux系統，故想要(yào / yāo)在(zài)此學習二層交換機的(de)設計與實現，一些必備的(de)Linux操作方法與常用命令要(yào / yāo)會。推薦《鳥哥私房菜》一書，可網上(shàng)搜索。
     3）C語言編程
     平台開發的(de)編程語言全部是(shì)C語言，這(zhè)也(yě)是(shì)接觸計算機學生通常會學習到(dào)的(de)語言，更是(shì)計算機專業的(de)必學專業課。不(bù)求精通，但求普通，一般的(de)C程序編寫、庫函數調用和(hé / huò)基本打印調試等操作要(yào / yāo)會。
     4）一套OpenBox-S4開發平台
     如題所述，從一開始，便是(shì)從一個(gè)OpenBox-S4開發平台開始，二層交換的(de)實驗和(hé / huò)我們後續所有相關的(de)實驗基本上(shàng)是(shì)構建在(zài)這(zhè)個(gè)開發平台之(zhī)上(shàng)。如果沒有這(zhè)個(gè)平台也(yě)可以(yǐ)學習這(zhè)些實驗的(de)設計與實現過程，隻是(shì)驗證和(hé / huò)測試起來(lái)會麻煩一些。 三、開發平台架構      OpenBox-S4是(shì)我們用來(lái)做實驗開發的(de)平台，平台完成了(le／liǎo)軟硬件數據IO的(de)基本功能，提供規範的(de)軟件UA編程開發模式，讓用戶不(bù)需要(yào / yāo)關心平台如何完成軟硬件數據IO和(hé / huò)系統之(zhī)間的(de)分組調度與轉發功能，可以(yǐ)将全部精力集中在(zài)本身業務系統的(de)設計上(shàng)。所以(yǐ)平台并不(bù)是(shì)本次網絡原理性功能實現的(de)重點，隻是(shì)一個(gè)使用工具。使用該平台需要(yào / yāo)對其有個(gè)基本的(de)了(le／liǎo)解，會簡單的(de)開發編程工作。       1）整體架構      OpenBox是(shì)衡阳小九的(de)主打品牌，該品牌擁有多種不(bù)同型号具體産品。OpenBox-S4是(shì)一款專爲(wéi / wèi)計算機網絡實驗課程打造的(de)軟硬件全功能可編程平台，平台基于(yú)FAST架構實現，是(shì)一種靈活的(de)軟硬件協同方式數據處理模型。整體架構如圖1所示，具體的(de)FAST架構介紹與OpenBox-S4設備平台介紹見《FAST簡介》和(hé / huò)《OpenBox網絡全功能可編程平台：工欲善其事，必先利其器！》。      2）數據格式      在(zài)FAST框架下，硬件模塊之(zhī)間、軟件模塊之(zhī)間和(hé / huò)軟硬件之(zhī)間的(de)交互數據采用統一标準定義格式。格式規定在(zài)完整的(de)以(yǐ)太網數據幀前增加了(le／liǎo)32字節的(de)分組metadata内容，用來(lái)标識分組的(de)輸入端口、長度、輸出(chū)端口、接收時(shí)刻和(hé / huò)流标識等等，具體如表1所示：       3）UA數據處理流程      UA是(shì)用戶應用（User Application），運行在(zài)用戶态的(de)可執行程序。應用程序通過向系統注冊和(hé / huò)硬件規則配置，将符合業務功能要(yào / yāo)求的(de)分組從硬件提取到(dào)軟件，并由FAST架構開發環境的(de)數據路由模塊将該特征數據分發給相應的(de)注冊用戶。程序注冊時(shí)需要(yào / yāo)提交一個(gè)分組處理的(de)回調函數，當系統接收到(dào)本程序的(de)業務分組時(shí)，會主動調用程序的(de)回調函數将分組交付給用戶的(de)業務邏輯處理。用戶處理完分組後可通過系統發送函數将分組轉發給其他(tā)應用模塊（用戶應用UA、普通Socket應用CA、内核應用KA和(hé / huò)硬件應用HA）進行處理。如果是(shì)直接從硬件發送，則分組的(de)發送字段中的(de)dstmid直接填寫HA的(de)編号（硬件發送HA的(de)ID爲(wéi / wèi)5）。      4）編程API      i.注冊UA
     fast_ua_init(mid,callback)：向系統注冊一個(gè)UA，是(shì)UA編程的(de)核心函數。聲明自己的(de)模塊ID号和(hé / huò)接收到(dào)分組後的(de)回調處理函數。
     ii.接收分組
     callback(pkt,len)：開源版本的(de)接收分組不(bù)是(shì)用戶主動請求式方法，爲(wéi / wèi)系統回調方式，即系統接收到(dào)了(le／liǎo)一個(gè)符合UA的(de)模塊ID号的(de)分組後，會在(zài)系統環境調用UA注冊的(de)callback函數，将分組傳遞給該函數進行處理。
     iii.發送分組
     fast_ua_send(pkt,len)：将一個(gè)處理完成的(de)分組發送到(dào)其他(tā)模塊，包括其他(tā)UA、HA、CA或HA。隻需要(yào / yāo)将分組metadata字段中的(de)目的(de)模塊ID号設置爲(wéi / wèi)對應模塊的(de)編号即可。
     iv.規則配置
     FAST的(de)硬件HA中包含查表匹配功能模塊，可以(yǐ)支持硬件規則的(de)配置。規則匹配模塊既可支持細粒度的(de)具體流屬性配置，也(yě)可支持全表默認規則配置。 四、驗證系統二層交換功能      在(zài)開發自己的(de)二層交換機功能之(zhī)前，可以(yǐ)先搭建測試環境，驗證一下系統自帶的(de)二層交換機功能，從其運行輸出(chū)中進一步了(le／liǎo)解交換原理與數據處理流程。       1）構建環境      測試環境至少需要(yào / yāo)一台OpenBox-S4設備、兩台網絡通信測試主機和(hé / huò)一台控制主機，控制主機主要(yào / yāo)用來(lái)連接S4設備，運行系統命令、編寫代碼和(hé / huò)編譯程序等功能。拓撲連接圖如下所示：      2）開發平台操作      S4設備支持串口與網口兩種登錄管理方式，均可使用putty工具連接，工具使用請網上(shàng)搜索。
     平台是(shì)一個(gè)小型Linux主機系統，與普通Linux服務差異不(bù)大(dà)，故在(zài)上(shàng)面的(de)命令操作、代碼修改與編譯，與學生在(zài)虛拟機環境或Linux服務器上(shàng)的(de)操作使用完全一緻。      3）交換驗證      通過串口或網口登錄平台後，直接在(zài)命令行終端輸入命令，即可啓動二層交換機功能。

#l2switch
fastU->REG Version:20180827,OpenBox HW Version:2030200722
FAST UA REG->from pid:902,state:21,mid:129
fastU->Register UA to FAST Kernel! Wait Reply......
fastU->UA->pid:902,mid:129,Register OK!
fastU->libua version:20180827
Create nm08_mac_aging thread OK!
aging[0]->invalid mac:0
fastU->fast_ua_recv......
ID PORT0 PORT1 PORT2 PORT3
0 . . . .
aging[1]->invalid mac:0
ID PORT0 PORT1 PORT2 PORT3
0 . . . .
aging[2]->invalid mac:0

     建議在(zài)平台運行命令時(shí)使用串口方式登錄，斷開連線後，系統命令仍可正常工作，而(ér)且控制主機也(yě)可充當一台網絡測試主機。如果是(shì)網絡連接，必須确保連接網絡的(de)通路持續保持，否則管理網絡斷開後，系統命令也(yě)會随着鏈路斷開而(ér)被停止，導緻系統命令功能無法運行。      4）觀察與分析交換流程      a）端口接收到(dào)一個(gè)分組，在(zài)回調函數中打印輸出(chū)

inport:0,dstmid:129,len:130,dmac:B8:27:EB:C1:D1:39,smac:B8:27:EB:D8:83:20

     b）在(zài)端口0上(shàng)學習到(dào)一個(gè)新MAC地(dì / de)址，存儲在(zài)表項索引爲(wéi / wèi)0的(de)位置

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

     c）根據目的(de)MAC查表，得到(dào)返回結果（－1表示沒有查到(dào)匹配的(de)MAC地(dì / de)址）

find_dmac->ret = -1

     d）泛洪發出(chū)分組，分組輸入端口爲(wéi / wèi)0，4端口設備泛洪到(dào)1，2，3端口輸出(chū)

------pkt_send_flood------
pkt_send_normal->0xb4c00468,outport:1,len:130
pkt_send_normal->0xb4c00468,outport:2,len:130
pkt_send_normal->0xb4c00468,outport:3,len:130

     e）正常發送一個(gè)分組，輸出(chū)端口爲(wéi / wèi)0

pkt_send_normal->0xb4c00468,outport:0,len:130

五、總結與下一步      1）二層交換的(de)數據處理流程
     二層交換的(de)核心是(shì)将一個(gè)端口輸入的(de)分組搬到(dào)另一個(gè)端口輸出(chū)，至于(yú)如何選擇輸出(chū)端口，則需要(yào / yāo)根據分組中的(de)目的(de)MAC地(dì / de)址來(lái)确定。如何知道(dào)一個(gè)目的(de)MAC在(zài)哪個(gè)端口上(shàng)呢？則需要(yào / yāo)在(zài)接收分組的(de)時(shí)候對分組的(de)源MAC進行學習。故二層交換的(de)整體數據處理流程如下：
     1）從端口接收到(dào)一個(gè)分組，攜帶了(le／liǎo)輸入端口号、長度和(hé / huò)完整以(yǐ)太網幀内容；
     2）提取以(yǐ)太網幀的(de)源MAC地(dì / de)址和(hé / huò)輸入端口，保存到(dào)MAC轉發表中；
     3）提取以(yǐ)太網幀的(de)目的(de)MAC地(dì / de)址，到(dào)MAC轉發表中查找，輸出(chū)查表結果；
     4）根據查表結果進行轉發；單播或泛洪發出(chū)。      2）開發平台編程入門      所有實驗内容均在(zài)OpenBox-S4平台進行，其FAST架構的(de)核心優先不(bù)多說(shuō)了(le／liǎo)，主要(yào / yāo)是(shì)該架構下軟件分組與硬件分組格式一緻，軟件邏輯功能實現後可以(yǐ)很方便的(de)卸載到(dào)硬件實現，分組可攜帶metadata數據在(zài)軟硬件模塊之(zhī)間傳遞，保留分組解析狀态與處理狀态。
     OpenBox-S4隻是(shì)一個(gè)我們設計系統的(de)工具，與具體實現網絡原理性功能無關，沒有設備的(de)用戶也(yě)可以(yǐ)在(zài)普通電腦上(shàng)參考本系列分享文章完成二層交換機的(de)設計與實現（僅分組收發有點差異）。下面一篇文章将帶領大(dà)家熟悉一下UA的(de)編程規範與開發流程（C語言的(de)main函數加一個(gè)callbak函數）。 六、結語      歡迎您和(hé / huò)學生們加入FAST開源項目群溝通與探讨，一起體驗不(bù)一樣的(de)系統設計過程。請先加微信号15116127200後邀請入群。