基于以太網(wǎng)交換機(jī)的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：以太網(wǎng)交換機(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)技術(shù)，其通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各功能的運(yùn)用。交換機(jī)是為兩臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供連接點(diǎn)的一種虛電路，可有效避免數(shù)據(jù)傳輸沖突，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送速度。本文從以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理及功能入手，提出了基于以太網(wǎng)交換機(jī)的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)交換機(jī)；仿真教學(xué)；系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；研究

1 以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理及功能

1.1 以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理

以太網(wǎng)交換機(jī)是一種數(shù)據(jù)鏈路層備，可對(duì)數(shù)據(jù)包中MAC地址信息進(jìn)行識(shí)別和轉(zhuǎn)發(fā)，并將對(duì)應(yīng)的端口和MAC地址記錄在內(nèi)部的地址表內(nèi)。工作流程見下文：（1）某個(gè)端口在接收數(shù)據(jù)包后開始取讀該數(shù)據(jù)包內(nèi)的源MAC地址，從而獲取某個(gè)端口上MAC地址的機(jī)器位置；（2）獲取上述內(nèi)容后再對(duì)數(shù)據(jù)包中MAC地址進(jìn)行取讀，查找出與地址表內(nèi)位置相對(duì)應(yīng)的端口；（3）系統(tǒng)將數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到符合MAC地址的端口上；（4）將為尋找到符合地址表內(nèi)數(shù)據(jù)的端口時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)包廣播至所有端口，交換機(jī)在源機(jī)器和目的機(jī)器進(jìn)行回應(yīng)時(shí)，確認(rèn)哪個(gè)端口可與目的MAC地址對(duì)應(yīng)，在進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)便不用將數(shù)據(jù)包廣播于各個(gè)端口。

1.2 以太網(wǎng)交換機(jī)的主要功能

以太網(wǎng)交換機(jī)類似于一種特殊的計(jì)算機(jī)，位于OSI模型內(nèi)的第一層，主要包括RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、CPI（中央處理器）及操作系統(tǒng)。其通過ASIC芯片實(shí)現(xiàn)所有端口對(duì)交換機(jī)速率的并行轉(zhuǎn)發(fā)，較二層利用軟件的轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)橋速度較快。以太網(wǎng)交換機(jī)具有以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)段內(nèi)通信的隔離。網(wǎng)段是在以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備的作用下劃分而成的小單元，各個(gè)網(wǎng)段均通過CSMA/CD的訪問方式完成系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)用戶的通信交流。該分段方式可實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段上多個(gè)用戶的實(shí)時(shí)消息傳送，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度不造成影響。（2）構(gòu)建更小的沖突域?qū)崿F(xiàn)多個(gè)帶寬的提供，以太網(wǎng)內(nèi)交換機(jī)內(nèi)的2層MAC地址可向一個(gè)及以上端口傳送數(shù)據(jù)報(bào)文，進(jìn)而對(duì)過濾通信數(shù)據(jù)。更小沖突域的構(gòu)建可有效實(shí)現(xiàn)更多帶寬的提供。

2 基于以太網(wǎng)交換機(jī)的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 教學(xué)系統(tǒng)的硬件功能模塊分解

本文采用MCU+ASIC體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)硬件支持平臺(tái)的構(gòu)建，通過ASIC專用集成電路的專業(yè)傳用芯片對(duì)各類業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，以滿足教學(xué)系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)及交換機(jī)處理性能的要求。微處理器單元（MCU）的使用可管理教學(xué)系統(tǒng)和通訊各軟件層。該仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)成本預(yù)算的較低，開發(fā)周期適中，具有簡單、便捷的特點(diǎn)。在硬件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，示意圖見圖1。

2.2 I2C接口、SMI接口及串行接口的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)合運(yùn)用了Strapping Pins和EEPROM的初始化配置，使Strapping Pins配置在跳線組的設(shè)置下，通過一個(gè)或多個(gè)管教組合完成直觀教學(xué)效果的表達(dá)。

軟件層和硬件支持平臺(tái)間的通信接口均通過RS232串行通信接口進(jìn)行連接。RS232串行口是一種9針異步串行的通信接口，軟件層在解析和轉(zhuǎn)換后的指令均由RS232串行口接收，接收完畢后再將執(zhí)行結(jié)果傳送至軟件層。

2.3 外部接口10M/100Mbps網(wǎng)口的實(shí)現(xiàn)

本文采用的RTL8309SC擁有8個(gè)10M/100Mbps網(wǎng)口，考慮到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性、實(shí)用性和直觀性，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接口采用的是雙層RJ45 71 F-1201GYD2NL。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，此產(chǎn)品的較傳統(tǒng)的分離網(wǎng)格變壓器而言，具有較高的可靠性，在使用過程中出錯(cuò)率較小，系統(tǒng)內(nèi)部的抗干擾性有所提高。為將各個(gè)網(wǎng)口工作狀態(tài)實(shí)時(shí)提供給學(xué)生用戶，本文設(shè)計(jì)出三組LED顯示出鏈接/通信（Link/ACT）、雙工/沖突（Duplex/Collision）和顯示端口速度的多組合方式。

2.4 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在對(duì)硬件特點(diǎn)和功能需求進(jìn)行分析后，設(shè)計(jì)出具有結(jié)構(gòu)化程序的驅(qū)動(dòng)程序，將C語言作為開發(fā)語言，低功耗模式0表示為LPM 0，其中LPM 0中斷后便自動(dòng)退出。接收中斷方式被運(yùn)用與串口通信，其中終端處理程序流程圖見表2。

將處理程序中的主體結(jié)構(gòu)設(shè)定為Switch語句，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)滿足指定條件時(shí)，相對(duì)應(yīng)的功能函數(shù)便會(huì)被調(diào)動(dòng)，進(jìn)而完成功能函數(shù)定義出的相關(guān)功能。各個(gè)函數(shù)通過設(shè)置內(nèi)部寄存器完成各種功能的運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存修改后的系統(tǒng)配置，軟件層在結(jié)束程序前會(huì)收到各個(gè)執(zhí)行結(jié)果。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)和研究出的仿真教學(xué)系統(tǒng)符合高校的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備教學(xué)要求，為高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了多種仿真配置方式和界面。以太網(wǎng)交換機(jī)教學(xué)在高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中的運(yùn)用，為學(xué)生的實(shí)際操作搭建了一個(gè)良好的平臺(tái)，具有較強(qiáng)的運(yùn)用意義和較高的性價(jià)比。

[參考文獻(xiàn)]

[1]肖明彥，竇文華.基于以太網(wǎng)交換機(jī)平臺(tái)的SNMP代理實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2000，40（4）：99-103.

[2]張偉華，魏仲慧，何昕.嵌入式通用千兆以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（6）.116-118.