交換機(jī)柔性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

譚敏生，何嘯峰，曾 瓊，陳 虹，夏石瑩

(南華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

柔性，是能夠根據(jù)環(huán)境變化而進(jìn)行響應(yīng)的一種能力，它的特征是彈性和適應(yīng)性。柔性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可組合、可選擇、自適應(yīng)等特點(diǎn)。交換機(jī)是非常重要的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用真實(shí)物理設(shè)備進(jìn)行交換機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然有利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力。但由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，交換機(jī)的型號(hào)繁多，部分交換機(jī)的價(jià)格昂貴，眾多學(xué)生的重復(fù)實(shí)驗(yàn)容易損壞設(shè)備；更為重要的是大多數(shù)高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新難以跟上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的步伐。因此，研究交換機(jī)等核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的柔性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)十分必要。

1 國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，可以分為以純軟件方式設(shè)計(jì)和以軟硬件結(jié)合方式設(shè)計(jì)兩種，以純軟件方式設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是使用HTML、Java、Java Servlet、ASP 等技術(shù)。美國(guó)一所大學(xué)開發(fā)的Nmrscope 系統(tǒng)，學(xué)生只要連接上網(wǎng)絡(luò)就可以無(wú)地點(diǎn)和時(shí)間限制使用這個(gè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器。王建新等人設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)基于Internet的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，服務(wù)器使用Matlab 的OLE Automation，客戶端使用JavaBean容器和組件，設(shè)備通過(guò)JavaBean 組件設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)中的儀器設(shè)備，用戶可以在瀏覽器中組合相應(yīng)的組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。Cao J 等人提出了一個(gè)用于編程的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，客戶端使用HTML 和JavaApplet開發(fā)，服務(wù)器端使用CGI和Java Servlet開發(fā)，用戶首先在客戶端界面輸入需要編譯的代碼，把輸入的代碼及請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收到客戶端的請(qǐng)求后，利用語(yǔ)言編譯器進(jìn)行編譯，將編譯結(jié)果發(fā)送給客戶端。Khalifa 等人開發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬了一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)和幾臺(tái)Linux 系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，用戶輸入Linux 相關(guān)命令，服務(wù)器把交換機(jī)和計(jì)算機(jī)輸出的結(jié)果發(fā)送給用戶。蘇培華研發(fā)的基于B/S 架構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以動(dòng)手進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而且具有記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果、學(xué)生上交作業(yè)、教師下發(fā)批閱等功能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教師的交互。謝慧提出了利用NS2 創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。思科公司發(fā)布的Cisco Packet Tracer 為用戶提供了一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，讓用戶可以模擬設(shè)計(jì)和配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，排除網(wǎng)絡(luò)故障，查看數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的處理過(guò)程。

2 系統(tǒng)主要類的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)幀類（Ether類）

設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)幀類用于封裝計(jì)算機(jī)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀，包含源MAC 地址（source_mac_add）、目的MAC 地址（dest_mac_add）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（data_len）、數(shù)據(jù)（data）及校驗(yàn)和（data_crc）等屬性。

2.2 端口類（Port類）

交換機(jī)、計(jì)算機(jī)有很多連接端口，需要設(shè)計(jì)Port類。Port 類包含鏈表（datalist）、端口號(hào)（id、）端口狀態(tài)（state）等屬性。

2.3 鏈表類（DataList類）

交換機(jī)內(nèi)部存在一個(gè)地址表，數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)端口和交換機(jī)端口，需要一個(gè)鏈表類用于將地址表存儲(chǔ)至鏈表中進(jìn)行地址表的增刪查改操作，將數(shù)據(jù)幀緩存到鏈表中。DataList 類包含把數(shù)據(jù)幀加到鏈表頭部（add_to_start()）、把數(shù)據(jù)幀加到鏈表尾部（add_to_end()）、把數(shù)據(jù)幀加到第i個(gè)幀之后（insert()）、刪除鏈表中所有節(jié)點(diǎn)（deleteall()）等方法。

2.4 交換機(jī)類（Switcher類）

DataList 類包含地址表（add_table）、檢測(cè)交換機(jī)端口是否接收到數(shù)據(jù)（check()）、檢查接收到的數(shù)據(jù)中校驗(yàn)和是否有效（checkdatacrc()）、打印地址表（print_add_table()）、把源MAC地址及其端口號(hào)添加到地址表（write_table()）、發(fā)送數(shù)據(jù)幀（broadcast()）、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀（reward()）等屬性和方法。

2.5 計(jì)算機(jī)類（Computer類）

Computer 類包含MAC 地址（mac_address）、設(shè)置計(jì)算機(jī)mac 地址（setcmacaddress()）、設(shè)置與交換機(jī)連接的端口號(hào)（setcid()）、存儲(chǔ)交換機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)（recv()）、將數(shù)據(jù)發(fā)送給交換機(jī)（send()）等屬性和方法。

3 系統(tǒng)核心功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 端口檢測(cè)

檢測(cè)交換機(jī)的所有端口是否有數(shù)據(jù)輸入，如果檢測(cè)端口接收到數(shù)據(jù)，在結(jié)果顯示框中顯示“交換機(jī)端口檢測(cè)到數(shù)據(jù)輸入”，如果檢測(cè)端口沒有數(shù)據(jù)輸入，在結(jié)果顯示框中顯示“交換機(jī)端口未檢測(cè)到數(shù)據(jù)輸入”。

調(diào)用Switcher類中的check方法，判斷交換機(jī)端口是否有數(shù)據(jù)輸入，代碼片段如下：

3.2 校驗(yàn)和檢查

檢查數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和是否有效，如果該數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和有效，在結(jié)果顯示框中顯示“該數(shù)據(jù)有效”，否則顯示“該數(shù)據(jù)幀無(wú)效”。

調(diào)用Ether 類中的data_crc 屬性，判斷數(shù)據(jù)幀是否有效，代碼片段如下：

3.3 數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)

先檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的源MAC 地址是否在交換機(jī)地址表中，若不在，則在結(jié)果顯示框中顯示“存儲(chǔ)成功”。

調(diào)用Switcher 類中的add_table 屬性和Ether 類的source_mac_address 屬性找到數(shù)據(jù)幀源端口，再調(diào)用Switcher 類的write_table 方法，將數(shù)據(jù)幀源MAC 地址添加到交換機(jī)的地址表中，代碼片段如下：

3.4 數(shù)據(jù)幀發(fā)送

首先調(diào)用Computer類的mac_address屬性和Ether類的source_mac_address 屬性，找到與源主機(jī)相連的交換機(jī)端口，再調(diào)用Computer類的send方法將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到該端口，代碼片段如下：

3.5 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)

如果檢測(cè)到目的MAC 地址不在地址表中，就將接收到的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至其他所有端口。如果檢測(cè)到目的MAC 地址在地址表中，就按照交換機(jī)的地址表轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀到相應(yīng)端口。

調(diào)用Switcher 類中的reward 方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，代碼片段如下：

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的交換機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了端口檢測(cè)、校驗(yàn)和檢查、數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)幀發(fā)送、數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)等交換機(jī)的核心虛擬實(shí)驗(yàn)功能，下一步將研究三層交換機(jī)路由、IP 地址設(shè)置、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)文檔等虛擬實(shí)驗(yàn)功能。