二層交換機(jī)原型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（四）
發(fā)布時(shí)間：2021-05-17
一、概述
MAC轉(zhuǎn)發(fā)表是二層交換機(jī)原型中的核心內(nèi)容，所有的數(shù)據(jù)操作都是圍繞這張表而來(lái)。前一篇文章中講到了該表涉及的兩個(gè)核心字段：端口號(hào)與MAC地址。本篇文章專(zhuān)門(mén)講解一下該MAC轉(zhuǎn)發(fā)表的設(shè)計(jì)與表的操作方法。
二、MAC轉(zhuǎn)發(fā)表的設(shè)計(jì)
MAC轉(zhuǎn)發(fā)表的設(shè)計(jì)我們還是遵循漸進(jìn)式的方法，從最基本的字段開(kāi)始，根據(jù)需要再逐步增加。
1）字段設(shè)計(jì)
從前一篇文章分析，對(duì)于MAC轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)說(shuō)，其核心字段就2個(gè)：端口號(hào)和MAC地址，故我們對(duì)其字段的設(shè)計(jì)也就采用此二元數(shù)據(jù)。交換機(jī)的端口號(hào)一般不超過(guò)64，故用char（8位）類(lèi)型定義即可，MAC地址的位寬為48位，可定義為6個(gè)字節(jié)數(shù)組。一般在協(xié)議字段中或以協(xié)議字段作為字段的表結(jié)構(gòu)定義中，采用無(wú)符號(hào)類(lèi)型做定義，這樣方便數(shù)據(jù)與或運(yùn)算，也方便硬件移植。字段數(shù)據(jù)類(lèi)型的定義一般也建議重定義為簡(jiǎn)寫(xiě)方式，在讀寫(xiě)代碼時(shí)，更好理解和把握數(shù)據(jù)是否溢出、越界等。
數(shù)據(jù)類(lèi)型重定義如下：
typedef unsigned char u8;
2）表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很多方式可選，如數(shù)組、多維數(shù)組、單向鏈表、雙向鏈表和樹(shù)結(jié)構(gòu)等。在原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，因?yàn)楸斫Y(jié)構(gòu)定義會(huì)影響到整個(gè)代碼實(shí)現(xiàn)，且需要考慮將來(lái)硬件卸載的便捷性，所以我們一般建議采用較為簡(jiǎn)單的表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。又因?yàn)槊織l表項(xiàng)的大小是固定空間，所以采用數(shù)組的形式是較優(yōu)的選擇。
先定義一條表項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
struct row_port_mac
補(bǔ)充對(duì)齊：上述表項(xiàng)一條寬度為7個(gè)字節(jié)，如此按數(shù)組形式組織的話(huà)，則會(huì)讓mac字段在非內(nèi)存對(duì)齊位置出現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)比較時(shí)需要兩次對(duì)比。若是跨了CacheLine，則會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的時(shí)間損耗。具體原因請(qǐng)網(wǎng)上搜索“內(nèi)存對(duì)齊”深入學(xué)習(xí)。我們建議在定義數(shù)組項(xiàng)的時(shí)候一定按照8字節(jié)倍數(shù)對(duì)齊方式來(lái)定義，若小于8字節(jié)，則補(bǔ)充為8；若多于8，則再多補(bǔ)充直到成為8的倍數(shù)（特別說(shuō)明，這是針對(duì)數(shù)組定義要求，不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)分析會(huì)有不同的優(yōu)化定義方法）。
再定義整張表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
#define OBX_MAC_MAX 128/*系統(tǒng)最多支持128條MAC表項(xiàng)*/
3）表操作方法設(shè)計(jì)
表的方法主要是指對(duì)表的操作，通常包括表項(xiàng)的增、刪、改和查四個(gè)動(dòng)作。這些表動(dòng)作的設(shè)計(jì)與表的結(jié)構(gòu)定義和表的數(shù)據(jù)操作方法相關(guān)，可以利用對(duì)表數(shù)據(jù)的操作進(jìn)行優(yōu)化和精簡(jiǎn)。如在二維數(shù)據(jù)中進(jìn)行任何操作，都得先把表遍歷一次，找到空位才能增加，找到對(duì)應(yīng)的內(nèi)容項(xiàng)才能修改和刪除。
根據(jù)二層交換的數(shù)據(jù)處理流程分析，在源MAC的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)習(xí)到一個(gè)新MAC地址需要進(jìn)行增加表項(xiàng)操作，若已經(jīng)學(xué)習(xí)到的MAC地址發(fā)生了端口遷移，則需要更新其端口信息。在目的MAC查表過(guò)程中是一個(gè)單純的MAC地址查找過(guò)程。MAC表項(xiàng)的刪除一般發(fā)生在MAC表老化的時(shí)候，后面文章單獨(dú)講。
三、MAC表功能方法設(shè)計(jì)
結(jié)合前面的表方法設(shè)計(jì)和二層交換的數(shù)據(jù)處理邏輯，我們暫將MAC轉(zhuǎn)發(fā)表的方法定義為兩個(gè)：一是源MAC學(xué)習(xí)；二是目的MAC查找。
1）源MAC學(xué)習(xí)
源MAC學(xué)習(xí)是指將一個(gè)輸入分組的源MAC地址學(xué)習(xí)并保存到MAC轉(zhuǎn)發(fā)表中。若MAC轉(zhuǎn)發(fā)表中不存在該源MAC地址信息，則找一個(gè)空白位置存儲(chǔ)。若MAC轉(zhuǎn)發(fā)表中已有該地址信息，則刷新（覆蓋）其端口號(hào)信息。在查找源MAC地址是否存在時(shí)，同時(shí)查找空閑表項(xiàng)位置，這樣只用遍歷一次表，即可完成兩件事情。另外就是查找到源MAC地址后，立即刷新其端口號(hào)，可以判斷并打印顯示，該MAC地址是否發(fā)生了端口轉(zhuǎn)移。
2）目的MAC查找
目的MAC的查找，其目的是為了獲得查找MAC對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，查表結(jié)果有兩種情況，一是查找到了，返回對(duì)應(yīng)的端口號(hào)信息；二是沒(méi)有查找到，則不能返回正常端口數(shù)據(jù)，需要使用特殊返回值表示，如-1。
四、總結(jié)與下一步
1）查表設(shè)計(jì)
MAC轉(zhuǎn)發(fā)表的方法設(shè)計(jì)為什么把二層交換的功能和表操作混在了一起？因?yàn)樵诙咏粨Q中，其核心數(shù)據(jù)處理流程就是針對(duì)MAC轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行的一系列數(shù)據(jù)查找、存儲(chǔ)和更新動(dòng)作。按照其邏輯處理方式來(lái)設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生更好理解MAC表的操作流程與細(xì)節(jié)。
在邏輯設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們需要針對(duì)一些特定功能進(jìn)行抽象、模塊化，比如表的四操作。但在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，其本身的邏輯處理也就是對(duì)表的內(nèi)容進(jìn)行處理，以數(shù)據(jù)流程為主線進(jìn)行設(shè)計(jì)比純模塊化的分層設(shè)計(jì)更容易讓學(xué)生掌握交換的處理過(guò)程。模塊化和分層可以放到后期優(yōu)化階段。
表操作的方法也并不一定要馬上全部實(shí)現(xiàn)，根據(jù)邏輯的需要逐個(gè)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也會(huì)不斷修改完善。
2）MAC地址學(xué)習(xí)與查表實(shí)現(xiàn)
MAC地址的學(xué)習(xí)與查找是二層交換的核心，特別是MAC地址學(xué)習(xí)，如何設(shè)計(jì)快速、高效的學(xué)習(xí)方法，取決于我們對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程的深度理解與優(yōu)化迭代。下一篇文章中會(huì)給出一種具體的實(shí)現(xiàn)方法供大家參考。
五、結(jié)語(yǔ)
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