摘 要：以太網(wǎng)交換機是一種標準的局域網(wǎng)技術(shù)，其通過星型拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各功能的運用。交換機是為兩臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供連接點的一種虛電路，可有效避免數(shù)據(jù)傳輸沖突，進而提高數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送速度。本文從以太網(wǎng)交換機的工作原理及功能入手，提出了基于以太網(wǎng)交換機的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

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

1 以太網(wǎng)交換機的工作原理及功能

1.1 以太網(wǎng)交換機的工作原理

以太網(wǎng)交換機是一種數(shù)據(jù)鏈路層備，可對數(shù)據(jù)包中MAC地址信息進行識別和轉(zhuǎn)發(fā)，并將對應(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，從而獲取某個端口上MAC地址的機器位置；（2）獲取上述內(nèi)容后再對數(shù)據(jù)包中MAC地址進行取讀，查找出與地址表內(nèi)位置相對應(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，系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)包廣播至所有端口，交換機在源機器和目的機器進行回應(yīng)時，確認哪個端口可與目的MAC地址對應(yīng)，在進行下一次的數(shù)據(jù)傳輸時便不用將數(shù)據(jù)包廣播于各個端口。

1.2 以太網(wǎng)交換機的主要功能

以太網(wǎng)交換機類似于一種特殊的計算機，位于OSI模型內(nèi)的第一層，主要包括RAM（隨機存儲器）、CPI（中央處理器）及操作系統(tǒng)。其通過ASIC芯片實現(xiàn)所有端口對交換機速率的并行轉(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)交換機具有以下功能：（1）實現(xiàn)網(wǎng)段內(nèi)通信的隔離。網(wǎng)段是在以太網(wǎng)交換機設(shè)備的作用下劃分而成的小單元，各個網(wǎng)段均通過CSMA/CD的訪問方式完成系統(tǒng)內(nèi)多個用戶的通信交流。該分段方式可實現(xiàn)不同網(wǎng)段上多個用戶的實時消息傳送，且對網(wǎng)絡(luò)速度不造成影響。（2）構(gòu)建更小的沖突域?qū)崿F(xiàn)多個帶寬的提供，以太網(wǎng)內(nèi)交換機內(nèi)的2層MAC地址可向一個及以上端口傳送數(shù)據(jù)報文，進而對過濾通信數(shù)據(jù)。更小沖突域的構(gòu)建可有效實現(xiàn)更多帶寬的提供。

2 基于以太網(wǎng)交換機的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)實現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)硬件支持平臺的構(gòu)建，通過ASIC專用集成電路的專業(yè)傳用芯片對各類業(yè)務(wù)進行處理，以滿足教學(xué)系統(tǒng)硬件實驗及交換機處理性能的要求。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。在硬件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，示意圖見圖1。

2.2 I2C接口、SMI接口及串行接口的設(shè)計

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

軟件層和硬件支持平臺間的通信接口均通過RS232串行通信接口進行連接。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)口的實現(xiàn)

本文采用的RTL8309SC擁有8個10M/100Mbps網(wǎng)口，考慮到產(chǎn)品的設(shè)計性、實用性和直觀性，本文設(shè)計系統(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，在使用過程中出錯率較小，系統(tǒng)內(nèi)部的抗干擾性有所提高。為將各個網(wǎng)口工作狀態(tài)實時提供給學(xué)生用戶，本文設(shè)計出三組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)動設(shè)計

在對硬件特點和功能需求進行分析后，設(shè)計出具有結(jié)構(gòu)化程序的驅(qū)動程序，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中斷后便自動退出。接收中斷方式被運用與串口通信，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，當系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)滿足指定條件時，相對應(yīng)的功能函數(shù)便會被調(diào)動，進而完成功能函數(shù)定義出的相關(guān)功能。各個函數(shù)通過設(shè)置內(nèi)部寄存器完成各種功能的運行，系統(tǒng)會自動保存修改后的系統(tǒng)配置，軟件層在結(jié)束程序前會收到各個執(zhí)行結(jié)果。

3 總結(jié)

本文設(shè)計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，為高校的實驗教學(xué)提供了多種仿真配置方式和界面。以太網(wǎng)交換機教學(xué)在高校計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室中的運用，為學(xué)生的實際操作搭建了一個良好的平臺，具有較強的運用意義和較高的性價比。

[參考文獻]

[1]肖明彥，竇文華.基于以太網(wǎng)交換機平臺的SNMP代理實現(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)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（6）.116-118.