基于以太網交換機的仿真教學系統的設計與實現

摘 要：以太網交換機是一種標準的局域網技術，其通過星型拓撲結構實現各功能的運用。交換機是為兩臺聯網設備提供連接點的一種虛電路，可有效避免數據傳輸沖突，進而提高數據的網絡傳送速度。本文從以太網交換機的工作原理及功能入手，提出了基于以太網交換機的仿真教學系統的設計與實現。

關鍵詞：以太網交換機；仿真教學；系統；硬件設計；研究

1 以太網交換機的工作原理及功能

1.1 以太網交換機的工作原理

以太網交換機是一種數據鏈路層備，可對數據包中MAC地址信息進行識別和轉發，并將對應的端口和MAC地址記錄在內部的地址表內。工作流程見下文：（1）某個端口在接收數據包后開始取讀該數據包內的源MAC地址，從而獲取某個端口上MAC地址的機器位置；（2）獲取上述內容后再對數據包中MAC地址進行取讀，查找出與地址表內位置相對應的端口；（3）系統將數據包直接復制到符合MAC地址的端口上；（4）將為尋找到符合地址表內數據的端口時，系統會將數據包廣播至所有端口，交換機在源機器和目的機器進行回應時，確認哪個端口可與目的MAC地址對應，在進行下一次的數據傳輸時便不用將數據包廣播于各個端口。

1.2 以太網交換機的主要功能

以太網交換機類似于一種特殊的計算機，位于OSI模型內的第一層，主要包括RAM（隨機存儲器）、CPI（中央處理器）及操作系統。其通過ASIC芯片實現所有端口對交換機速率的并行轉發，較二層利用軟件的轉發網橋速度較快。以太網交換機具有以下功能：（1）實現網段內通信的隔離。網段是在以太網交換機設備的作用下劃分而成的小單元，各個網段均通過CSMA/CD的訪問方式完成系統內多個用戶的通信交流。該分段方式可實現不同網段上多個用戶的實時消息傳送，且對網絡速度不造成影響。（2）構建更小的沖突域實現多個帶寬的提供，以太網內交換機內的2層MAC地址可向一個及以上端口傳送數據報文，進而對過濾通信數據。更小沖突域的構建可有效實現更多帶寬的提供。

2 基于以太網交換機的仿真教學系統的設計與實現

2.1 教學系統的硬件功能模塊分解

本文采用MCU+ASIC體系結構實現教學系統硬件支持平臺的構建，通過ASIC專用集成電路的專業傳用芯片對各類業務進行處理，以滿足教學系統硬件實驗及交換機處理性能的要求。微處理器單元（MCU）的使用可管理教學系統和通訊各軟件層。該仿真教學系統開發成本預算的較低，開發周期適中，具有簡單、便捷的特點。在硬件體系結構的基礎上對教學系統硬件結構進行設計，示意圖見圖1。

2.2 I2C接口、SMI接口及串行接口的設計

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

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，軟件層在解析和轉換后的指令均由RS232串行口接收，接收完畢后再將執行結果傳送至軟件層。

2.3 外部接口10M/100Mbps網口的實現

本文采用的RTL8309SC擁有8個10M/100Mbps網口，考慮到產品的設計性、實用性和直觀性，本文設計系統中的網絡接口采用的是雙層RJ45 71 F-1201GYD2NL。經多次試驗表明，此產品的較傳統的分離網格變壓器而言，具有較高的可靠性，在使用過程中出錯率較小，系統內部的抗干擾性有所提高。為將各個網口工作狀態實時提供給學生用戶，本文設計出三組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 驅動設計

在對硬件特點和功能需求進行分析后，設計出具有結構化程序的驅動程序，將C語言作為開發語言，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構設定為Switch語句，當系統內數據滿足指定條件時，相對應的功能函數便會被調動，進而完成功能函數定義出的相關功能。各個函數通過設置內部寄存器完成各種功能的運行，系統會自動保存修改后的系統配置，軟件層在結束程序前會收到各個執行結果。

3 總結

本文設計和研究出的仿真教學系統符合高校的網絡設備教學要求，為高校的實驗教學提供了多種仿真配置方式和界面。以太網交換機教學在高校計算機網絡實驗室中的運用，為學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。

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