Python实现基于交换机转发实验

向右看齐 2024-04-06 10:25 90阅读 0赞

## 基于交换机转发实验 ##

### 实验内容 ###

1、实现对数据结构 mac\_port\_map 的所有操作，以及数据包的转发和广播操作

- iface_info_t *lookup_port(u8 mac[ETH_ALEN]);
    
    - void insert_mac_port(u8 mac[ETH_ALEN], iface_info_t *iface);
    
    - int sweep_aged_mac_port_entry();
    
    - void broadcast_packet(iface_info_t *iface, const char *packet, int len);
    
    - void handle_packet(iface_info_t *iface, char *packet, int len);

2、使用 iperf 和给定的拓扑进行实验，对比交换机转发与集线器广播的性能

### 设计思路 ###

`iface_info_t *lookup_port(u8 mac[ETH_ALEN]);`

该函数的作用是：在转发表中查找对应 `mac` 地址和 `iface` 映射的表项。若找到对应的表项，则返回查询 `mac` 地址对应的 `iface`。

由于交换机转发过程中，会存在另一个线程进行超时表项的清理工作，因此查找操作需要加上锁来确保原子性。

该函数具体实现代码如下：

iface_info_t *lookup_port(u8 mac[ETH_ALEN])
    {
        
        pthread_mutex_lock(&mac_port_map.lock);
        u8 hash_value = hash8((char *)mac, ETH_ALEN);
        mac_port_entry_t * mac_port_entry_pos = NULL;
        list_for_each_entry(mac_port_entry_pos, &mac_port_map.hash_table[hash_value], list) {
        
            if (mac_cmp(mac_port_entry_pos->mac, mac, ETH_ALEN) == 0) {
        
                mac_port_entry_pos->visited = time(NULL);
                pthread_mutex_unlock(&mac_port_map.lock);
                return mac_port_entry_pos->iface;
            }
        }
        pthread_mutex_unlock(&mac_port_map.lock);
        return NULL;
    }
    
    注：其中mac_cmp为自编函数，作用是比较两个mac地址是否相同。

`void insert_mac_port(u8 mac[ETH_ALEN], iface_info_t *iface);`

该函数的作用是：当转发表中没有 `源mac` 地址和对应 `iface` 的映射表项时，将 `源mac` 地址与该 `iface` 插入到转发表当中。

同样的，由于交换机转发过程中，会存在另一个线程进行超时表项的清理工作，因此插入操作同样需要加上锁来确保原子性。

### 结果验证 ###

利用网络拓扑进行 `iperf` 测试，本设计的测试结果如下：  
![在这里插入图片描述][a9e5a4f27c834ee5803d392573c3ff56.png]

上图中 `h1` 节点同时接收 `h2` 节点和 `h3` 节点，可以看出 `h2` 节点和 `h3` 节点的发送带宽分别为 `9.56Mbps` 和 `9.56Mbps`，利用率为 `95.6%`。

`switch-reference` 的结果如下:  
![在这里插入图片描述][5c4b8e8a3ad440dab9e70e6a93edfec1.png]

上图中 `h1` 节点同时接收 `h2` 节点和 `h3` 节点，可以看出 `h2` 节点和 `h3` 节点的发送带宽分别为 `9.57Mbps` 和 `9.57Mbps`，利用率为 `95.7%`。可以看出本设计的结果与标准结果基本相同。

而 `hub-reference` 的结果如下:

![在这里插入图片描述][6405ff17c70f4c16a049d83145070aa3.png]

上图中 `h1` 节点同时接收 `h2` 节点和 `h3` 节点，可以看出 `h2` 节点和 `h3` 节点的发送带宽分别为 `4.07Mbps` 和 `4.36Mbps`，平均利用率为 `42.15%`。

在本实验中，`switch` 的带宽利用率比 `hub` 高出 `127%`。因此 `switch` 利用转发表的方式明显比 `hub` 的直接广播模式效率要高。

[a9e5a4f27c834ee5803d392573c3ff56.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/99e02de4041f458388e1271f1e2d4823.png
[5c4b8e8a3ad440dab9e70e6a93edfec1.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/dedc4c2859fe442ba4c5123785d819d3.png
[6405ff17c70f4c16a049d83145070aa3.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/468ad74f0ffd41ff9f176f843b49e253.png