以太网交换机自学习算法及可视化

设计题目：以太网交换机自学习算法及可视化学 院：专业年级：号：姓 名：目录摘要 IABSTRACT II1引言 11.1 课题背景 11.2课题研究的目的与意义11.3程序开发工具简介11.3.1 C#简介11.3.2 visual studio 简介21.3.3 程序开发环境22相关原理简介 32. 1工作原理 32.2自学习能力 32.3过滤/转发 32.4单播 42.5广播 42.6交换机的局限性42.6.1广播风暴42.6.2广播通信量的增长42.6.3有毒分组1043 总体设计 53. 1设计思路 53.2模块设计 53.2.1信息选择模块53.2.2 转发表（监视）的操作模块63.2.3发送单播广播的操作模块73.2.4主机添加模块74 程序的实现与测试 94. 1程序调试/测试 94.1.1程序调试错误!未定义书签。4.1.2软件测试错误!未定义书签。4.2自学习 94.3多播、广播 134.4主机添加 15结束语 18参考文献 20附录： 22摘要交换机自学习的模拟程序设计，使交换机的工作进程模拟出来，同时让交换机的自学 习、过滤、转发的理解更容易，更方便，更直观，同时此程序浏览起来简洁方便，给用户 的学习理解带来了便捷。本系统使用Visual Studio 2008作为开发软件，使用C#为开发工具，实现了交换机的 工作原理模拟，转发表的更新，转发表的查询以及单播、广播的信息发送。本文从分析课题的题目背景、题目意义、题目要求等出发，分别从需求分析、总体设 计、详细设计、测试等各个方面详细介绍了系统的设计与实现过程，最后对程序的完成情 况进行了总结。关键词：交换机；自学习；转发表；可视化；AbstractSwitches from the study of simulation program design can make the switch working process is simulated,and make self learning,filtering,and switches forward understanding more easily,more convenient,more intuitive.This program is concise and convenient to browse and brought convenient to users learning to understand.The system Visual Studio 2008 as a software development,using c# asdevelo-pment tool,to achieve the working principle of simulation of switch,and forwarding update and forwarding forms query,as well as unicast, broadcast messages.Based on the analysis topic subject background, meaning, subject requirements.Respectively from the demand analysis,overall design,detailed design, testing various aspects,introducing the system design and implementation process.The last summary the completion of the program.Key words :The switch; Self learning; Turn published; Visualization;1引言1.1 课题背景随着经济的发展，社会的进步，互联网已经普及到千家万户，对于互联网的学习和了 解已经越来越迫切。此程序的开发，可以简洁方便的了解互联网的协议的交换机的模拟， 通过操作的过程，可以深入的了解交换机的工作过程和原理，通过简单的界面操作把书本 中的知识迅速的转化为自己的技能。本程序可以最大限度的了解此协议，高效率的完成学 习的目的。在数据链路层扩展要以太网要使用交换机。交换机工作在数据链路层，它根据 MAC 帧 的目的地址对收到的帧进行转发和过滤1。以太网交换机实质上就是一个多接口网桥，和 工作在物理层的转发器和集线器有很大的差别，此外，多接口交换机的每个接口都直接与 一个单个主机或另一个集线器相连，并且一般都工作在全双工方式。当主机需要通信时， 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无 碰撞地传输数据。其内部的帧转发表也是通过自学习算法逐渐建立起来的。本课题便是基 于交换机的自学习算法展开，依托于C#模拟交换机自学习过程以及模拟单播广播。1.2课题研究的目的与意义本设计主要是将书本上的理论通过编程展示出来，以便更好让读者了解交换机自学习 算法的过程。在计算机网络的学习中，两个主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上 传送，在两个相邻结点之间传送数据是直接传送的，这就需要使用专门的链路层的协议， 在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在 两个相邻结点间的链路上“透明”地传输帧中的数据。这样的一个界面我们可以清楚地测试交换机的自学习以及转发帧的过程，还有转发表 的形成，展现了数据链路层，当交换机收到一个帧，根据目的MAC地址，进行单播或者广 播，即一对一通信，或者发送给本局域网上所有站点的帧。1.3 程序开发工具简介131 C#简介我们所做的多接口交换机自学习算法是用C#语言编写。所以，在这里我介绍一下C# 语言。C#是在之前的开发语言的基础上推出的一种最新的、面向对象的编程语言。其具有 强大完善的功能，能够方便编写各种基于Microsoft .NET平台的应用程序，Microsof t.NET 平台依靠其强大的服务工具给编程人员的开发带来便利3。应该看到C#拥有众多的工具，简单便利的语言结构，使其成为众多面向对象工具的代 表，在构建各类组件时，使用C#能够使程序员方便地将各类运用转化为XML网络服务，而 不受语言与操作系统的兼容限制。正是由于C#的这些特点，使它成为程序员构建各类程序 主要组件的首要选择4。1.3.2 visual studio 简介Microsoft Visual Studio 2008是面向 Windows Vista、Office 2007、Web 2.0 的下 一代开发工具，代号“Orcas”，是对Visual Studio 2005 次及时、全面的升级。VS2008 引入了 250多个新特性，整合了对象、关系型数据、XML的访问方式,语言更加简洁。使用 Visual Studio 2008可以高效开发Windows应用。设计器中可以实时反映变更,XAML中智 能感知功能可以提高开发效率。同时Visual Studio 2008支持项目模板、调试器和部署 程序。Visual Studio 2008 可以高效开发 Web 应用，集成了 ASP.NET AJAX 1.0,包含 ASP.NET AJAX项目模板，它还可以高效开发Office应用和Mobile应用。1.3.3 程序开发环境操作系统：Microsoft Windows 7开发工具：C#开发平台：Microsoft Visual Studio 20082相关原理简介2.1 工作原理交换机监听它连接的每个网段上的传输数据，它将每个数据帧的地址和自身软件的一 个地址表进行比较。当一个数据帧的目的地址和它的源地址是在不同的网段时，交换机将 该帧转发到与目的网段相连的端口5。由于只转发目的地址在其他网段的数据帧，交换机 增加了整个网络吞吐率的有效性。交换机并不查看帧的内容，只检查帧头中包含的自知并 在需要的时候转发它们。交换机具有有效性：可以过滤通信量，增大吞吐量。交换机工作在链路层的MAC子层, 可以是以太网各网段成为隔离开的碰撞域。如果把交换机换成工作在物理层的转发器，那 就没有这种过滤通信量的功能。不同网段上的通信不会相互干扰。同时交换机具有扩大了 物理范围，因而也增加了整个以太网工作站的最大数目的作用6。交换机具有可靠性，提 高了可靠，当网络出现故障时，一般只影响个别网段。并且交换机具有互联性，可互联不 同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。2.2 自学习能力若从某个站点A发出的帧从接口 x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一 定可把一个帧传送到站点A.所以交换机只要每收到一个帧，就记下其源地址和进入交换机 的接口，作为转发表中的一个项目。应当注意的是转发表中并没有“源地址”这一栏，而 只有“地址”这一栏。在 建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下 面7。当交换机接收到一个数据帧时，它将其源地址和自身的地址转发表进行比较。若源地 址不在转发表中，交换机会将它加入，同时加入的还有接收该数据帧的端口号。由于交换 机具有这样的自学习能力，交换机学习然后知道了网络中主机的地址，新的主机可以自动 添加到网络中而不必花人工去配置每个交换机，最后交换机学习并知道所有连接其端口的 MAC 地址8。2.3 过滤/转发交换机将收到的每个帧的目的地址和自身的地址转发表进行对比。如果目的地址和源 地址在同一个网段，交换机就会将此帧过滤掉，即丢弃该帧9。如果目的地址和源地址不 在同一个网段上，交换机就会查出哪个端口将会接收该目的地址，并将该帧转发到相应的 端口。如果目的地址不在转发表中，交换机将此帧转发除接收端口以外的所有端口。2.4 单播单播即一对一通信，主机之间一对一的通讯模式，网络中的交换机和交换机对数据只 进行转发不进行复制。如果 10 个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复 10 次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是 采用单播模式。2.5 广播主机之间一对所有的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制 并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所 以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接 受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存 在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据 影响大面积的主机。2.6 交换机的局限性2.6.1 广播风暴由于网络中不同部分的结点和交换机间的差异，一个广播帧可能被错误地解释，而错 误地解释使该帧的交换机又引发了另一个广播帧，这第二个广播帧再一次地被错误地解 释，依次类推，结果就导致了广播帧风暴，它将严重地影响网络性能，这个问题很难解决。2.6.2广播通信量的增长由于许多交换机交换机加入到网络中，广播通信量的增长速度是指数而不是线性增 长。最终，广播帧可能占用网络带宽的可观部分。2.6.3 有毒分组10当网络软件发生变化时，可能出现程序问题。有时接受到特定类型的广播帧给接收到 此帧的每一个交换机或结点带来灾难性的影响，将这种广播帧称为“有毒分组”，其原因 是它将使网络上的所有用户同时经历这样的影响。3总体设计31设计思路此个程序根据以下所需功能进行设计：本程序主要是模拟以太网交换机工作的原理的 操作系统。该程序需要有查看（查看当前转发表），更新信息（更新当前转发表信息），输 入交换机的位置信息功能（输入目标地址与源地址），以及单播、广播的区别实现；以太网交换机的基本信息为：源地址位置，目标地址的位置，交换机接口；在运行时，此程序 可以简单快捷的输入信息以及对交换机进行查看及更新转发表以及对应的各种操作，省去 了繁琐复杂的脑力劳动，同时此程序表现出稳定性好，响应速度快，可靠性高，安全性强 的特点。此次设计以以太网交换机为出发点，通过界面展示图我们可以看到，界面中分别 有单播、广播、监视三个按钮。另外界面下方还可以继续添加主机，以实现动态化。然后在监视这个按钮中，我们可以监视交换机单播多播广播的情况。韦勺云于监视喘口in图3-1界面展示图3.2模块设计根据分析整个系统主要划分为5个功能模块，分别执行要求中的功能。该系统需要有 以太网交换机的构建，输入目标地址及源地址，转发表的显示查看及更新，单播通信、广 播通信。3.2.1信息选择模块合理的输入源地址与目标地址，在编程过程中，首先每个交换机设定了十二个端口，开始时每个端口只有一个主机。源地址和目的地址均为mac地址，mac地址为48位，为方 便起见，在源地址和目的地址中的端口按钮设计成选择性框架，这样省去了输入的麻烦， 刚开始，选定了交换机并且选择了端口也就选定了相应的mac地址。源交檢机；目的交撫机；1T1源端口 ；目的端口:源地址:1目的地址：发送11图3-2信息选择3.2.2转发表（监视）的操作模块该模块分为： 转发表的显示模块：根据源地址及目标地址，显示转发表内容。 转发表的更新模块：根据输入的不同的源地址与目标地址，更新转发表的内容，并有显示模块显示出来。MAC地址端口米图3-3转发表3.2.3发送单播广播的操作模块当点击单播按钮时，首先要先输入源地址和目的地址，此时单播也就是交换机的自学 习，若未输入，则程序便会提醒用户输入。当点击多播按钮时，同样需要输入源地址和目 的地址，在交换机中，主机进行多播时，也是要输入源地址和目的地址。但在这个实验中 其实只能模拟多播的一小部分，因为组播的成功进行还需要IGMP snopping协议，在这 个实验中，只能先广播。当点击广播播按钮时，同样需要输入源地址和目的地址，在交换 机中，目的地址为全1。源地址:发逵图3-4发送3.2.4主机添加模块对于这样的一个模拟程序设计，两台交换机相连，每个端口都有一个主机并且有一个 固定的mac地址，那设计这样一个添加主机的窗口，可以实现动态化，因为网络中会有很 多个交换机，同时每个交换机又都会有各个端口，所以设计了这样一个添加主机的窗口。川皈地址:图3-5主机添加4程序的实现4.1程序调试程序调试软件开发过程中的一个重要环节，也是最复杂，对软件开发者者来说也是最 艰巨的任务。调试的任务是及时改正测试过程中发现的软件错误。具体地说，调试过程由 两个步骤组成，它表示程序中存在错误的某迹象开始，首先确定错误的准确位置，也就是 找出哪个模块或哪个语句引起的错误。然后仔细研究推断代码以确定问题的原因，并设法 改正。调试过程主要是运行编制好的程序，然后遇到错误后根据系统的提示，找到相关的 问题所在。本系统调试过程中遇到问题、原因和解决方法如下面介绍。(1) 在输入目标地址与源地址数据时，必须按照图上所示，正确输入，由于输入不正 确，程序将会进行提示，然后重新输入。(2) 显示转发表时，由于没将之前的进行累加，所以出现了只显示当前转发表的情况。 加入了数组存数累加之后，正确的显示了转发表的输出结果。(3) 在转发表更新时，要注意前面一个转发表是否丢弃，如果前一个转发表丢弃，后 一个转发表则不显示任何内容。4.2自学习一开始转发表为空，当某个主机想要与另一个主机通信时，交换机接收到一个数据帧 时，它将其源地址和自身的地址转发表进行比较。若源地址不在转发表中，交换机会将它 加入，同时加入的还有接收该数据帧的端口号。而且交换机与网桥也存在诸多不同，此次 设计中交换机有多个接口，并且设计中有两个交换机，两个交换机都能够自学习到。咖|:AA-AA-AA-00-05-01目的地址:AA-AA-AA-fim 亚女执机：fiCZT 目的女担机：匚二 怕喘n： s | 巨田谓口： IL监视NaCiieJfiu图4-1自学习过程叵心女歩：|0耳旳灵汝臥：1：U； I5-IARTS 匚；,晅卫工:AA-AA-AAHII-05-01 ART12Z：-晞-応-11-11-11+发送2巫叽：扃-I：IW理!工：刑山端口卜*Wt-Wi-Wt-00-05-01图4-2自学习结果:臣云扌时：1；期口;目的交換机;目的端口:滥地址；口 EW埋上:Xk-XA-AA-00-02-01监祕MAC地址遍口purAA-AA-aa-as-oi5卜M AA-WI-00-05-011未现在输入源地址和目的地址：由于转发表为空，所以根本不能知道目的地址由哪个端 口转发出去，但是源地址将被学习下来，以后有数据发给目的地址AA-AA-AA-00-05-01的 便知道从交换机0的端口5转发出去，如图所示：图4-3转发结果转发过滤：如果源地址和目的地址属于同一个端口则交换机将会丢弃这个数据帧。源交换机：|o 目的交换机：W t 诵討 1： = htnj： 0 訂源龙：lt：AA-AA-AA-OO-DD-Ol *巨tn：n址；M 吐.AA 00 00 3L ”岌包NACJt!址湍口kK-AA-COOB-OL5kA-Wi-AA-COOS-OL*图4-4过滤自学习、转发过滤的相关代码：switch (num_Switch_Source)case 0 :判断转发表中有没有此源地址的记录for (i = 0; i A_Table_Switch0.Count; i+)讦(A_Table_Switch0i.Equals(Source) break;没有就将地址和端口添加到转发表中讦(i = A_Table_Switch0.Count)A_Table_Switch0.Add(Source); A_Table_Switchl.Add(num_Port_Source.ToString();MessageBox.Show(”该地址不在转发表中，已经添加到 交换机+ num_Switch_Source +的转发表中！)；数组第一个是地址，第二个是端口 查找网桥数组中是否有目的地址 if(num_Switch_Source = num_Switch_Destination & num_Port_Source = num_Port_Destination)MessageBox.Show(”源端口和目的端口一样，丢弃！); return;for (i = 0; i A_Table_Switch0.Count; i+) if (A_Table_Switch0i.Equals(Destination)MessageBox.Show(”转发表中有目的地址的记录, 已经向端口 + System.Convert.ToInt32(A_Table_Switch1i.ToString() +发送了信息！);return;/转发表中没有目的地址的记录if (i = A_Table_Switch1.Count) MessageBox.Show(转发表中没有目的地+Destination + 的记录，向其他端口转发！);/判断转发表中有没有此源地址的记录for (i = 0; i B_Table_Switch0.Count; i+) if (B_Table_Switch0i.Equals(Source) break; /没有就将地址和端口添加到转发表中 if (i = B_Table_Switch0.Count) B_Table_Switch0.Add(Source); B_Table_Switch1.Add(11);MessageBox.Show(”该地址不在转发表中，已经添加到 交换机 + num_Switch_Destination + 的转发表中！);/数组第一个是地址，第二个是端口 /查找网桥数组中是否有目的地址 for (i = 0; i B_Table_Switch0.Count; i+) if (B_Table_Switch0i.Equals(Destination)MessageBox.Show(”转发表中有目的地址的记录,已经向端口 + System.Convert.ToInt32(B_Table_Switch1i) +发送了信息！); return;/转发表中没有目的地址的记录if (i = B_Table_Switch1.Count) MessageBox.Show（转发表中没有目的地+ Destination + 的记录，向其他端口转发！）；return;43多播、广播以太网交换机只是简单地把多播数据当成广播来发送接收，所以多播和广播有相似 之处，在此设计中，当目的mac地址为01开头，交换机将会进行广播，转发到除了接收 此帧的端口外的所有端口，当目的mac地址为全F时，交换机也将进行广播，转发到除了 接收此帧的端口外的所有端口。广播也类似，只是目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF。在界 面上输入目的地址FF-FF-FF-FF-FF-FF，交换机会将其转发到所有端口。如图所示：监视源地址：AA-XA-AA.-0EKI4-D1 -目的地址：FF-rJ-FF-IF-FT-JF +| 发运图4- 5广播过程监视图4-6广播过程二期口:i丘住端二1:TAA.-A-AA-O-D4-01目的地址:FF-yr-FF-FF-yy-FJ丁发送沂交核机：0+I=E1交恒叽:交换机:-请1 :MACifi 址；HAL地址iSuAA.-U-U-OD-DI-011NAC地址卜U-AA-AArDO-O-Ol11test 舒W、哀去叽：巨圧庄找机：F虑喘二；4 T巨乩诛厂HI二源地址：*职心MTS 目的地业： FF-FF-yy-yy-rr-FF *发桧图4-8广播过程三此时点击监视，同样能够自学习到交换机0的4端口的mac地址，反映在交换机0上 的转发表学习到的4端口，而反映在交换机1上的学习到的同样的mac地址，但是转发帧 的接口却是两个交换机相连的11端口。广播过程的相关代码：private void buttonl_Click(object sender, EventArgs e)tryf (comboBox6.Text = FF-FF-FF-FF-FF-FF) Broadcast。;else f (comboBox6.Text !=)Unicast();elsereturn;catchMessageBox.Show(”异常！联系CML,她会帮你解决！);4.4主机添加在这个模拟程序中，设置了一个地址格式的判断程序，如果输入的不是大写字母和数 字，那么就会显示地址格式不正确，只有正确输入才能够添加成功，并且也能用这个mac 地址去实现交换机的自学习及转发过滤。输入格式不按照要求时：二氏冗换初：I I:凰冷二”可嚇口； lQ T:叵 lir.l：:I -U-AA-OO-OO-O L T口 旳理l：lbt发送:刑 itAA-AA-U-Oa-04-OlLL峯AA-AA-U-00-05-01LLAArWi-JA-Oa-Ol-OlLL图4-8地址输入格式判断 输入格式按照要求时：源丸换机: 目的奁换机: T瞬口: *巨产塔口：Wt-AA-AA-iB-DO-01 目的地址:JUL-AA-AA-00-00-01仃臟交换机；E7|端口； 1 7|地业端口卜AA-AA-U-00-W-aiL L*AA-AA-kX-0a-C6-llLLAA-AA.-U-00-Dl-aiL L图4-9地址输入正确添加主机的相关代码：判断输入格式if (new_Pc_address.Length != 17)MessageBox.Show(地址格式不正确！ ”)；return;for (i = 0; i 15; i += 3)if (judge_format(new_Pc_addressi) & judge_format(new_Pc_addressi + 1) & new_Pc_addressi + 2 = -) = false)MessageBox.Show(”地址格式不正确！ ”)；return;if (judge_format(new_Pc_addressi) & judge_format(new_Pc_addressi + 1) =false)MessageBox.Show(”地址格式不正确！ ”)；return;讦(comboBox7.Text = II comboBox8.Text =) MessageBox.Show(”请选择交换机和端口号！); return;i = System.Convert.ToInt32(comboBox7.Text);j = System.Convert.ToInt32(comboBox8.Text);if (i = 0) A_Port_Switchj.Add(new_Pc_address);MessageBox.Show(”添加成功！ ”)； return;else B_Port_Switchj.Add(new_Pc_address)；MessageBox.Show(”添加成功！ ”)； return；结束语毕业设计顺利完成，任务书中所提出的要求全部实现，可以实现交换机交换机工作原理直 观观看，可以显示转发表，更新转发表，智能的输出。不过这个程序还有些不够完善，程 序还有待改进。为期两个月的以太网交换机自学习算法及可视化毕业设计终于顺利完成， 在这期间付出汗水，辛劳可是一言难尽。但是在付出的同时我门也在收获着，我们收获了 宝贵的实践经验，并且能够熟练的掌握以太网交换机的工作原理，能够熟练的运用学到的 函数，学会了在曾经编写过的函数上加以修改实现了我期望实现的功能。此次课设实践充 分的贯穿了整个学期所学到的知识，让脑海里的知识大清洗，继续加深巩固已经学到的知 识，并且能够达到可以熟练运用的地步。对于现在的我们来说，我们已经经历了一个了解 计算机网络，喜欢计算机网络的过程，但是我已经跨过了许多的障碍，所以我坚信我们接 下来的路上的困难是难不倒我们的，在接下来的学习实践中我们会不断的对自己进行充 电，使知识的羽翼更加丰满。或许在刚开始的学习中并未意识到知识的重要性，使得在后 来的课设时期我们经历了艰难的时期，所以下一步我们要稳扎稳打，对最基本的知识进行 认真的研习，在了解的基础上，深入的学习一些计算机网络的知识，为以后夯实基础！19参考文献1 谢希仁.计算机网络（第5版）.北京：电子工业出版社，2008:34-402 刁建忠.C#程序设计与应用.清华大学出版社,2010:40-5553 李纯莲，刘玉宝.C#实用开发教程.清华大学出版社,2008:40-4004 李云.VisualC#程序设计教程.清华大学出版社,2008:23-4565 Reed，K. D著：孔英会，强建周等译.网络互连设备北京：电子工业出版社,2004:45-506 陈明.网络设备教程.北京:清华大学出版社,2004:23-407 赵家俊 张俊.计算机网络教程.清华大学出版社,2005:50-808 张保通，安志远主编.网络互连技术:路由、交换与远程访问.北京：中国水利水电出版社,2009:90-1209 魏亮 邓浩 熊辉计算机网络基础实用教程.北京邮电大学,2010:30-5010 陈懿.网络互连技术.北京:冶金工业出版社,2005:50-78致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了 无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文 指导老师*老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文 的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书 馆的老师也给我提供了 很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢! 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有 各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论 文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免 有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！附录：