CN113438162B - 一种二层转发的实现方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种二层转发的实现方法。记录每个接口的MAC地址，为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址。当输入接口有输入数据包时，仅读取保存在外部存储器中的该输入数据包的开头一端长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束；从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址。比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同。在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与从该输入数据包的目的MAC地址相同。将所找的客户端设备所在的接口称为输出接口，对该输入数据包在外部存储器中进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。本申请节省访问外部存储器的带宽。
Description
技术领域
本申请涉及一种在网络设备的多个接口之间进行二层转发的方法。
背景技术
无线网络接入设备连接网络，客户端设备连接在无线网络接入设备的Ethernet（以太网）接口、或USB接口、或Wi-Fi接口，无线网络接入设备为客户端设备提供网络接入。这些客户端设备之间也可以通信，例如将数据包从一个客户端设备转发到另外一个客户端设备。传统的无线网络接入设备——例如路由器或者交换机——是通过处理器（微处理器MCU、应用处理器AP、数字信号处理器DSP等）将数据包从一个接口转发到另一个接口，称为二层转发。无线网络接入设备在二层转发的过程中会拷贝数据包，将数据包从一个接口读入缓存，处理后再写入另一个接口。从某个接口进入无线网络接入设备的数据包称为输入数据包，从某个接口离开无线网络接入设备的数据包称为输出数据包。
现有的无线网络接入设备的二层方法方法具有两个缺点。第一，通过软件进行MAC（Media Access Control，媒体存取控制）地址的查询和匹配，并确定输出接口，需要耗费处理器的计算资源。第二，需要将数据包从输入接口拷贝到输出接口。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种在无线网络接入设备的多个接口之间进行二层转发的方法，所述接口是指无线网络接入设备的以太网接口、USB接口、Wi-Fi接口。
为解决上述技术问题，本申请提出了一种二层转发的实现方法，包括如下步骤。步骤S1：记录无线网络接入设备的每个接口的MAC地址，为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址。步骤S2：当输入接口有输入数据包时，无线网络接入设备仅读取保存在外部存储器中的该输入数据包的开头一端长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束；无线网络接入设备从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址。步骤S3：无线网络接入设备比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同；如果相同，说明该输入数据包不需要进行转发，退出本方法；如果不同，说明该输入数据包需要转发，进入步骤S4。步骤S4：在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与从该输入数据包的目的MAC地址相同；如果没有，退出本方法；如果有，将所找的客户端设备所在的接口称为输出接口，对该输入数据包在外部存储器中进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。
进一步地，所述步骤S1中，当无线网络接入设备的某个接口上有新的客户端设备连接时，软件获取到新客户端设备的MAC地址后，将新客户端设备的MAC地址添加到该接口的数组中。当无线网络接入设备的某个接口上有已连接的客户端设备断开时，软件从该接口的数组中删除已断开的客户端设备的MAC地址。
优选地，所述步骤S1中，还实时记录每个接口实际接入客户端设备的数量。
优选地，所述步骤S1中，设置每个接口支持接入客户端设备的数量，每个接口实际接入客户端设备的数量小于或等于该接口支持接入客户端设备的数量。
优选地，所述步骤S2中，输入接口在将输入数据包存储在外部存储器时，预留足够长度的空间以容纳最长的接口头部以及MAC头部。
进一步地，所述步骤S2中，读取的长度大于或等于所有输入数据包的接口头部中最长的的长度＋MAC头部的固定长度。
进一步地，所述步骤S2中，MAC头部包括目的MAC地址、源MAC地址、MAC类型。
进一步地，所述步骤S4中，更新接口头部是指：首先移除输入接口的接口头部；具体来说，当输出接口是USB接口、Wi-Fi接口时，移除相应的接口头部；当输出接口是以太网接口时，省略该操作；然后添加输出接口的接口头部；具体来说，当输出接口是USB接口、Wi-Fi接口时，添加相应的接口头部；当输出接口是以太网接口时，省略该操作。
本申请还提出了一种二层转发的实现装置，包括记录单元、输入读取单元、转发判断单元、输出处理单元。所述记录单元用来记录无线网络接入设备的每个接口的MAC地址，为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址。所述输入读取单元用来当输入接口有输入数据包时，仅读取保存在外部存储器中的该输入数据包的开头一端长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束；从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址。所述转发判断单元用来比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同；如果相同，说明该输入数据包不需要进行转发；如果不同，说明该输入数据包需要转发，由输出处理单元继续处理。所述输出处理单元用来在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与从该输入数据包的目的MAC地址相同；如果有，将所找的客户端设备所在的接口称为输出接口，对该输入数据包在外部存储器中进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。
本申请取得的技术效果主要有两点。第一，采用硬件实现MAC地址的查询和匹配，并确定输出接口，不耗费处理器的计算资源。第二，在二层转发数据包时不拷贝数据包，所有操作在外部存储器（例如DDR SDRAM）中进行，节省系统访问外部存储器的带宽，减少处理器开销，降低系统功耗。
附图说明
图1是本申请所述的数据包的第一种数据结构的示意图。
图2是本申请所述的数据包的第二种数据结构的示意图。
图3是本申请提出的二层转发的实现方法的流程示意图。
图4是本申请提出的二层转发的实现装置的结构示意图。
图中附图标记说明：记录单元1、输入读取单元2、转发判断单元3、输出处理单元4。
具体实施方式
本申请涉及一种在无线网络接入设备的多个接口之间进行二层转发的方法，所述接口是指无线网络接入设备的以太网接口、USB接口、Wi-Fi接口。每个接口可以通过集线器（hub）或者其他方式接入多个客户端设备。例如以太网接口可以通过集线器、或者交换机、或者路由器接入多个客户端设备。USB接口也可通过集线器、或者转换器提供客户端设备的接入。Wi-Fi接口可供多个无线终端设备（客户端设备）连接。这些接口的数据包有两种数据格式。
请参阅图1，这是本申请所述的数据包的第一种数据格式。整个数据包是在IP数据包之前加上MAC头部，在MAC头部之前加上接口头部形成的。有些接口为数据包添加接口头部，例如USB接口、Wi-Fi接口，就形成第一种数据格式的数据包。所述接口头部例如是USBRNDIS（Remote Network Driver Interface Specification，远程网络驱动接口规范）头部、Wi-Fi头部。
请参阅图2，这是本申请所述的数据包的第二种数据格式。整个数据包是在IP数据包之前加上MAC头部形成的。有些接口不为数据包添加接口头部，例如以太网接口，就形成第二种数据格式的数据包。
以上两种数据格式的数据包中，MAC头部的长度为14字节，包括目的MAC地址（6字节）、源MAC地址（6字节）、MAC类型（2字节）。
请参阅图3，本申请提出的二层转发的实现方法包括如下步骤。
步骤S1：软件初始化时，记录无线网络接入设备的每个接口的实际MAC地址。例如，每个MAC地址的存储空间为6个字节。为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址。
优选地，这一步还实时记录每个接口实际接入客户端设备的数量。
当无线网络接入设备的某个接口上有新的客户端设备连接时，软件获取到新客户端设备的MAC地址后，将新客户端设备的MAC地址添加到该接口的数组中，优选地还将该接口的实际接入客户端设备数量加1。
当无线网络接入设备的某个接口上有已连接的客户端设备断开时，软件从该接口的数组中删除已断开的客户端设备的MAC地址，优选地还将该接口的实际接入客户端设备数量减1。
优选地，根据实际系统需求设置所述无线网络接入设备的每个接口支持接入客户端设备的数量（即最大允许接入数量）。每个接口实际接入客户端设备的数量应该小于或等于该接口支持接入客户端设备的数量。
步骤S2：当某个接口（称为输入接口）有输入数据包时，该输入数据包保存在外部存储器（例如DDR SDRAM）中，无线网络接入设备仅读取该输入数据包的开头一端长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束。无线网络接入设备从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址。
步骤S3：无线网络接入设备比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同。
如果相同，说明该输入数据包是发给输入接口的数据包，不需要进行转发，退出本方法。
如果不同，说明该输入数据包需要转发。进入步骤S4。
步骤S4：在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与从该输入数据包的目的MAC地址相同。
如果没有，退出本方法。
如果有，假设是某个接口（称为输出接口）的客户端设备X的MAC地址与该输入数据包的目的MAC地址相同，说明该输入数据包是发给输出接口的客户端设备X的，对该输入数据包在外部存储器中（不转移到内部缓存中）进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。
所述更新接口头部是指：首先移除输入接口的接口头部（如果有）。具体来说，当输出接口是USB接口、Wi-Fi接口时，移除相应的接口头部；当输出接口是以太网接口时，没有接口头部，因此也不需要移除。然后添加输出接口的接口头部（如果有）。具体来说，当输出接口是USB接口、Wi-Fi接口时，添加相应的接口头部；当输出接口是以太网接口时，不添加接口头部。
由于各个接口的数据包有些有接口头部，有些没有接口头部，并且接口头部的长度不一致，为保证在步骤S4中更新接口头部时不会越界访问到不应该访问的地址，优选地所述步骤S2中输入接口在将输入数据包存储在外部存储器时，预留足够长度的空间以容纳最长的接口头部以及MAC头部。
所述步骤S2中，无线网络接入设备仅读取输入数据包在外部存储器中的开头一段长度的内容。读取的长度大于或等于所有输入数据包的接口头部中最长的的长度＋MAC头部的固定长度。只有这样才能确保读取的内容始终涵盖每个输入数据包的接口头部（如果有）＋MAC头部。
本申请中，当无线网络接入设备的某个接口（称为输入接口）接收到的数据包的目的MAC地址和该接口的MAC地址不匹配，但是和其他接口（称为输出接口）的某个客户端设备的MAC地址匹配时，说明该数据包需要转发，无线网络接入设备将该数据包从输出接口转发出去；否则说明该数据包不需要转发。例如，手机A通过4G或5G移动通讯网络上网，同时手机A开Wi-Fi接口给手机B供手机B上网。此时手机A接收到一个数据包，其目的MAC地址是手机B，说明该数据包需要转发，那么手机A把这个数据包通过Wi-Fi接口转给手机B。后续手机A又接收到一个数据包，其目的MAC地址是手机A，说明该数据包不需要转发。
一种特殊的情况是，无线网络接入设备的某个接口下接入的不同客户端设备之间的通信一般由该接口自行处理，不会进入无线网络接入设备。本申请对这种特殊情况也不予处理。
请参阅图4，本申请提出的二层转发的实现装置包括记录单元1、输入读取单元2、转发判断单元3、输出处理单元4。图4所示装置与图3所示方法相对应。
所述记录单元1用来记录无线网络接入设备的每个接口的MAC地址，为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址。
所述输入读取单元2用来当输入接口有输入数据包时，仅读取保存在外部存储器中的该输入数据包的开头一端长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束；从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址。
所述转发判断单元3用来比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同。如果相同，说明该输入数据包不需要进行转发。如果不同，说明该输入数据包需要转发，由输出处理单元4继续处理。
所述输出处理单元4用来在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与从该输入数据包的目的MAC地址相同。假设是输出接口的客户端设备X的MAC地址与该输入数据包的目的MAC地址相同，则对该输入数据包在外部存储器中进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。所述更新接口头部是指：首先移除输入接口的接口头部（如果有），然后添加输出接口的接口头部（如果有）。
本申请的有益效果如下。第一，在网络二层转发数据包时不拷贝数据包，所有操作在外部存储器中进行，节省系统访问外部存储器的带宽，降低系统功耗。第二，硬件（无线网络接入设备）处理任务，加快了数据包处理的速度，降低了网络延时。第三，接口设计灵活，可支持各种不同类型的网络接口，扩展灵活。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种二层转发的实现方法，其特征是，包括如下步骤；
步骤S1：记录无线网络接入设备的每个接口的MAC地址，为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址；
步骤S2：当输入接口有输入数据包时，无线网络接入设备仅读取保存在外部存储器中的该输入数据包的开头一段长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束；无线网络接入设备从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址；
步骤S3：无线网络接入设备比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同；如果相同，说明该输入数据包不需要进行转发，退出本方法；如果不同，说明该输入数据包需要转发，进入步骤S4；
步骤S4：在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与该输入数据包的目的MAC地址相同；如果没有，退出本方法；如果有，将所找的客户端设备所在的接口称为输出接口，对该输入数据包在外部存储器中进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。
2.根据权利要求1所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S1中，当无线网络接入设备的某个接口上有新的客户端设备连接时，软件获取到新客户端设备的MAC地址后，将新客户端设备的MAC地址添加到该接口的数组中；
当无线网络接入设备的某个接口上有已连接的客户端设备断开时，软件从该接口的数组中删除已断开的客户端设备的MAC地址。
3.根据权利要求1所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S1中，还实时记录每个接口实际接入客户端设备的数量。
4.根据权利要求3所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S1中，设置每个接口支持接入客户端设备的数量，每个接口实际接入客户端设备的数量小于或等于该接口支持接入客户端设备的数量。
5.根据权利要求1所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S2中，输入接口在将输入数据包存储在外部存储器时，预留足够长度的空间以容纳最长的接口头部以及MAC头部。
6.根据权利要求1所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S2中，读取的长度大于或等于所有输入数据包的接口头部中最长的长度＋MAC头部的固定长度。
7.根据权利要求1所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S2中，MAC头部包括目的MAC地址、源MAC地址、MAC类型。
8.根据权利要求1所述的二层转发的实现方法，其特征是，所述步骤S4中，更新接口头部是指：首先移除输入接口的接口头部；具体来说，当输出接口是USB接口、Wi-Fi接口时，移除相应的接口头部；当输出接口是以太网接口时，省略该操作；然后添加输出接口的接口头部；具体来说，当输出接口是USB接口、Wi-Fi接口时，添加相应的接口头部；当输出接口是以太网接口时，省略该操作。
9.一种二层转发的实现装置，其特征是，包括记录单元、输入读取单元、转发判断单元、输出处理单元；
所述记录单元用来记录无线网络接入设备的每个接口的MAC地址，为每个接口设置一个数组用于记录该接口所接入的客户端设备的MAC地址；
所述输入读取单元用来当输入接口有输入数据包时，仅读取保存在外部存储器中的该输入数据包的开头一段长度的内容，读取的长度至少到MAC头部结束；从读取的内容中获取该输入数据包的目的MAC地址；
所述转发判断单元用来比较该输入数据包的目的MAC地址是否与输入接口的MAC地址相同；如果相同，说明该输入数据包不需要进行转发；如果不同，说明该输入数据包需要转发，由输出处理单元继续处理；
所述输出处理单元用来在除输入接口以外的各个接口的数组中查找是否有客户端设备的MAC地址与该输入数据包的目的MAC地址相同；如果有，将所找的客户端设备所在的接口称为输出接口，对该输入数据包在外部存储器中进行更新接口头部的处理，然后将处理后的数据包转发到输出接口。
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