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%# -*- coding: utf-8-unix -*-
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\section{三层路由器实现}
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\label{sec:c:router-ob:s:router}
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\subsection{实验目的}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_object}
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本实验的主要目的是让学生掌握二层以太网帧、ARP协议和三层IP协议等的数据结构，
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熟悉各协议的解析与封装过程，
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掌握三层路由器的工作原理、分组处理流程、FIB表和邻接表生成与使用。
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熟悉路由器数据平面与控制平面的切分及不同的工作处理流程。
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\subsection{实验内容}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_content}
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使用可编程网络平台及三层路由器示例框架源码，
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设计完成一个三层路由器原型系统。主要完成以下内容：
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\begin{enumerate}
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\item \textbf{系统路由验证：}搭建测试环境，
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验证系统自带三层路由原型系统的功能，实现不同网段主机的相互通信功能；
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\item \textbf{逻辑设计与实现：}基于路由器示例框架代码，
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分别设计完成路由器的分组解析、FIB同步与查表、
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二层与三层数据更新、ARP请求与响应等模块功能；
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\item \textbf{功能调试与验证：}根据路由器分组处理流程，
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分别调试每一类分组的处理逻辑。如ARP请求类分组、
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ARP响应类分组、控制平面分组和数据平面分组；
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组网测试路由器功能，实现不同网段内主机之间的相互通信功能。
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\end{enumerate}
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\subsection{实验原理、方法和手段}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_principle}
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\subsubsection{系统路由验证}
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请参考附件《可编程网络平台－操作手册》完成。
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\subsubsection{三层路由器工作原理}
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三层路由器工作于OSI模型的第3层（网络层），根据网络层中的目的IP地址进行查表，
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获得分组转发的下一跳输出端口及下一跳的IP地址。更新网络层的TTL值与CSUM值，
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并在输出端口对二层数据进行重新封装二层数据后转发。
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路由器还具备ARP响应与请求功能，
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支持响应请求自己IP的MAC信息与请求路由下一跳IP的MAC信息。
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\subsubsection{路由器分组处理流程}
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\begin{enumerate}
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\item \textbf{线程同步系统FIB表：}通过一个独立线程，读取内核FIB表信息，
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保存到路由器的FIB表结构中；循环不断的获取内核FIB表，
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一但有更新，则刷新自己的FIB表内容；
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\item \textbf{输入分组解析：}接收各端口输入分组信息，并进行分组解析处理，
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根据MAC地址信息和目的IP地址信息判断分组为控制平面分组还是数据平面分组；
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\item \textbf{控制平面与数据平面分流：}将控制平面数据转发到协议栈进行处理，
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将数据平台数据转发到路由器数据转发逻辑中处理。
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若是本机MAC的ARP请求，则构造ARP响应进行回复；
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\item \textbf{提取目的IP并查表：}路由器数据转发逻辑进一步解析数据，
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解析提取目的IP地址，送入FIB查表引擎进行匹配，
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获取分组的下一跳IP地址及输出端口信息；
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\item \textbf{更新三层数据：}更新分组TTL值与CSUM值，根据FIB表结果，
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将分组转发至对应端口输出队列；
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\item \textbf{更新二层数据：}更新FIB查表下一跳IP的MAC地址信息，
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查表无结果，则启动ARP请求模块；若查到对应MAC信息，则更新二层数据后直接转发；
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\item \textbf{ARP请求：}根据请求的IP地址与发送端口信息构造ARP协议的请求报文，
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发送到端口进行学习，并将学习结果保存到该端口的邻接表中；
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\item \textbf{端口队列输出：}抽取端口输出队列内的发送分组，
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更新二层数据后由端口直接发送。
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\end{enumerate}
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\subsection{实验条件}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_requirement}
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\begin{itemize}
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\item 可编程网络平台一个，路由测试主机两台，
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IP配置及连接拓扑如图\ref{fig:c:router-ob_router-topo}所示；
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\item 串口线一根，网线两根；
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\item 三层路由器框架源代码（开发环境与编译工具系统自带）。
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\end{itemize}
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\begin{figure}[!ht]
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\centering
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\includegraphics[width=8cm]{router-topo}
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\caption{三层路由器实验拓扑图}
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\label{fig:c:router-ob_router-topo}
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\end{figure}
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\subsection{实验步骤}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_procedure}
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\subsubsection{系统路由验证}
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1. 登录可编程网络平台，启动系统自带三层路由器命令，
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系统输出如下信息说明已正常启动且进入工作模式；
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\begin{code}[console]
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root@HNXS-FAST:/mnt/openbox# l3router
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Port[0]->obx0,MAC->00:0A:35:01:00:5B,IPv4->192.168.0.1,
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IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
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Port[1]->obx1,MAC->00:0A:35:00:00:02,IPv4->192.168.1.1,
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IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
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Port[2]->obx2,MAC->00:0A:35:00:00:03,IPv4->192.168.2.1,
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IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
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Port[3]->obx3,MAC->00:0A:35:00:00:04,IPv4->192.168.3.1,
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IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
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Iface Destination Gateway Flags RefCnt Use Metric Mask MTU Window IRTT Port
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obx0 0000A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 0
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obx1 0001A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 1
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obx2 0002A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 2
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obx3 0003A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 3
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Create update_fib4_thread OK!
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Create handle_queue_packet on Port[0] thread OK!
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|
handle_queue_packet on port[0]
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handle_queue_packet[0]->Wait pkt INQUEUE...
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|
Create handle_queue_packet on Port[1] thread OK!
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|
handle_queue_packet on port[1]
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|
handle_queue_packet[1]->Wait pkt INQUEUE...
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|
|
Create handle_queue_packet on Port[2] thread OK!
|
|
|
handle_queue_packet on port[2]
|
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|
handle_queue_packet[2]->Wait pkt INQUEUE...
|
|
|
Create handle_queue_packet on Port[3] thread OK!
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|
handle_queue_packet on port[3]
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handle_queue_packet[3]->Wait pkt INQUEUE...
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fastU->REG Version:20180827,OpenBox HW Version:2030200722
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FAST UA REG->from pid:907,state:21,mid:132
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fastU->Register UA to FAST Kernel! Wait Reply......
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fastU->UA->pid:907,mid:132,Register OK!
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fastU->libua version:20180827
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fastU->fast_ua_recv......
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\end{code}
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\subsubsection{设计开发三层路由器}
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\begin{enumerate}
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\item 阅读三层路由器框架源代码文件，
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根据三层路由工作原理及分组处理流程设计完成框架源代码中的TODO部分内容；
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\item 编译自己的三层路由器源码，生成相应的路由器系统命令user\_l3router；
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\end{enumerate}
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\subsubsection{调试与验证}
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\begin{enumerate}
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\item 运行自己的三层路由器代码，验证路由器的功能；
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\item 路由器正常工作后，可以显示如下信息；
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\begin{itemize}
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\item 加载路由器接口地址信息
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\begin{code}[text]
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Port[0]->obx0,MAC->00:0A:35:01:00:5B,IPv4->192.168.0.1,
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IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
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|
Port[1]->obx1,MAC->00:0A:35:00:00:02,IPv4->192.168.1.1,
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|
IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
|
|
|
Port[2]->obx2,MAC->00:0A:35:00:00:03,IPv4->192.168.2.1,
|
|
|
IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
|
|
|
Port[3]->obx3,MAC->00:0A:35:00:00:04,IPv4->192.168.3.1,
|
|
|
IPv6->0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
|
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|
\end{code}
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\item 同步内核FIB表
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\begin{code}[text]
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Iface Destination Gateway Flags RefCnt Use Metric Mask MTU Window IRTT Port
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obx0 0000A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 0
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|
|
obx1 0001A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 1
|
|
|
obx2 0002A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 2
|
|
|
obx3 0003A8C0 00000000 0001 0 0 0 00FFFFFF 0 0 0 3
|
|
|
\end{code}
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|
\item 启动端口输出队列线程
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\begin{code}[text]
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Create handle_queue_packet on Port[0] thread OK!
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|
handle_queue_packet on port[0]
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handle_queue_packet[0]->Wait pkt INQUEUE...
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|
|
Create handle_queue_packet on Port[1] thread OK!
|
|
|
handle_queue_packet on port[1]
|
|
|
handle_queue_packet[1]->Wait pkt INQUEUE...
|
|
|
Create handle_queue_packet on Port[2] thread OK!
|
|
|
handle_queue_packet on port[2]
|
|
|
handle_queue_packet[2]->Wait pkt INQUEUE...
|
|
|
Create handle_queue_packet on Port[3] thread OK!
|
|
|
handle_queue_packet on port[3]
|
|
|
handle_queue_packet[3]->Wait pkt INQUEUE...
|
|
|
\end{code}
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\item 开始接收分组处理
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\begin{code}[text]
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fastU->REG Version:20180827,OpenBox HW Version:2030200722
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|
FAST UA REG->from pid:923,state:21,mid:132
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|
fastU->Register UA to FAST Kernel! Wait Reply......
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fastU->UA->pid:923,mid:132,Register OK!
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fastU->libua version:20180827
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fastU->fast_ua_recv......
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|
\end{code}
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\item 控制平面分组处理
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\begin{code}[text]
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UA Recv ptk 0xb2c00468,len:130,inport:0
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Recv IPv4 Packet!
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Recv Unicast Host Packet,Dispatch Packet!
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Control Plane->Send to Protocol Stack[128]!
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\end{code}
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\item 数据平面分组处理
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\begin{code}[text]
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UA Recv ptk 0xb2c00468,len:130,inport:2
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|
Recv IPv4 Packet!
|
|
|
Recv Unicast Host Packet,Dispatch Packet!
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|
Data Plane->FIB(dst:192.168.0.111) tblidx:0
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Data Plane->Next Hop:192.168.0.111,outport:0
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//查不到MAC，入队后学习MAC
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Data Plane->port[0],NEIGH[1],IN QUEUE[1]
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Data Plane->Active Thread on Port[0],QUEUE[1] len:2
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//查询到MAC，直接封闭二层数据后发送
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Data Plane->port[2],NEIGH[0],DMAC->B8:27:EB:C1:D1:39
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Pack L2 on Port[2]
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pkt_send_normal->0xb2c00468,outport:2,len:130
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\end{code}
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|
\item ARP请求处理
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\begin{code}[text]
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|
send_arp_request 192.168.2.119 on Port[2]
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|
pkt_send_normal->0xb2b00468,outport:2,len:74
|
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|
pkt_send_normal->0xb2b00468,outport:2,len:74
|
|
|
pkt_send_normal->0xb2b00468,outport:2,len:74
|
|
|
\end{code}
|
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|
|
\item ARP响应处理
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\begin{code}[text]
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UA Recv ptk 0xb2c00468,len:92,inport:0
|
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Recv ARP Packet!
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ARP->Host IPv4
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ARP->Response,192.168.0.111[B8:27:EB:D8:83:20]--> 192.168.0.1[00:0A:35:01:00:5B]
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|
|
Learn SMAC Port[0],B8:27:EB:D8:83:20
|
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|
Learn SMAC Port[0],NEIGH[0],Update[B8:27:EB:D8:83:20]!
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|
\end{code}
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|
\item 路由不可达
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\begin{code}[text]
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|
ICMP Report and Drop!
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\end{code}
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|
\item FIB表刷新
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\begin{code}[text]
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|
FIB4 fresh...
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|
\end{code}
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|
\end{itemize}
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\item 路由器工作不正确时，使用\texttt{xprintf}函数打印调试，
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建议根据不同类别数据流进行打印分析，调试某一些报文时，其他无关内容均不打印；
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\item 在任意一台测试主机\texttt{ping 8.8.8.8}，
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观察路由器分组处理流程及FIB表查找结果变化；
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\item 路由器正常工作后，复制保留程序输出日志信息。
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\end{enumerate}
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\subsection{思考题}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_rethink}
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\begin{enumerate}
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\item 系统内核的FIB表是如何生成的？生成FIB表的路由协议有哪些，各适应哪些环境？
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\item 什么是静态路由表？什么是动态路由表？
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\item FIB表查表不命中如何处理？
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FIB表指示的下一跳IP的MAC地址不存在如何处理当前分组数据？
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\item 本程序采用单核单线程处理多个端口的数据转发，如何改成多核多线程方式？
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\end{enumerate}
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\subsection{注意事项及有关说明}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_notice}
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\begin{enumerate}
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\item 可编程网络平台的路由器只是一个基础的路由器原型，
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分组处理方法与流程设计并不是规范，学生可根据自己理解创新实现；
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\item 控制平面的数据是通过平台开发环境重新导入到了系统内核处理，
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目的是为了支持该系统上的其他正常SOCKET应用，如Quagga路由软件。
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\end{enumerate}
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\subsection{考核方法}
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\label{subsec:c:router-ob:s:router_criterion}
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完成本次实验，需要提交一份实验报告、一份程序源代码和一分程序输出日志。
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程序源代码中用户添加的代码需要有详细的注释说明。
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\begin{enumerate}
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\item （20分）在规定时间内完成实验，并提交实验成果；
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\item （40分）实验报告中有详细的路由逻辑设计分析与实现说明；
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\item （10分）程序正常运行，测试主机可以ping通或抓包接收到对端报文；
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\item （10分）ARP请求与响应功能正常工作；
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\item （10分）测试主机可以ping通路由器端口的IP地址；
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\item （10分）实验报告与源代码内容完整、格式整洁。
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\end{enumerate}
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