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  • 另外,由于二三层转发基于MAC地址、IP地址、FDB表(MAC地址学习、更新、老化、删除等)、ARP表、路由表、三层转发表、VLAN端口类型(Access、Trunk、Hybrid)、VLAN帧格式、ARP报文格式等需要对此有基本的...

    首先二层转发是基于MAC地址转发,三层转发基于IP地址转发,但是这并不意味着仅仅依靠IP地址就能转发,三层转发是建立在二层的基础上的,而仅仅依靠MAC地址是能够转发的。另外,由于二三层转发基于MAC地址、IP地址、FDB表(MAC地址学习、更新、老化、删除等)、ARP表、路由表、三层转发表、VLAN端口类型(Access、Trunk、Hybrid)、VLAN帧格式、ARP报文格式等需要对此有基本的熟知。以下图为例,总结一下交换机中,基于VLAN的二三层转发原理。

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    0、基本概念术语:
    ①MAC地址:48bit的硬件地址,单播地址格式为首字节最低位为1,多播地址格式为首字节最低位为0,广播地址为全1(即FF:FF:FF:FF:FF:FF)。
    ②FDB表(FordWarding DateBase):即MAC地址映射表,有MAC地址、端口、VLAN ID等信息。
    ③ARP表:用于记录IP和MAC映射关系的表。
    ④三层转发表:即基于硬件三层转发的包含目的IP地址、VLAN ID、端口和下一跳MAC地址等的关系表。
    ⑤路由表:包含默认路由、RIP等动态路由的路由路径信息的记录表。
    ⑥VLAN端口:主要是Access一般是用于连接主机,其发出的数据帧不带tag标签;还有就是Trunk用于可连接不同交换机的主干链路,其上发出的数据帧可能会带tag标签,用以识别不同VLAN,如果没带则采用默认的VLAN (PVID)

    假设最开始所有PC和交换机没有任何表项存在(ARP缓存、FDB缓存、三层转发表缓存等),且端口均为Access模式。

    1、二层转发(同一VLAN中主机通信):
    以上图中PC_A ping PC_B为例来详细分析整个过程。
    ①PC_A(192.168.10.1/24) 要 ping PC_B(192.168.10.2/24),首先要去检查目标IP地址和自己的IP地址是否在同一个网段中,经过IP和子网掩码进行与运算,得知PC_A和PC_B属于语同一网段192.168.10.0网段。因此进行下一步:ARP表项查询。
    ②根据目标IP:192.168.10.2作为索引,在ARP表中查找对应的MAC地址,由于ARP表最开始是空的,所以没有找到对应MAC,因此PC_A需要发送一个ARP广播报文在VLAN 1中请求PC_B(192.168.10.2)的MAC地址,PC封装的ARP报文主要内容为(opcode操作码字段为0X01代表这是一个ARP请求报文,目标MAC由于不知道因此填充为0,其余包含以太帧头部具体如下图所示)

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    关于ARP报文各个字段的含义,用wireshark抓一个ARP包来查看,如下所示:

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    ③当交换机从a端口收到PC_A发出的报文,解析以太头部后发现目标MAC是FF:FF:FF:FF:FF:FF,则知其是一个广播帧,解析源MAC:MA,由于FDB表当前空空如也,因此先将port a<->MA<->VLAN 1等信息缓存到FDB表中。之后根据端口为Access模式,加上一个VLAN tag(主要包含优先级和VLAN ID=1),使其成为一个802.1Q的带有VLAN tag的以太帧,在交换机内部开始进行交换。
    ④端口检测后发现b、c、d三个端口(其实还有一个VLAN接口,暂不提及)归属于VLAN 1,因此将tag剥离并从这三个端口转发出去。
    ⑤当PC_C、PC_D收到该广播帧解析内容发现目标IP不是自己则丢弃该数据帧,而PC_B发现目标IP就是自己,则先将PC_A的192.168.10.1<->MA的映射信息更新到本地ARP表中。然后封装一个ARP回应的单播报文,内容主要为:源IP:192.168.10.2,目标IP:192.168.10.1,源MAC:MB,目标MAC:MA。发送出去,经端口b到达交换机。
    ⑥交换机收到来自端口b的报文,解析头部获得源MAC,则先将port b<->MB<->VLAN 1缓存到FDB表中去,由于FDB表中已经有了PC_A的MAC地址缓存,因此根据ARP回复报文数据帧头部的目标MAC将报文从端口a转发出去(该步中当然也存在入口数据帧tag的添加与出口数据帧tag剥离的操作)。
    ⑦PC_A接收到从端口a发出的ARP报文后,解析以太头部进行目标MAC匹配判断,匹配后解析报文内容,发现源IP<->源MAC的对应关系,因此先缓存192.168.10.2<->MB,到ARP表中,之后有了PC_B的MAC地址接可以封装icmp报文进行ping的后续操作了。
    ⑧交换机收到来自PC_A和PC_B的icmp request与icmp reply报文,由于之前有缓存FDB表项,因此之后只会更新对应表项的老化标志,长时间没有这俩源MAC的报文到交换机则会删除对应表项。

    2、三层转发(跨越不同VLAN的主机通信):
    以上,以一台交换机上的同一个VLAN内的不同主机通信为例,描述了的是二层转发的基本过程,包括ARP表查询、ARP请求、交换机MAC地址查询、FDB表缓存、端口类型检查、VLAN tag添加与剥离、目标主机ARP回复等步骤。而三层交换基本步骤差不多。以VLAN 1的PC_A(192.168.10.1,MA)和VLAN 2的PC_E(192.168.20.1,ME)相互ping为例分析(假设VLAN 1的网关为VLAN 1 interface的IP:192.168.10.254,VLAN 2的网关为VLAN 2 interface 的IP为192.168.20.254),以下过程也有加VLAN tag和剥离VLAN tag的过程,但与二层基本一致,因此不再赘述:

    ①当PC_A(192.168.10.1/24)要ping PC_E(192.168.20.1/24)时,依然是检查目标IP是不是和自己在同一个网段,发现不在同一网段(一个在10.0网段一个在20.0网段),则需要经过网关(这里是交换机三层接口)来转发,因此PC_A在自己的ARP表中寻找网关对应的MAC地址,如果有则直接将报文封装为:目标MAC为网关MAC,源MAC为MA,发送端IP为192.168.10.1,接收端IP为192.168.20.1。
    ②由于第一次PC_A的ARP缓存中不存在网关的MAC地址。则先向VLAN 1内广播发送一个ARP请求,请求网关192.168.10.254的MAC地址,封装为源MAC为MA,目标MAC不可知则为全0,源IP为192.168.10.1,目标IP为192.168.10.254,到链路层封装的头部为,源MAC为MA,目标MAC为全F即广播包,“帧类型”字段则填上ARP的协议号0x0806。
    ③交换机SW1收到PC_A发送的报文,二层解析头部检查为广播包,则从VLAN 1的除源端口外的各个端口转发出去,另外也转发一份到VLAN 1的三层接口,由于PC_A之前给PC_B发送过报文,SW 1有PC_A的FDB缓存,则检查匹配后更新老化标志位。此外将PC_A的IP、MAC、对应port、VLAN ID等信息记录到交换机的三层转发表中。
    ④VLAN 1其他主机收到请求对象不是自己的ARP请求,丢弃该广播报文,而SW 1的三层接口解析到目标IP是自己,则封装一个源MAC是交换机VLAN 1 interface的MAC,源IP是192.168.10.254,目标IP是192.168.10.1,目标MAC是MA的ARP应答报文,再经过以太头部封装,添加ARP单播报文头部,目标MAC为MA。交换机二层收到自三层的报文,解析数据帧头部,根据目标MAC地址MA在FDB表中查找到其出端口是port a,为ACCESS端口,则剥掉tag(之前请求报文进入port a之后会被加上tag,以致能够区分识别出VLAN 1的其他端口与VLAN 1 interface)转发给PC_A。
    ⑤PC_A收到网关的MAC地址,则将发给PC_E的报文修改目标MAC为VLAN 1 interface即网关的MAC地址,而目标IP依旧是PC_E的IP:192.168.20.1,然后封装以太头部以单播形式发送出去。
    ⑥SW 1在收到这个数据包后,因为“目的MAC地址”为交换机自己VLAN接口的MAC地址,而且“目的IP地址”和“源IP地址”不在同一网段,所以直接提交到三层,根据包中的“目的IP地址”(PC_E的IP地址)在三层硬件转发表中查看有无对应表项,因为是第一次通信,所以结果是查找失败,于是将数据包再转送到CPU去进行软件路由处理。
    ⑦ CPU同样会根据包中的“目的IP地址”去查找其软件路由表,发现匹配了一个直连网段(PC_E对应的网段),于是继续查在ARP表中查找对应的MAC地址项。同样是由于是第一次查找,所以仍然查找失败。如果在ARP表中找到了对应的MAC地址,则数据可以直接由软件路由表转发了。
    ⑧如果没查找到则以PC_E的目标IP为请求对象,在其所在VLAN 2的目标网段内发送ARP请求广播(目标MAC为全0,目标IP为192.168.20.1,源MAC为VLAN 2 interface对应MAC,源IP为VLAN 2 interface对应IP,192.168.20.254),PC_E则先缓存网关的ARP表项,然后以ARP单播形式回复自己的MAC地址ME给网关192.168.20.254,SW 1的CPU则根据回复的报文更新记三层转发表项,记录到PC_E的IP、MAC、出端口、VLAN ID等信息,此时三层转发表中有了PC_A和PC_E的转发表项。另外缓存PC_E的ARP表项与FDB表项目。
    ⑨三层交换机的CPU根据获取到的目标主机MAC和现有的直连路由信息将PC_A发来的数据包转发给PC_E,这就是一次单方向的三层转发过程,其中也大量涉及到了二层转发(PC_A在VLAN 1内广播请求网关MAC,交换机CPU控制在VLAN2内广播请求PC_E的MAC等)。
    ⑩当PC_E回复PC_A报文时,与PC_A步骤相同,只是在PC_E上已经存在了网关ARP表项、交换机上已经存在了到PC_A的三层转发表项、FDB表项等,所以会更简单些。另外由于三层转发表项的存在,因此PC_E回复PC_A的报文会直接根据三层转发表进行硬件转发,而不是CPU路由软件转发,效率会更快。

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  • 本文将重点谈谈三层交换技术的原理,在谈三层交换技术之前,想先简单介绍一下层交换技术。层交换的优势和不足层交换技术从网桥发展到VLAN(虚拟局域网),在局域网建设和改造中得到了广泛的应用。顾名思义,层...

    前言:我们常常听说三层交换机,也知道三层交换机的使用对网络管理、提高网络速度等有很大帮助。

    那么究竟三层交换技术是如何能够“起作用”的呢?本文将重点谈谈三层交换技术的原理,在谈三层交换技术之前,想先简单介绍一下二层交换技术。

    二层交换的优势和不足

    二层交换技术从网桥发展到VLAN(虚拟局域网),在局域网建设和改造中得到了广泛的应用。

    顾名思义,二层交换技术就是指交换机工作在OSI七层网络模型中的第二层,即数据链路层。它按照所接收到数据包的目的MAC地址来进行转发,对于网络层或者更高层协议来说是透明的。

    它不处理网络层的IP地址,不处理高层协议的诸如TCP、UDP的端口地址,它只需要数据包的物理地址即MAC地址,数据交换是靠硬件来实现的,其速度相当快,这是二层交换的一个显著的优点。

    但是,二层交换不能处理不同IP子网之间的数据交换。

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    上图:标准OSI参考模型

    三层交换技术的诞生

    与此相反的是,传统的路由器可以处理大量的跨越IP子网的数据包,但是转发效率远比二层低。

    那么是不是能产生一种技术,既能够利用二层转发效率高这一优点,又能够处理三层IP数据包呢?于是在这种需求下,三层交换技术诞生了。

    三层交换技术(也称多层交换技术,或IP交换技术)是相对于传统交换概念而提出的。

    众所周知,传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的,而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。

    简单地说,三层交换技术就是将路由技术与交换技术合二为一的技术,也即:二层交换技术+三层转发技术。

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    三层交换原理

    前面已经提到,第三层交换工作在OSI七层网络模型中的第三层即网络层。

    它是利用第三层协议中的IP包的报头信息来对后续数据业务流进行标记,具有同一标记的数据流的后续报文被交换到第二层数据链路层,从而打通源IP地址和目的IP地址之间的一条通路。这条通路仅经过第二层链路层。

    有了这条通路,三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由,而是直接将数据包进行转发,将数据流进行交换。

    用实例说明三层交换过程

    为了便于理解,下面举个实际的例子来说明三层交换过程是如何进行的:

    假设两个使用IP协议的站点A、B要通过一个三层交换机进行通信,站点A为发送站点,站点B为目的站点。

    • Step 1:A在开始发送时,把自己的IP地址与B的IP地址进行比较,判断B是否与自己在同一子网内。
    • Step 2:若B与A在同一子网内,则进行二层的转发;若不在同一子网内,A需要向“缺省网关”发出ARP(地址解析)封包。
    • 值得注意的是,不同于二层交换机的“缺省网关”是路由器,这里的“缺省网关”的IP地址其实是三层交换机的三层交换模块。
    • Step 3:当A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时,如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址,则向发送站A回复B的MAC地址。
    • Step 4: 如果三层交换模块未和B站点通信过,不知B的MAC地址,则会根据路由信息向B广播一个ARP请求,B得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址,三层交换模块保存此地址并回复给A,同时将B的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。
    • Step 5:此后,A向B发送的全部数据包通通交给二层交换来处理,无需再通过三层进行路由,从而实现高速数据交换。

    以上例子可以看出,数据通信仅仅在路由过程中才需要三层处理,绝大部分数据都通过二层交换转发,因此三层交换机的速度很快,基本接近二层交换机的转发速度。

    三层交换技术的作用

    三层交换技术的出现,解决了局域网中网段划分之后,网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面,从而缓解了由于路由器负担过重而造成的网络瓶颈问题。

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  • 以太网二层交换原理二层交换设备工作在OSI模型的第二层,即数据链路,它对数据包的转发是建立在MAC(Media Access Control )地址基础之上的。二层交换设备不同的接口发送和接收数据独立,各接口属于不同的冲突域,...

    以太网二层交换原理

    二层交换设备工作在OSI模型的第二层,即数据链路层,它对数据包的转发是建立在MAC(Media Access Control )地址基础之上的。

    二层交换设备不同的接口发送和接收数据独立,各接口属于不同的冲突域,因此有效地隔离了网络中物理层冲突域,使得通过它互连的主机(或网络)之间不必再担心流量大小对于数据发送冲突的影响。

    二层交换设备通过解析和学习以太网帧的源MAC来维护MAC地址与接口的对应关系(保存MAC与接口对应关系的表称为MAC表),通过其目的MAC来查找MAC表决定向哪个接口转发,基本流程如下:

    二层交换设备收到以太网帧,将其源MAC与接收接口的对应关系写入MAC表,作为以后的二层转发依据。如果MAC表中已有相同表项,那么就刷新该表项的老化时间。

    MAC表表项采取一定的老化更新机制,老化时间内未得到刷新的表项将被删除掉。

    根据以太网帧的目的MAC去查找MAC表,如果没有找到匹配表项,那么向所有接口转发(报文的入接口除外);如果目的MAC是广播地址,那么向所有接口转发(报文的入接口除外);如果能够找到匹配表项,则向表项所示的对应接口转发。

    从上述流程可以看出,二层交换通过维护MAC表以及根据目的MAC查表转发,有效的利用了网络带宽,改善了网络性能。

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    图1 二层交换示例

    上图1是一个二层交换的示例。

    上图PC A启动后,网卡会发送带有PCA MAC地址的数据包到交换机,交换机是从port1收到的PC A的MAC地址,然后将MAC和端口记录在FDB表里,同样会依据此规则记录PC C和PC B。如果PC A 要与PC C 通信,则交换机根据FDB查找相应的端口转发数据到该PC。详细过程可见后面三层交换原理。

    二层交换设备虽然能够隔离冲突域,但是它并不能有效的划分广播域。因为从前面介绍的二层交换设备转发流程可以看出,广播报文以及目的MAC查找失败的报文会向除报文的入接口之外的其它所有接口转发,当网络中的主机数量增多时,这种情况会消耗大量的网络带宽,并且在安全性方面也带来一系列问题。

    当然,通过路由器来隔离广播域是一个办法,但是由于路由器的高成本以及转发性能低的特点使得这一方法应用有限。基于这些情况,二层交换中出现了VLAN技术。

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  • 层交换机和三层交换机的原理: 简单地说,三层交换技术就是:层交换技术+三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后,网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面,解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈...

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空空如也

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二三层转发原理及过程