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  • 三层交换机转发原理和实验
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    2020-12-12 00:32:37

    模拟器:eNSP

    核心机制:通过VLANIF接口完成

    在这里插入图片描述
    为了保证第一次数据流通过路由表正常转发,路由表中必须有正确的路由表项。因此必须在三层交换机上部署三层接口并部署路由协议,实现三层路由可达。VLANIF接口由此而产生。

    拓扑描述:
    在交换机上划分了2个VLAN,VLAN2和VLAN3。可通过如下配置实现VLAN间互通。
    1.在S1上创建2个VLANIF接口并配置VLANIF接口的IP地址,保证两个VLANIF接口对应的IP地址路由可通。
    2.将用户设备的缺省网关设置为所属VLAN对应VLANIF接口的IP地址。

    PC1和PC2的通信过程如下:
    1.PC1将PC2的IP地址和自己所在网段进行比较,发现PC2和自己不在同一个子网。
    2.PC1发送ARP请求给自己的网关S1,请求网关的MAC地址。
    3.S1收到该ARP请求后,返回ARP应答报文,报文中源MAC地址为VLANIF2的MAC地址。
    4.PC1学习到网关的MAC地址。
    5.PC1向网关发送目的MAC为VLANIF2接口MAC 地址、目的IP为PC2的IP地址的报文。
    6.S1收到该报文后进行三层转发,发现PC2的IP地址为直连路由,报文将通VLANIF3 接口进行转发。
    7.S1作为VLAN3内主机的网关,向VLAN3内发送一个ARP广播,请求PC2的MAC地址。
    8.PC2收到网关发送的ARP广播后,对此请求进行ARP应答。
    9.网关收到PC2的应答后,就把PC1的报文发送给PC2。PC1之后要发给PC2的报文将由交换机S1做三层交换。

    实验:

    在这里插入图片描述
    如图所示,PC1在vlan10中,ip地址为10.1.1.1/24,网关为10.1.1.254,PC2在vlan20中,ip地址为10.1.2.1/24,网关为10.1.2.254。现在为了让PC1和PC2通信,在SW1上创建两个vlanif接口,一个接口作为vlan10的网关,另一个接口作为vlan20的网关。

    当PC1pingPC2时(假设已经有了网关vlanif接口的MAC地址),首先PC1封装ICMP报文从e0/0/1接口发送出去,到达SW1,打上vlan10的报文,这个时候无法进行二层转发,因为目的MAC是自己的vlan10接口的ip地址,会拆包到三层到相应vlan的VLANIF接口进行处理,发现目的IP地址不是自己,所以进行转发,查看路由表:
    在这里插入图片描述
    查看到了10.1.2.0/24网段的出接口为10.1.2.254,这个接口就是vlanif20,这时从这个接口发送出去,但是怎么知道从哪个物理接口呢,这时如果PC2的MAC地址没有绑定在交换机上,SW1则需要发出带有vlan20 tag的arp请求报文请求对方的MAC地址(因为是直连,如果不直连,请求下一跳的MAC地址)到所有可以加入了vlan20的接口上,也就是e0/0/2,这时出去的时候将标签摘除,PC2接收到以后进行arp报文回复,这样在e0/0/2接口上就绑定了对应的MAC地址,再进行报文的封装,封装vlanif接口的MAC地址和对方的MAC地址查找MAC地址表项从相应的物理接口发送出去。

    注意:VLANIF接口的地址通常是物理接口IP地址中选择一个,或者使用交换机的背板地址。

    参考资料:华为文档

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  • 交换机转发原理

    千次阅读 2021-01-23 13:44:10
    在不涉及VLAN的情况下,交换机转发原理可以概括地描述为: (1)如果进入交换机的是一个单播帧,则交换机会去MAC地址表中查找这个帧的目的MAC地址,如果查不到这个MAC地址,则交换机将对该帧执行泛洪操作;如果查到了这个...

    原理概述
    MAC地址表是交换机的一个核心组成部分,交换机主要是根据MAC地址表来进行帧的转发的。交换机对帧的转发操作行为一共有3种:泛洪( Flooding)转发(Forwarding)和丢弃( Discarding)。关于这3种转发操作行为的具体含义在此不再赘述。


    在不涉及VLAN的情况下,交换机的转发原理可以概括地描述为:

    (1)如果进入交换机的是一个单播帧,则交换机会去MAC地址表中查找这个帧的目的MAC地址,如果查不到这个MAC地址,则交换机将对该帧执行泛洪操作;如果查到了这个MAC地址,则比较这个MAC地址在MAC地址表中对应的端口是不是这个帧进入交换机的那个端口,如果不是,则交换机将对该帧执行转发操作,如果是,则交换机将对该帧执行丢弃操作。

    (2)如果进入交换机的是一个广播帧,则交换机不会去查MAC地址表,而是直接对该帧执行泛洪操作。

    (3)如果进入交换机的是一个组播帧,则交换机的处理行为比较复杂。

    每当IP模块收到上层应用的加入组播组的请求之后,IP模块就会向数据链路层通告,通告的时候携带了组播组的IP地址,于是数据链路层就会把IP地址进行适当的变换变换的结果就是一个组播MAC地址,于是数据链路层把这个组播MAC地址插入自己的接收列表里面,以后每当有数据帧到来的时候,数据链路层就会把数据帧的目的MAC地址跟接收列表里的每项内容进行比较,遇到任何匹配的一项就接收
    下来,并向IP层传送。
    数据链路层如何区分单播MAC地址跟组播MAC地址?一般情况下单播MAC地址的最高字节的最低比特为0,而组播MAC地址的最高字节的最低比特为1

     

    数据链路层做一个IP地址跟组播MAC地址的影射,这个影射是怎样的?

    比如

    IP模块告诉数据链路层软件,自己加入了一个组播组224.10.10.10,则数据链路层形成一个MAC地址01--00--5E--0A--0A--0A(取组播IP地址低23位,高位为上面介绍的规则)并加入接收地址列表中,

    交换机根据什么创建组播转发项,并对组播转发项的出口集合做出修改?

    回忆单播的情况下,交换机是根据学习来获得单播转发表的,在组播情况下,学习能否奏效?其实在组播情况下,学习是不行的,因为在单播情况下的学习是针对数据帧的源MAC地址进行的,而组播MAC地址不可能出现在数据帧的源MAC地址位置上(组播MAC地址出现的唯一位置就是数据帧的目的MAC地址),所以根本无法学习。这时候我们必须想一些其他办法来解决该问题,这些办法就是二层组播协议(IGMP)。

    交换机分析每个接收到的组播数据帧(IGMP加入消息是以组播方式发送的),看该数据是否是一个IGMP加入消息,如果是,则从消息中就可以知道发出该消息的主机想加入的组播组,根据该组播组的IP地址形成组播MAC地址,并把接收到该消息的端口加入出口列表,这样一个组播转发项就创建完成了。 完成之后,交换机把刚才拦截的IGMP消息在不加改变的转发出去。这样不停的窥探,交换机就可以掌握网络上的组播成员情况,并反映在自己内部转发表里,以后就根据创建的组播转发表来进行数据的转发

    交换机具有转发帧的能力,同时还具有MAC地址学习能力。当一个帧进入交换机后,交换机会检查这个帧的源MAC地址,并将该MAC地址与这个帧进入交换机的那个端口进行映射,然后将这个映射关系作为一个动态地址表项存放进MAC地址表。MAC地址表是一张动态的表,每个表项在创建或刷新时,都会设定并维护一个默认是300s的生存期(也称为老化周期)。一个MAC地址表项如果超过了生存期,则该表项会立即被自动清除。MAC地址表中的表项分为动态表项和静态表项,前者是交换机通过动态学习过程创建的,后者是通过手工配置创建的。静态表项不存在生存期的概念,并且其优先级高于动态表项:对于一个特定的MAC地址,如果手工配置了关于它的静态表项,则MAC地址表中将不会再出现关于它的动态表项。


    如果两台主机之间通过交换机相连,那么其中一台主机在向另一台主机发送数据帧的时候,会首先在自己的ARP缓存表中查找目标主机的MAC地址。如果ARP缓存表中不存在目标主机的MAC地址,则源主机会以广播帧的形式发送ARP请求报文来获取目标主机的MAC地址,目标主机接收到该ARP请求报文后,会以单播帧的形式回应一个ARP回复报文,告知自己的MAC地址。源主机在获取了目标主机的MAC地址后,一方面可利用该MAC地址向目标主机发起通信,另一方面会将目标主机的IP地址和MAC地址建立一个映射关系,并将此映射关系作为一个条目存放在自己的ARP缓存表中。ARP缓存表也是一张动态的表,关于其动态机制这里就不再赘述了。

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  • 三层交换机转发原理

    千次阅读 2021-12-31 18:30:49
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    1、三层交换机:

    不同局域网之间的网络互访需求越来越大,而路由器自身成本高、转发性能低、端口数量少等特点无法很好的满足网络发展的需求。
    三层交换机:高速三层转发设备,大多数三层交换机采用ASIC硬件芯片来完成转发的功能。

    2、作用:

    1.同一网段
    源主机直接向目的主机发ARP请求,收到对方的回应后获得对方MAC地址,将数据报进行封装发送出去。
    2.不同网段
    通过网关来递交报文,即发送ARP请求来获取网关IP地址对应的MAC,在得到网关的ARP应答后,用网关MAC作为报文的目的MAC进行封装后发送。

    3、三层交换机硬件结构:
    在这里插入图片描述
    ASIC作用:完成主要的二三层转发功能,内部包含用于二层转发的MAC 地址表以及用于IP 转发的三层转发表。
    CPU作用:用于转发的控制,主要维护一些软件表项(包括软件路由表、软件ARP 表等等),并根据软件表项的转发信息来配置ASIC 的硬件三层转发表。当然,CPU 本身也可以完成软件三层转发。

    4、三层交换机转发流程:

    L3_SW1上配置静态路由:ip route 2.1.1.0/24 3.1.1.2
    L3_SW2上配置静态路由:ip route 1.1.1.0/24 3.1.1.1
    在这里插入图片描述

    5、三层交换机转发原理:

    1、PC要与目的主机通信,若发现目的主机IP与自己IP不同网段,则知道需要跨网段通信,
    2、PC在自己ARP表查找网关的ARP表,如果没有网关IP对应的ARP表,则向网关发送ARP请求报文,来学习网关的ARP表。
    3、PC学习到网关的ARP表后,就构造IP报文发给网关,IP报文的源IP和源mac均是PC自己的IP和mac,目的IP是目的主机IP,目的mac是网关mac
    4、三层交换机收到PC发过来的报文后,检测报文的目的mac是设备的mac,就判断该IP报文可能需要三层转发,接着根据报文的目的IP查找路由表:1)如果在路由表里没有找到目的IP或网段,则丢弃该报文;2)如果在路由表找到目的IP或网段,就确定目的IP或网段对应路由表的下一跳IP,再查找下一跳IP对应的ARP表,如果找到,就把IP报文转发到ARP表对应的端口并从该端口转发出去;如果下一跳IP没有对应的ARP表,则把报文送上CPU,由CPU发送下一跳IP的ARP请求报文,来学习ARP表,学到之后再把IP报文转发到ARP表对应的端口并从该端口转发出去
    5、IP报文从三层交换机转发出去时,IP报文的源mac变为三层交换机的mac,目的mac变为下一跳IP的mac,源IP和目的IP不变

    6、三层交换机转发特性:

    1、如果三层交换机没有三层硬件转发表,会把IP报文送上CPU,通过CPU转发
    2、如果已经建立了三层硬件转发表,则IP报文通过ASIC硬件转发
    3、三层硬件转发表由硬件路由表和硬件ARP表组成
    4、三层交换机的CPU通过协议学习,或者手工配置,在CPU形成软件路由表和ARP表,再下发到硬件ASIC,形成硬件路由表和硬件ARP表,两者结合形成三层硬件转发表
    5、IP报文在三层转发过程中,源IP和目的IP不变,源mac和目的mac会改变
    路由表查找按照最长匹配原则,匹配顺序:主机路由>网段路由>默认路由

    三层交换机转发流程图:
    在这里插入图片描述

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  • 对二层以太网交换机的总结,包括帧结构,帧分类,XCAP的使用,二层转发原理的简单介绍

    一,以太网帧格式的分类:

    1,802.3定义的帧格式

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA6buE6Imy5bCP5bCP6I2J5Li2,size_12,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    2,Ehernet 2定义的帧格式

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    各字段说明

    1,目的MAC:占6字节,表示该帧的接收者(目的地),目的MAC可以是单播MAC,组播MAC,广播MAC。

    2,源MAC:占6字节,表示该帧的发送者(出发地),源MAC只能是一个单播MAC。

    3,TYPE,占2个字节,表示有效载荷的数据类型。例如,该字段值为0X0800,则表示有效载荷数据是一个IPV4 Packet。

    4,载荷数据:该字段的长度时可改变的,最短为46字节,最长为1500字节,

    5,CRC:占4字节,表示对该帧进行差错校验

    二,使用XCAP构造Ehernet 2

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    三,以太网帧的分类

    1,单播以太帧

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    2,组播以太帧

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    3,广播以太帧

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    四,以太网交换机-单交换机

    1,3种转发操作

    转发(forwarding):一个帧进入交换机后,通过另外一个端口转发(除自己以外的端口)

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    丢弃(discarding):交换机把进入端口的帧直接丢弃,被丢弃的帧不进行转发

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    泛洪(flooding):交换机把从某一个端口进入的帧通过所有的端口转发(除自己以外)

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    2,交换机的转发原理:交换机系统内存在一个MAC地址表,MAC地址表记录了MAC地址与端口的映射关系。交换机具有学习能力,即交换机基于源地址学习,基于目的地址转发。

    基本工作原理如下:

    当传输介质进入交换机的某个端口;交换机识别到是单播帧;则交换机根据缓存中的mac地址表中查找对应的帧与端口的转发关系转发出去。如果该单播帧在mac表中mac地址与端口对应关系是本端口;则直接丢弃。

    如果查找不到该帧在mac地址表中的缓存;则以泛洪的方式转发出去。

    交换机如果收到的是广播帧;交换机不会查询mac地址表;而是直接进行泛洪操作。

    交换机如果收到的是组播帧;转发比较复杂;将在后文进行表述

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