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  • 交换机二三层转发原理简单总结

    万次阅读 多人点赞 2018-08-26 23:57:48
    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...

    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。
    这里写图片描述

    0、基本概念术语:
    ①MAC地址:48bit的硬件地址,组播地址格式为首字节最低位为1,单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)
    这里写图片描述
    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:
    这里写图片描述
    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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    如果设备接收到的报文的目的MAC地址匹配三层接口的MAC地址,则通过设备的三层接口进行三层转发;否则通过设备的二层接口进行二层转发。

    二层转发根据报文的目的MAC地址查找MAC地址表,得到报文的出接口,然后将报文发送出去。

    1. 当三层交换机为终端网关时,那么终端跨网段访问必定会将数据包发送给网关(此三层交换机的三层接口)。
    2. 当三层交换机的三层接口为某条路由的下一跳

    此时三层交换机接收到的报文的目的MAC地址就是此三层交换机三层接口的MC地址,则进行三层转发

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  • 三层交换机,通俗一点来说就是具有二层交换技术+三层转发技术的交换机。“一次路由,多次转发”是三层交换机的核心优势。基于三层交换机优秀的性能,在大型企业局域网中,从接入到核心大多都用三层交换机,而少...

    三层交换机,通俗一点来说就是具有二层交换技术+三层转发技术的交换机。

    “一次路由,多次转发”是三层交换机的核心优势。基于三层交换机优秀的性能,在大型企业局域网中,从接入层到核心层大多都用三层交换机,而少用二层交换机。

    为什么三层交换机这么优秀?

    三层交换机是如何实现“一次路由,多次转发”的?

    讲原理太难懂,不如举个栗子来说明

    三层交换机的工作原理,比谈恋爱还简单

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    剧情开始

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    在一个教室中,有两个男生(小C和小B)特别喜欢坐在他们前面的女生(小A)。某天,小C收到女生小A递来的小纸条,欣喜若狂。

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    小C高兴地拿着纸条,然后打开了

    定眼一看,上面写着

    “小B微信是多少呀”

    ……

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    这时的女生小A,可以比作一个发送站A,发送站想与B站(小B)获得联系,但发现自己与B站不在同一子网内,这时发送站A(女生)就得向三层交换模块发出ARP请求(纸条)。这时的小C,就相当于三层交换机的交换模块。

    返回剧情,这时的小C该怎么做?

    选择1:知道小B微信,直接把微信给女生小A。

    选择2:不知道小B微信,问小B要微信,再给女生小A。

    选择1:

    假设小C知道小B微信,即便内心悲痛万分,为了表面上的得体,小C还是会直接回复小B微信给女生小A。

    这就好比三层交换机的交换模块,在一个发送站A(女生)对三层交换模块(小C)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(小B)的MAC地址,则向发送站A回复B的MAC地址。

    选择2:

    可怜的小C不知道小B微信是多少,但是喜欢的女生问自己的问题总得认真回答。小C无可奈何,只能向小B发出询问,在得到小B微信后,再把微信号码传达给女生小A。

    这就好比交换机三层交换模块(小C)并不知道B站(小B)的MAC地址的情况下,便会根据路由信息向B站广播一个ARP请求,B站得到ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址,三层交换模块保存地址并回复给发送站A(女生)。

    在现实生活中,女生得知小B微信后,就会直接联系小B,小C这架可怜的“僚机”,也就失去了原本的作用,就此失恋。

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    但在交换机原理中,三层交换模块会将B站的MAC地址发送到二层引擎的MAC地址表中。以后,A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理,能够更好地实现信息高速转发。

    以上内容,就是三层交换机“一次路由,多次转发”的原理,怎么样,是不是比谈恋爱还简单?

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  • 三层交换机所能提供的路由功能和快速转发能力使得很多新人网工自然而然的产生了一个疑问,这两者究竟有什么区别?这个问题的实在是答案在网上汗牛充栋,且答案也都相对详尽。笔者在参考总结各路大神资料的基础上力争...

    三层交换机所能提供的路由功能和快速转发能力使得很多新人网工自然而然的产生了一个疑问,这两者究竟有什么区别?这个问题的实在是答案在网上汗牛充栋,且答案也都相对详尽。笔者在参考总结各路大神资料的基础上力争用通俗易通的方式理论化的来对两者做一辨析,以期加深对二者的理解,更好的为实践服务。

    一、功能

    路由器功能:路由器是工作在OSI模型中第三层(网络层)的设备,主要作用就是连接不同的网络,提供寻址和中继数据包的服务,可以理解成不同网络之间的桥梁或者纽带。所谓不同的网络,可以是不同类型的网络比如以太网或者ATM网络,也可以是同类不同规模的网络之间的连接(例如不同网段的局域网,或者局域网和城域网之间的连接)。

    交换机功能:常规交换机是工作在OSI模型中的第二层(数据链路层)的设备。简单来说交换机提供的是交换数据帧的功能,能把对应的数据帧发送到对应的Mac地址上。是局域网内(同一网段)设备之间互联的设备。

    简单地说,三层交换机是在二层交换机的基础上,加入了部分路由的功能。也正因为这部分功能的重叠,导致了很多人产生了两者能否相互替代的疑问。诚然,三层交换机和路由器有一定功能上的相同,其中最大的相同点在于两者均具备路由转发功能,但两者的区别也十分明显,功能上的区别可以说是最突出的一项。

    经过比较我们不难总结出路由器和三层交换机在功能上存在的差异。尽管两者都具备路由功能,但三层交换机主要的功能仍是局域网内的数据交换,其路由功能主要为vlan间通信和不同网段间通信提供服务,其接口数量较多但样式比较单一(主要以以太网接口为主)。而路由器则不具备数据交换的功能,其路由功能主要是为不同类型的网络之间路由寻址服务的。路由器的接口类型丰富(因而更能适应不同类型网络的互联)但接口数量较少,且不支持局域网内或同一网段内设备的互联。

    二、性能

    路由器工作原理:路由器会通过软件计算并生成一张路由表,每台路由器会维护自己的路由表。对每一个接收到的数据包,路由器会进行检查和分析,如果满足各项条件且在路由表中查到了对应的条目,路由器的转发就会将包通过对应的接口转发出去。简单来说,每一个经过路由器的数据包都会被路由器进行处理,因此路由器转发数据包的速度并相对三层交换机来说要慢一些。但由于路由器有高性能的CPU和功能强大的控制软件,路由器在维护路由表方面无论是路由计算速度还是其他功能方面(如NAT,VPN,拥塞控制等)均比三层交换机要强大很多。

    三层交换机工作原理:三层交换机有独立的转发芯片和控制芯片,主要是通过硬件来进行数据转发的。三层交换机也要维护自己的路由表(路由的计算主要由控制芯片和相应软件负责),三层交换机通过路由表传输第一个数据流后,会产生一个MAC地址与IP地址的映射表。当同样的数据流再次通过时,将根据此表直接从二层通过而不是通过三层,从而消除了路由器进行路由选择而造成的网络延迟,提高了数据包转发效率。

    通过总结比较我们可以得出如下结论:三层交换机和路由器均具备路由功能可以转发数据包,但两者的转发机制不同,也就导致了两者的转发效率不同。三层交换机因为采用硬件转发方式,因此对数据流中后续包的转发速度明显快于每个包都要检查处理的路由器。但路由器的路由收敛速度一般快于三层交换机,在遇到网络震荡的时候其表现往往强于三层交换机。

    三、适用环境

    三层交换机的本质仍是一个交换机,因而主要适用的场合是局域网内不同逻辑网段之间的通信,相当于将原来需要路由器承担的任务用价格相对更为低廉且转发速度更快的三层交换机来代替。但对于充当网关、防火墙等需求,或需要NAT、VPN等功能的局域网与外部网络间连接设备的场景,路由器仍然是不可或缺的。举例来说,对于多部门的公司,部门之间用VLAN进行隔离,因此在部门间组网的时候可以选择三层交换机,在公司办公网的出局接口,可以部署路由器来做网关和防火墙。

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