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  • 交换机数据转发过程
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    2022-06-14 14:14:06

    一、交换机转发原理

    • 交换机接口怎么处理数据

    交换机依靠ARP表单生成mac地址表,依靠mac地址转发数据,交换机处理数据时,有三个处理行为:

    泛洪:接收到的是广播帧,交换机会广播泛洪(arp request广播帧); 目的mac广播   

    转发:如果接收的是一个已知的单播帧(可以匹配到mac-address table)交换机转发.

    丢弃:交换机接收的是一个未知的单播帧(匹配不到目的mac-address表),交换机丢弃该数据帧.

    2、交换机二层转发原理

    如果是二层转发,交换机依靠mac-address表转发数据流量,mac-address表总共有三要素:目的mac,vlanid,数据出接口

    Mac-address表通过ARP表单生成, 交换机在报文入接口学习ARP报文的源MAC,生成arp缓存表,Mac-address表通过arp缓存表生成。

    ARP是将IP地址解析为MAC的协议,Arp表单主要体现ip和mac的对应关系。

    二层详细转发原理:

    PC在进行通信时,会进行与运算,计算目的地址和自己本身IP的网络位是否相同,网络位相同,进行二层通信。

    此时pc会触发arp广播,请求目的地址的mac,交换机接收到arp广播请求,交换机会在arp报文的入接口学习arp报文的原mac,生成arp表单,mac-address表通过arp表单生成;同时交换机会将arp广播报文泛洪到同vlan的所有接口。

    目的主机接收到arp广播请求后,目的主机会通过arp-reply单播回应arp广播请求,交换机接收到arp-reply单播回应后,交换机会在arp报文的入接口学习arp报文的原mac,生成arp表单,通过arp表单生成mac-address表。

    原Pc接收到arp回应后,开始触发tcp/ip网络模型数据封装,数据封装好之后,就会发往目的地址,交换机接收到数据之后,就会通过mac-address表做数据转发。

    3、交换机三层转发原理

    PC在进行通信时,会进行与运算,计算网络位是否相同,网络位相同,进行二层通信,网络位不同,进行三层通信。交换机三层是通过IP路由表进行数据转发的.

    进行三层转发时,目的MAC封装为网关MAC,网关接收到之后,会脱掉MAC帧头,读取IP包头,如果目的IP为网关IP,脱掉IP头部,获取数据信息,如果目的IP不是网关IP,依靠IP路由表进行路由,依靠路由表转发时,重新封装MAC,源MAC为路由条目出接口MAC,目的MAC为路由下一跳MAC。

     

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    路由器的转发过程:在这里插入图片描述
    PC1在本网段广播一个数据帧(目标MAC地址为:全F)本网段直连路由器可以直接接受帧
    由于PC2和PC1不在同一网段,路由器不转发广播帧。需要路由器来完成一系列的封装和解封装
    首先一个从PC1发出的流量帧经过AR1路由器,路由器先看目标MAC是否为自己,发现是就开始解封装,再经过G0/0/0重新封装源MAC与目标MAC源MAC为自己的MAC目标MAC为AR2的G0/0/0 流量发出去,AR2开始看目标MAC然后开始解封装,然后再到G0/0/1开始分装

    交换机的转发过程:当交换机收到一个数据包时;
    交换机会将这个数据包包头的目的MAC信息提取出来,与自身的MAC地址表比较;
    情况一:如果找到对应项,则按MAC表进行转发;
    情况二:如果没找到对应项,则在除了接收到数据包以外的所有端口进行转发(广播)

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  • 交换机二层转发过程(Ping过程)

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    交换机二层转发过程(Ping过程) 1. 前置条件 如下图,交换机端口1和端口2属于同一VLAN 10。PC1接在端口1上,PC2接在端口2上。PC1的MAC地址为0000-0000-0001,IP地址为10.0.0.2/24,PC2的MAC地址为0000-0000-0001,...

    交换机二层转发过程(Ping过程)

    1. 前置条件

    如下图,交换机端口1和端口2属于同一VLAN 10。PC1接在端口1上,PC2接在端口2上。PC1的MAC地址为0000-0000-0001,IP地址为10.0.0.2/24,PC2的MAC地址为0000-0000-0001,IP地址为10.0.0.3/24。

    图1

    2. PC1将目的IP与掩码进行按位与运算,得到目的IP的网络号,与本机网络号进行比较,发现是同一网段

    在这里插入图片描述

    3. PC1查看本机ARP表里面是否有目的IP的ARP表项,发现没有查找到

    在这里插入图片描述

    4. PC1构造一个ARP请求报文,请求10.0.0.3的MAC地址,报文的源MAC为本机MAC,目的MAC为广播MAC

    在这里插入图片描述

    5. PC1将ARP请求报文发送出去

    在这里插入图片描述

    6. 交换机从端口1接收到ARP请求报文,根据报文的源MAC地址创建一个MAC地址表项

    在这里插入图片描述

    7. 交换机检查报文的目的MAC为广播MAC,将报文从除端口1以外的其他端口发送出去

    在这里插入图片描述

    8. PC2接收到ARP请求报文,检查其目的MAC为广播MAC,于是接收该报文

    在这里插入图片描述

    9. PC2根据二层头中的类型字段确认是ARP报文,于是交给ARP模块处理

    在这里插入图片描述

    10. ARP模块根据报文的源MAC和源IP,创建一个ARP表项,便于后续收发报文

    在这里插入图片描述

    11. ARP模块发现请求的是本机IP地址的MAC地址,于是构造一个ARP应答报文,源MAC为本机MAC,目的MAC为PC1的MAC,告诉PC1本机的MAC地址。然后将该ARP应答报文发送出去

    在这里插入图片描述

    12. 交换机从端口2接收到ARP应答报文,根据报文的源MAC学习PC2的MAC地址,并创建一个MAC表项

    在这里插入图片描述

    13. 交换机检查ARP应答报文的目的MAC,发现是一个单播MAC,于是查找本机的MAC地址表,匹配到之前已经创建的MAC地址表项,根据该MAC地址表项,将报文从端口1发送出去

    在这里插入图片描述

    14. PC1接收到ARP应答报文,检查目的MAC为本机MAC,于是接收该报文

    在这里插入图片描述

    15. PC1根据报文中二层头中的类型字段确定是ARP报文,于是交个ARP模块处理

    在这里插入图片描述

    16. ARP模块检查报文的ARP头,发现是对之前请求报文的应答,根据报文信息创建一个ARP表项

    在这里插入图片描述

    17. PC1根据已经创建的ARP表项构造一个ICMP请求报文,源IP为本机IP,目的IP为PC2的IP,源MAC为本机MAC,目的MAC为PC2的MAC,并发送出去

    在这里插入图片描述

    18. 交换机接收到ICMP请求报文,检查报文的源MAC,发现已经有相关MAC表项,于是更新表项的老化时间

    在这里插入图片描述

    19. 交换机检查ICMP请求报文的目的MAC,发现是一个单播MAC,查找本机的MAC地址表,匹配到之前已经创建的MAC地址表项,根据该表项,将报文从端口2发送出去

    在这里插入图片描述

    20. PC2接收到ICMP请求报文,检查其目的MAC为本机MAC,于是接收该报文

    在这里插入图片描述

    21. PC2检查报文二层头中的类型字段,发现是IP报文,交给IP协议栈处理。IP协议栈检查IP头中的协议字段,发现是ICMP报文,交给ICMP模块处理

    在这里插入图片描述

    22. ICMP模块发现是ICMP请求报文,请求的是本机IP,于是构造一个ICMP应答报文,源MAC为本机MAC,源IP为本机IP,目的MAC为PC1的MAC,目的IP为PC1的IP,并将报文发送出去。

    在这里插入图片描述

    23. 交换机从端口2接收到ICMP应答报文,检查该报文的源MAC,发现已经有该MAC地址的表项,于是更新表项的老化时间

    在这里插入图片描述

    24. 交换机检查该报文的目的MAC,发现是一个单播MAC,于是查找本机的MAC地址表,匹配到一个之前已经创建的MAC表项,根据该MAC表项从端口1将报文发送出去

    在这里插入图片描述

    25. PC1接收到ICMP应答报文,检查报文的目的MAC为本机MAC,于是接收该报文

    在这里插入图片描述

    26. PC1根据报文的二层头中的类型字段发现是IP报文,交个IP协议栈处理,IP协议栈检查IP头中的协议字段,发现是ICMP报文,交个ICMP模块处理

    在这里插入图片描述

    27. ICMP模块检查ICMP报文内容,发现该报文时对之前请求报文的应答,处理该报文,流程结束

    在这里插入图片描述

    28. 总结

    Ping的过程隐含了一个ARP请求的过程。
    Ping的第一个报文有可能不通,这是因为ARP请求的时间过长,导致第一个ping报文超时。
    ARP表有老化时间,如果长时间没有跟目的主机通信,再次通信需要重新发起ARP请求。
    两台主机之间处于同一网段的时候,交换机只做二层转发。

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  • 三层交换机转发原理

    千次阅读 2021-12-31 18:30:49
    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...

    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

    展开全文
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交换机数据转发过程