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  • 交换机对数据帧的转发原理
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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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  • 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,则交换机会去MAC地址表中查找这个的目的MAC地址,如果查不到这个MAC地址,则交换机执行泛洪操作;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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  • 交换机与二层转发原理

    千次阅读 2022-04-17 23:04:05
    本文详细介绍了以太网交换机的二层转发原理,以太网在网络中的运动轨迹

    一:二层交换机原理

    1.接收网段上的所有数据帧;

    2.利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表(源地址自学习),使用地址老化机制进行地址表维护;

    3.在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址,如果找到就将该数据帧发送到相应的端口(不包括源端口);如果找不到,就向所有的端口发送(不包括源端口);

    4.向所有端口转发广播帧和多播帧(不包括源端口)。

    二:三种交换模式

    l Cut-Through(直通交换):

    只检查包的包头(通常只检查14字节),不存储,不检测错误,延迟小,交换速度快,接收到目的地址即开始转发过程

    l Store-and-Forward(存储转发):

    交换机将全部内容接收存储才开始转发过程,检测错误,不会有错包,

    延迟大,支持不同速率端口间的转发

    l Frag-free(碎片隔离):

    交换机接收完数据包的前64字节(一个最短帧长度),然后根据头信息查表转发。

    结合了直通方式和存储转发方式的优点。

    三:L2工作模型

    (网桥/以太网交换机/L2) 设备工作模型:

    四:L2交换机转发原理

    假设:交换机LSW1有4个端口,分别是port1,2,3,4,MAC缓存表为空;PC1的BIA(MAC)地址为MAC-A,PC2的BIA(MAC)地址为MAC-B,PC3的BIA(MAC)地址为MAC-C,PC4的BIA(MAC)地址为MAC-D。

    现在PC1需要向PC3发送一个单播帧X-Frame,则把PC1称为源主机,PC3称为目的主机,X-Frame从源主机PC1到达目的主机PC3的活动轨迹如下描述:

    1,PC1上的应用软件产生数据,经过TCP/IP模型后,得到数据包(Packet),数据包下发给PC1网卡上的CU(控制单元),会将数据包封装成帧,假设第一个帧叫X-frame,CU将PC3的MAC地址封装成X-frame的目的地址,把自己的BIA地址作为源地址,其他字段暂不关心,至此,一个帧已经形成并蓄势待发。

    2,X-Frame帧的运动轨迹为:PC1的网卡CU-->PC1的网卡OB-->PC1的网卡LC-->PC1的网卡TX-->传输媒介-->交换机port1网卡RX-->交换机port1网卡LD-->交换机port1网卡IB-->交换机port1网卡CU(参考上篇博文)

    3,X-Frame到达port1的网卡CU后,交换机会去MAC缓存中查找X-Frame帧的目的MAC地址MAC-C。由于此时的交换机MAC缓存表为空表,所以此时是查不到MAC地址表对应关系的。根据交换机的转发规则,交换机会对X-Frame进行泛洪操作。然后,交换机还要对MAC进行自动学习:X-Frame从交换机Port1口进入的,则交换机MAC表记录为:MAC-A-->Port1。

    4,X-Frame被执行泛洪操作后,交换机的其他网卡都会从port1的CU处获得一个X-Frame的拷贝。这些拷贝的运动过程为:port1的网卡CU-->port2的网卡OB-->port2的网卡LC-->port2的网卡TX-->双绞线-->port2的网卡RX-->port2的网卡LD-->port2的网卡IB-->port2的网卡CU-->port-X的网卡OB--LC--TX--双绞线--port-X的网卡RX--LD--IB--CU...

    5,PC2收到X-Frame后,取出该帧的目的MAC与自己的MAC地址进行比较,由于X-Frame的目的地址是MAC-C,而自己的是MAC-B,所以二者不匹配,于是根据该帧被PC2的CU丢弃。PC4网卡操作流程与PC2一致,结果也是被丢弃。

    6,PC3网卡CU收到X-Frame后,取出该帧的目的MAC与自己的MAC地址进行比较,由于X-Frame的目的地址是MAC-C,而自己的也是MAC-C,所以二者匹配。于是该数据包将上传给TCP/IP模型后到达应用软件处理。

    至此,X-Frame已经成功的从源主机PC1发送到了目的主机PC3,PC2和PC4通过交换机的泛洪操作也收到了X-Frame,但是会被网卡CU丢弃,交换机也学习到了一条mac转发条目。

    现在,PC3已经知道PC1的mac地址了,假设PC3要向PC1发送一个单播帧Y-Frame,此时PC3为源主机,PC1为目的主机。Y-Frame的远程轨迹如下描述:

    1,PC的应用软件所产生的数据,经过TCP/IP模型后,得到数据包(Packet),数据包下发给网卡CU,CU继续对数据包封装成帧。假设封装的第一个帧为Y-Frame帧,CU会将PC1的MAC-A作为帧的目的地址,PC3的MAC-C作为源地址。其他字段忽略。

    2,Y-Frame帧到达交换机的Port3口网卡CU后,先去MAC缓存表中查找Y-Frame中的目的地址,查到该帧映射关系为:MAC-A对应Port-1,而且Port不是Y-Frame的入端口,根据交换机的转发规则,交换机会对Y-Frame进行点到点的转发操作,即将Y-Frame从Port3端口转发至Port1端口,紧接着,交换机还会对地址学习:Y-Frame是从Port3进入交换机的,交换机会将Y-Frame的源地址MAC-C映射到port3,并写入MAC缓存表。

    3,Y-Frame到达Port1的网卡CU后,运送过程为:port1网卡CU-->port1网卡OB-->port1网卡LC-->port1网卡TX-->物理媒介-->PC1网卡RX-->PC1网卡LD-->PC1网卡IB-->PC1网卡CU

    4,PC1网卡CU收到Y-Frame后,先对该帧的目的地址进行匹配,由于Y-Frame的目的MAC地址为MAC-A,而PC1的MAC地址为MAC-A,所以二者是匹配的,于是PC1的CU会将Y-Frame中的数据包抽取出来,上传至TCP/IP后到达应用软件。

    至此,Y-Frame从源主机PC3经过交换机的转发后,成功送达目的主机PC3。

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  • 以太网交换机转发原理简介

    千次阅读 2022-04-03 14:59:54
    二层以太网交换机的总结,包括结构,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

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA6buE6Imy5bCP5bCP6I2J5Li2,size_11,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    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

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA6buE6Imy5bCP5bCP6I2J5Li2,size_15,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    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

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA6buE6Imy5bCP5bCP6I2J5Li2,size_11,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    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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