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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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  • 同时需要有一种方法来判断从源主机到达目的地主机所经过的最佳路径,进行数据转发,这就是路由技术。 2.路由器的作用 2.1隔离广播域,连通不同的网络 2.2选择信息传送的线路,提高网络畅通率 3.路由器转发原理 3.1 ...

    一、 路由器
    1.路由器产生的原因
    对于普通用户来说,主机A与主机B通信需要通过路由器,从而构成简单的局域网,局域网内的计算机要和外面的计算机进行通信,要把请求提交给路由器的以太口,进而发展成为广域网。同时需要有一种方法来判断从源主机到达目的地主机所经过的最佳路径,进行数据转发,这就是路由技术。
    2.路由器的作用
    2.1隔离广播域,连通不同的网络
    2.2选择信息传送的线路,提高网络畅通率
    3.路由器转发原理
    3.1 ARP地址解析协议:是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机,并接收返回消息,以此确定目标的物理地址;收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间,下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。
    3.2 路由表:记录网段转发的一种数据库,包括IP前缀、下一跳、出接口等参数。
    3.2.1路由表IP前缀的来源:链路层自学习(直连路由)、静态路由、动态路由
    3.2.2 动态路由
    算法:距离矢量型 RIP EIGRP、链路状态型 OSPF ISIS、路径矢量型 BGP
    范围AS:IGP 内部网关协议、EGP 边界网关协议
    3.2.3路由表的构成:IP前缀、掩码、下一跳、出接口、来源(分为三大类:链路层自发现、静态、动态;直连路由-c,静态路由-s,动态路由-RIP、OSPF、ISIS、BGP)、路由优先级(范围0-255,数值小者优,当路由前缀与掩码一致而来源不一致的时候通过该参数决定那种来源的路由会放置在路由表中)、开销(不同的协议不能比较开销值,相同的协议开销值相同则为负载均衡)、flag
    3.2.4路由的查找原则
    ①精确匹配:最长匹配
    ②递归查找:以太网中路由的下一个可达直连物理地址,会在路由表中再次查找,找出能arp的下一跳与出接口。
    ③黑洞路由:下一跳是null接口的路由,汇总路由可能会产生黑洞路由,也可过滤不必要的网段 作用:防环、安全
    3.3 路由器封装与解封装
    物理层:将人类输入语言转换为二进制,识别电信号与光信号
    数据链路层:LLC逻辑链路控制+MAC介质访问控制层
    网络层: 互联网协议 TCP/IP
    传输层:分段(受到MTU限制) 提供端口号 TCP/UDP
    对各层数据的单位
    上三层=报文 传输层=段 网络位=包 数据链路层=帧 物理层=比特流
    数据包携带MAC地址与IP地址来到二层,二层首先查看数据包中的MAC地址:接口接收目的MAC是自己的数据帧,还有广播帧以及它需要接收的组播帧。目的不是自己MAC的单播帧会被丢弃;进而来到三层,三层会剥离原有的二层封装,查看IP地址,若命中(路由表中存在的)则有下一跳的出接口,若未命中则会被丢弃;新的二层封装原MAC为出接口的MAC,目的MAC则通过ARP查找到下一跳的MAC地址,进而查表将下一跳数据转发。
    4. ARP
    ①动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护,可以被老化,可以被新的ARP报文更新,可以被静态ARP表项覆盖。当到达老化时间、接口down时会删除相应的动态ARP表项。
    ②静态ARP表项通过手工配置和维护,不会被老化,不会被动态ARP表项覆盖。
    ③免费ARP指主机发送ARP查找自己的IP地址,通常发生在系统引导期间进行接口配置时。与标准ARP的区别就是免费ARP分组的目的IP地址字段封装的是自己的IP地址,即向所在网络请求自己的MAC地址。
    ④代理ARP就是通过使用一个主机(通常为router),来作为指定的设备使用自己的 MAC 地址来对另一设备的ARP请求作出应答。
    ⑤无故ARP也称为无为ARP。主机有时会使用自己的IP地址作为目标地址发送ARP请求。这种ARP请求称为无故ARP,GARP,主要有两个用途:
      (1)检查重复地址(如果收到ARP响应表明存在重复地址)。
    (2)用于通告一个新的数据链路标识。

    路由器的转发过程:
    在这里插入图片描述

    二、交换机
    1.MAC转发表
    表的形成:自学习
    当以太网帧到达交换机时,交换机会自动学习该数据帧的源MAC地址与进入的接口形成绑定关系,注意该表会有老化时间(可以修改),当该表项被执行转发时会刷新
    MAC表(二元运算、CAM)的查询速度快于路由表(三元运算、TCAM)的查询速度。查询执行的精确查询,一种完全命中的查询,一次命中。

    存储转发 帧所有内容都接受才转发
    直通转发 只接受到目的MAC就转发
    片段转发 接受到32字节就转发,及一个最小帧的长度

    已知单播帧 精确转发
    未知单播帧 洪范转发
    广播与组播帧 洪范转发
    2.交换机(独立走线 不会冲突)–》网桥:交换机将局域网分为多个冲突域,每个冲突域都是有独立的宽带,因此大大提高了局域网的带宽—》矩阵网络
    3.VLAN
    通过vlan划分接口把mac表分割为以vlan为单位的独立mac表-----隔离广播域的技术
    标记技术来解决不同交换机vlan互通的问题------802.1q
    Vlan的作用:限制广播域、增强局域网的安全性、灵活构建虚拟工作组
    路由协议:
    静态路由协议 —人工书写的路由
    书写规则 前缀+ 掩码 + 下一跳/出接口 在多路网络中只能使用下一跳才能精确到路由的方向,只有一种情况必要写出接口就是下一跳不固定的场景(拨号线路)
    浮动路由 当一个目标有多条线路可达时,我们会使用浮动静态来增加路由的可靠性
    默认路由 一般在边界路由器上或者末端路由器上可以使用默认路由来表示多个目标的路
    由。
    4.RIP
    学习路由的原则:没有的一定学习
    同源 无条件更新,会覆盖原来的路由和开销无关
    不同源 会比较选择开销小的
    若在某接口宣告一条路由,则该接口可以监听、发送该协议的组播(224.0.0.9的报文),同时被宣告的接口地址会被通告。
    60s(update时间) 180s(老化时间)240s(三个周期未收到路由信息,过后的60s将会标为不可用),requeust请求一条新的路由,reply回复
    防环原则:
    水平分割 —从此口进不从此口出
    毒性逆转 —路由器从某个接口上接收到某个网段的路由信息之后,并不是不往回发送信息了,而是发送,只不过是将这个网段的跳数设为无限大,再发送出去。收到此种的路由信息后,接收方路由器会立刻抛弃该路由,而不是等待其老化时间到。这样可以加速路由的收敛。
    抑制计时器 —收到此种的路由信息后,接收方路由器会立刻抛弃该路由,而不是等待其老化时间到。这样可以加速路由的收敛。如果,路由器从一个网段上得知一条路径失效,然后,立即在另一个网段上得知这个路由有效。这个有效的信息往往是不正确的,抑制计时避免了这个问题,而且,当一条链路频繁起停时,抑制计时减少了路由的浮动,增加了网络的稳定性。
    触发更新–若网络中没有变化,则按通常的30秒间隔发送更新信息。但若有变化,路由器就立即发送其新的路由表。这个过程叫做触发更新。
    5.OSPF
    信息 拓扑信息
    传递 传递过程不会更改原始信息
    计算 每个路由器都是独立计算路由
    OSPF为集中式计算,RIP为分布式计算(速度快)
    距离矢量型协议经过路由器会更改信息
    交换机的转发过程:
    在这里插入图片描述

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  • 交换机转发原理及计算机命令

    千次阅读 2021-12-01 16:39:20
    一、交换机的转换原理 初始状态 MAC地址学习 广播未知数据 接受方回应 交换机实现单播通信 ABC三台主机对应交换机的123端口。A想把数据传送给B,先把源MAC和目标MAC地址打包成数据帧发送到1端口,交换机...

    一、交换机的转换原理

    1. 初始状态
    2. MAC地址学习
    3. 广播未知数据
    4. 接受方回应
    5. 交换机实现单播通信

    ABC三台主机对应交换机的123端口。A想把数据传送给B,先把源MAC和目标MAC地址打包成数据帧发送到1端口,交换机收到A的信息后,会把A的MAC地址和绑定到1接口端,然后像2和3端口进行广播。c接收到信息后,解封A发来的数据,发现找的不是自己,则直接丢弃数据。B收到2端口发来的信息后,进行拆包,发现是给自己的信息,则会给交换机回应,把自己的mac地址和数据传输给交换机,交换机会把2端口和B的mac地址进行绑定,最后把数据传送给A。A和B实现单播传输。

    二、以太网的帧格式

    以太网帧格式

    前导码(Preamble)包含 8 字节。前 7 字节的值为 0xAA,而最后 1 字节的值为 0xAB。在 DIX 以太网中,前导码被认为是物理层封装的一部分,而不是数据链路层的封装。

    目的地址(DA)包含 6 字节。DA 标识了帧的目的站点的 MAC 地址。DA 可以是单播地址(单个目的地)、组播地址目的地DA或广播地址。

    源地址∶(SA)包含 6 字节。SA 标识了发送帧的站点的 MAC 地址。SA 一定是单播地址(即第 8 位是 0)。类型域包含 2 字节,用来标识上层协议的类型,如!    0800H 表示 IP 协议。

    数据域包含 46~1500 字节。数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。由于 CSMA/CD算法的限制,以太网帧不能小于某个最小长度。高层协议要确保这个域至少包含 46 字节。如果实际数据不足 46 字节,则高层协议必须执行某些(未指定)填充算法。数据域长度的上限是任意的,但已经被设置为 1500 字节。

    帧校验序列(FCS)包含 4 字节。FCS 是从 DA 开始到数据域结束这部分的校验和。 校验和的算法是 32 位的 CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验法)。

    三、计算机的基础命令


    用户视图模式<Huawei>切换至系统视图模式【Huawei <Huawei>system-view

    1、历史命令查询

    [Huawei] display history-command

    2、配置主机名<Huawei> system-View [Huawei ] sysname Router1

    3、状态信息查询

    查看VRP版本

    <Huawei>display version <Huawei>display users   ####查看用户终端信息

    4、进入接口模式并查看信息<Huawei>syS

    [Huawei]int e0/0/1

    【Huawei-GigabitEthernet0/0/1】dis this####查看当前视图下的配置信息

    5、配置文件管理命令

    非#查看设备保存的信息

    [Huawei]display saved-confiquration

    ###查看设备当前配置的信息

    [Huawei]display current-configuration ##擦除存储设备中的配置文件(初始化)<Huawei>reset saved-configuration

    非比较当前配置信息与存储设备中的保存文件是否一致

    <Huawei>compare confiquration

    6、关闭华为的信息提示中心[Hluawei]undo info-center enable 或者

    <Huawei>undo terminal monitor

    7、永不超时

    [Huawei]user-interface console 0 [Huawei-ui-console0]idle-timeout 0 0

    8、配置双工及速率命令<Huawei>sys [Huawei]int g0/0/1 4关闭自动协商

    [SW1-Ethernet0/0/1]undo negotiation auto

    若##调至速率100M

    [SWl-Ethernet0/0/1]speed 100 [SW1-Ethernet0/0/1]duplex full

    ###调至全双工模式, 解释∶full∶Full-Duplex(全双工模式)

    half∶Half-Duplex(半双工模式)

    9、保存配置<Huawel>save

    10、设置远程登录密码

    #0是初始值,4是结束值。表示可同时打开5个会话进入交换机去配置命令

    [Huawei]user-interface vty 0 4

    [Huawei-ui-vty0-4]authentication-mode password

    [Huawei-ui-vty0-4]set authentication password simple 222 [Huawei-ui-vty0-4]user privilege level 3 [Huawei-ui-vty0-4]dis this

     

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交换机数据转发原理