二层和三层转发

 

二层转发的机制是什么?学习线程和报文转发线程。二层只跟MAC地址有关 与IP无关

所以在二层做IP-MAC绑定是无效的。

 

三层以太网交换机的转发机制主要分为两个部分:

二层转发和三层交换。
  
  先讲二层转发流程。
  
  1、 MAC地址介绍
  MAC地址是48 bit二进制的地址,如:00-e0-fc-00-00-06。
  可以分为单播地址、多播地址和广播地址。
  
  单播地址:第一字节最低位为0,如:00-e0-fc-00-00-06
  
  多播地址:第一字节最低位为1,如:01-e0-fc-00-00-06
  
  广播地址:48位全1,如:ff-ff-ff-ff-ff-ff
  
  注意:
  1)普通设备网卡或者路由器设备路由接口的MAC地址一定是单播的MAC地址才能保证其与其它设备的互通。
  
  2) MAC地址是一个以太网络设备在网络上运行的基础,也是链路层功能实现的立足点。
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2、 二层转发 介绍
  交换机二层的转发特性,符合802.1D网桥协议标准。
  
  交换机的二层转发 涉及到两个关键的线程:地址学习线程和报文转发线程。
  
  学习线程如下:
  1)交换机接收网段上的所有数据帧,利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表;
  
  2)端口移动机制 :交换机如果发现一个包文的入端口和报文中源MAC地址的所在端口不同,就产生端口移动,将MAC地址重新学习到新的端口;
  
  3)地址老化机制 : 如果交换机在很长一段时间之内没有收到某台主机发出的报文,在该主机对应的MAC地址就会被删除,等下次报文来的时候会重新学习。
  
  注意: 老化也是根据源MAC地址 进行老化。
  
  报文转发线程:
  1)交换机在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,如果找不到,就向所有的端口发送;
  
  2)如果交换机收到的报文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同,则丢弃该报文;
  
  3)交换机向入端口以外的其它所有端口转发广播报文。
  
  3、 VLAN二层转发 介绍
  报文转发线程:
  引入了VLAN以后对二层交换机的报文转发线程产生了如下的影响:
  
  1)交换机在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址,如果找到(同时还要确保报文的入VLAN和出VLAN是一致的),就将该数据帧发送到相应的端口,如果找不到,就向(VLAN内)所有的端口发送;
  
  2)如果交换机收到的报文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同,则丢弃该报文;
  
  3)交换机向(VLAN内)入端口以外的其它所有端口转发广播报文。
  
  以太网交换机上通过引入VLAN,带来了如下的好处:
  
  1)限制了局部的网络流量, 在一定程度上可以提高整个网络的处理能力。
  
  2)虚拟的工作组,通过灵活的VLAN设置,把不同的用户划分到工作组内;
  
  3)安全 性,一个VLAN内的用户和其它VLAN内的用户不能互访,提高了安全性。
  
  另外,还有常见的两个概念VLAN的终结和透传, 从字面意思上就可以很好的了解这两个概念。所谓VLAN的透传就是某个VLAN不仅在一台交换机上有效,它还要通过某种方法延伸到别的以太网交换机上,在 别的设备上照样有效;终结的意思及相对,某个VLAN的有效域不能再延伸到别的设备,或者不能通过某条链路延伸到别的设备。
  
  VLAN透传可以使用802.1Q技术,VLAN终结可以使用PVLAN技术。
  
  IEEE802.1Q协议是VLAN的技术标准,主要是修改了标准的帧头,添加了一个tag字段,其中包含了VLAN ID等VLAN信息,具体实现这里不谈,如果有兴趣可以看相关的标准和资料。
  
  注意:在Trunk端口转发报文的时候,如果报文的VLAN Tag等于端口上配置的默认VLAN ID,则该报文的Tag应该去掉,对端收到这个不带Tag信息的报文后, 从端口的PVID获得报文的所属VLAN信息,因此配置的时候必须保证连接两台交换机之间的一条Trunk链路两端的PVID设置相同。
  
  为什么要去Tag呢?
  这样做是为了保证一般的用户插到Trunk上以后,仍旧可以正常通信 ,因为普通用户无法识别带有802.1Q Vlan信息的报文。
  
  使用802.1Q技术可以很好的实现VLAN的透传,可是有的时候需要把VLAN终结掉,也就是说这个VLAN的边界在哪里终止,PVLAN技术可以 很好的实现这个功能,同时达到节省VLAN 的目的。cisco的PVLAN意思是private vlan,而我们的PVLAN意思是primary vlan。
  
  这里的VLAN有两类:Primary vlan和secondary vlan(子VLAN)。
  
  实现了接入用户二层报文的隔离,同时上层交换机下发的报文可以被每一个用户接收到,简化了配置,节省了VLAN资源。具体实现这里不谈,如果有兴趣可以相关资料。
  
  下面谈谈三层交换流程。
  
  用VLAN分段,隔离了VLAN间的通信,用支持VLAN的路由器(三层设备)可以建立VLAN间通信。但使用路由器来互联企业园区网中不同的VLAN显然不合时代的潮流。因为我们可以使用三层交换来实现。
  
  差别1(性能):传统的路由器基于微处理器转发报文,靠软件 处理,而三层交换机通过ASIC硬件来进行报文转发,性能差别很大;
  
  差别2(接口类型):三层交换机的接口基本都是以太网接口,没有路由器接口类型丰富;差别3:三层交换机,还可以工作在二层模式,对某些不需路由的包文直接交换,而路由器不具有二层的功能。
  
  首先让我们看一下设备互通的过程:

  如图所示:交换机上划分了两个VLAN,在VLAN1,VLAN 2上配置了路由接口用来实现vlan1 和 vlan 2之间的互通。
  
  A和B之间的互通(以A向B发起ping请求为例):
  
  1) A检查报文的目的IP地址,发现和自己在同一个网段;
  
  2) A---->B ARP请求报文,该报文在VLAN1 内广播;
  
  3) B---->A ARP回应报文;
  
  4) A---->B  icmp request;
  
  5) B---->A  icmp reply;
  
  A和C之间的互通(以A向C发起ping请求为例):
  1) A检查报文的目的IP地址,发现和自己不在同一个网段;
  
  2) A---->switch(int vlan 1) ARP请求报文,该报文在VLAN1 内广播;
  
  3) 网关---->A ARP回应报文;
  
  4) A---->switch  icmp request(目的MAC是 int vlan 1的MAC,源MAC是A的MAC,目的IP是C,源IP是A);
  
  5) switch收到报文后判断出是三层的报文。检查报文的目的IP地址,发现是在自己的直连网段;
  
  6) switch(int vlan 2)---->C  ARP请求报文,该报文在VLAN2 内广播;
  
  7) C--->switch(int vlan 2) ARP回应报文;
  
  8) switch(int vlan 2)---->C icmp request (目的MAC是 C 的MAC,源MAC是 int vlan 2的MAC,目的IP是C,源IP是A)同步骤4)相比报文的MAC头进行了重新的封装, 而IP层以上的字段基本上不变;
  
  9) C---->A  icmp reply,这以后的处理同前面icmp request的过程基本相同。
  
  以上的各步处理中,如果ARP表中已经有了相应的表项,则不会给对方发ARP请求报文。
  
  怎么样来区分二和三层的数据流?
  3526产品是三层以太网交换机,在其处理流程中既包括了二层的处理功能,又包括了三层的处理功能。
  
  区别二三 层转发的 基本模型:

 


  如图所示:
  
  三层交换机划分了2个VLAN, A和B之间的通信是在一个VLAN内完成,对与交换机而言是二层数据流,A和C之间的通信需要跨越VLAN,是三层的数据流。
  
  上面提到的是宏观的方法,具体到微观的角度,一个报文从端口进入后,Swtich设备是怎么来区分二层包文,还是三层报文的呢?
  
  从A到B的报文由于在同一个VLAN内部,报文的目的MAC地址将是主机B的MAC地址,而从A到C的报文,要跨越VLAN,报文的目的MAC地址是设备虚接口VLAN1上的MAC地址。
  
  因此交换机区分二三层报文的标准就是看报文的目的MAC地址是否等于交换机虚接口上的MAC地址。
  
  以华为 3ComS3526交换机为例,三层交换机整个处理流程中分成了三个大的部分:
  
  1)平台软件协议栈部分
  
  这部分中关键功能有:
  
  运行路由协议,维护路由信息表;

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