二层/三层交换机基础

关于冲突域和广播域

• 冲突域：主要是指的物理上的冲突，同一个物理介质（导线）上面多个节点的集合就是一个冲突域；比如说使用HUB连接的主机就是一个冲突域，他们共享带宽；
• 广播域：目的MAC为FFFF-FFFF-FFFF的地址为广播地址，一个节点发送，其余节点都能收到的节点集合称之为广播域；

传统的二层交换机的所有端口都属于一个广播域，每个端口属于一个单独的冲突域。

1.1. 二层交换

工作在OSI模型的第二层，数据链路层；对数据包的转发建立在数据链路层信息 - MAC地址的基础之上；使用ASIC进来实现数据包的转发。
基本流程

• 二层交换机收到以太网帧，把源MAC地址与接收端口的映射关系写入MAC表；MAC表表项采取一定的老化更新机制，超时不更新就会删除这条记录；
• 依据目的MAC地址去查找MAC地址表：如果找到匹配项，则往对应端口转发；如果MAC地址是广播地址，则向所有端口转发；如果没有找到匹配项，则向所有端口转发；

二层交换机可以隔离冲突域但是无法隔离广播域，所以就出现了二层交换中VLAN技术

1.2. 支持VLAN的二层交换机

IEEE802.1Q标准在原来的以太网源MAC地址的后面加入了4个字节的VLAN Tag，里面包含了如下内容

• Type：固定值为0x8100，用来表示VLAN Tag；
• User Priority（3 bit）：用户优先级，用于流量等级划分；
• Flag（1 bit）：以太网中固定取0；
• VLAN-ID：取值为0 ~ 4095，用于标识不同的VLAN.

通常情况下主机发出的报文都是不带VLAN Tag的（untagged），这个时候就需要把这个报文划分到某个VLAN中去：

• 基于端口划分，最为常用，通过收到的报文端口来决定这个untagged 报文属于哪个VLAN；交换机负责添加VLAN Tag，然后进行转发；
• 基于MAC划分；
• 基于IP划分；

如果报文本身带VLAN Tag，那就依据VLAN ID来决定怎么转发。一个可能的组网结构

两个交换机之间的连接称为一个Trunk，Trunk上传递的报文都是携带了VLAN tag的，这样接收端的交换就知道该往哪个VLAN进行转发

1.3. 三层交换机

1.3.1. 不同网络的主机之间如何互访

这里的不同网络，指的是处于不同网段的两个主机（利用网络掩码计算之后具有相同的网络段号）；举个例子来说一下，网络掩码设置成255.255.255.0，这个时候假设A主机是192.168.1.100，B主机是192.168.1.101，C主机是192.168.2.100。那么A主机和B主机属于同一个网络段（局域网），C主机则属于另一个网络段。

• A主机要往B主机发起通信时，发现和B在同一网络端；那么A主机会直接向目的主机发送ARP请求，收到对端的ARP应答后获取对方的物理层MAC地址；然后填写对方的MAC地址到报文的目的地址中进行发送，这个时候用于互联的交换机作为二层转发。
• A主机要往C主机发起通信时，发现和C不在一个网络段；首先会通过网关来递交报文，发送ARP请求来获取网关（比如说192.168.1.1）的MAC地址进行报文发送

1.3.2. 三层交换的原理

1. 先看一张组网图

   
   
   

A要向B发起通信，流程如下

• A首先检查出目的IP和自己不在同一网段，发出请求网关地址192.168.1.1的MAC地址的ARP请求；
• 交换机收到请求后，发现被请求的IP是自己的三层接口的IP，因此发送ARP应答返回自己的MAC地址（C.C.C）给主机A；同时记录主机A的IP和MAC的映射表到自己的ARP表项中；
• 主机A收到应答之后，组装ICMP请求报文并发送；报文的目的MAC地址是交换机的MAC地址，目的IP还是192.168.2.100;
• 交换机收到报文后，首先更新MAC地址表（依据源MAC地址）；然后查找MAC地址表（依据目的MAC地址），会发现匹配MAC地址的表项（三层交换机为VLAN配置了三层接口IP后会在地址表中添加三层接口的MAC+VID表项），表明需要进行三层转发；
• 交换芯片（ASIC）依据报文的目的IP去查找其三层表项，这个时候会查找失败；报文送到CPU去进行软件处理；
• CPU依据报文的目的IP去查找软件路由表，发现匹配了一个直连网段（主机B的网段）；于是继续查找软件ARP表（IP和MAC的映射），依旧失败；
• 交换机会在目的网段对应的VLAN 3的所有端口发送请求地址192.168.2.100的ARP请求；收到PC B的回复后，更新ARP表；
• 这个时候交换机会修改报文，把目的MAC地址修改成PC B的MAC地址；同时更新交换芯片的三层表项（IP、MAC、出口VLAN、出口端），这样，后续的PC A到PC B的报文就可以直接通过硬件转发了。

整个流程就是一次路由（建立三层硬件表项），多次交换的原理实现了转发性能与三层交换的结合。

2. 再看另一张组网图

   
   
   
   
   

   假设交换机1上配置了静态路由：ip route 192.168.2.0 255.255.255.0 10.0.0.2；同时交换机2上也配置了静态路由ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 10.0.0.1
   数据转发的流程和之前组网的类似，区别如下：

• 交换机1把报文发送到CPU处理的时候，会查找软件路由表，发现匹配路由192.168.2.0/24，下一跳的IP是10.0.0.2；
• 由于这个时候还没有对应的10.0.0.2的ARP信息，所以会在VLAN4内发送ARP请求，得到回应后更新ARP信息；
• 接着数据报文转发给交换机2；

1.4. ARP广播

ARP是address resolution protocol的缩写，是通过解析IP地址来获取MAC地址的一个网络传输协议。

1.5. 桥接（Network Bridge）

功能上和集线器类似，用于连接网段的设备；但是集线器工作与物理层，桥接器工作与数据链路层，功能和网络交换机类似。网桥可以看作是一个端口较少的交换机。