L3Switch二三层转发原理是怎样的
L3 Switch二三层转发原理是怎样的,相信很多没有经验的人对此束手无策,为此本文总结了问题出现的原因和解决方法,通过这篇文章希望你能解决这个问题。
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三层交换机(L3 Switch)因为其具备路由功能、三层转发功能,且转发效率远远高于路由器,而被广泛用于大型网络的骨干网络中(从角色上来看:路由器的主要角色是路由选择,而不是报文转发;从实现上来看:路由器转发报文是软件转发,转发性能自然逊色于交换机了),今天我们就来简单介绍一下关于交换机的二三层转发。
首先二层转发是基于MAC地址转发,三层转发基于IP地址转发,但是这并不意味着仅仅依靠IP地址就能转发,三层转发是建立在二层的基础上的,而仅仅依靠MAC地址是能够转发的。另外,由于二三层转发基于MAC地址、IP地址、FDB表(MAC地址学习、更新、老化、删除等)、ARP表、路由表、三层转发表、VLAN端口类型(Access、Trunk、Hybrid)、VLAN帧格式、ARP报文格式等,需要对此有基本的熟知。以下图为例,总结一下交换机中,基于VLAN的二三层转发原理。
1、基本概念术语:
①MAC地址:48bit的硬件地址,单播地址格式为首字节最低位为1,多播地址格式为首字节最低位为0,广播地址为全1(即FF:FF:FF:FF:FF:FF)。另外有其他一些网络协议的特定MAC地址格式。
②FDB表(FordWarding DateBase):即MAC地址映射表,有MAC地址、端口、VLAN ID等信息(不同厂商交换机可能还有其他信息)。
③ARP表:用于记录IP和MAC映射关系的表。
④三层转发表:即基于硬件三层转发的包含目的IP地址、VLAN ID、端口号和下一跳MAC地址等的关系表。
⑤路由表:包含默认路由、RIP、OSPF等动态路由的路由路径信息的记录表。
⑥VLAN端口:有三种模式,主要是Access口(接入口),一般是用于连接主机,其发出的数据帧不带vlan tag标签;还有就是Trunk(主干口)用于可连接不同交换机的主干链路,其上发出的数据帧可能会带tag标签,用以识别不同VLAN,如果没带则采用默认的VLAN (PVID)。
假设初始情况下,所有PC和交换机没有任何表项存在(ARP缓存、FDB缓存、三层转发表缓存等),且端口均为Access模式。
2、二层转发(同一VLAN中主机通信):
以上图中PC_A ping PC_B为例来详细分析整个过程。
①PC_A(192.168.10.1/24) 要 ping PC_B(192.168.10.2/24),首先PC_A要去检查目标IP地址和自己的IP地址是否在同一个网段中,经过IP和子网掩码进行与运算,得知PC_A和PC_B属于同一网段:192.168.10.0网段。因此进行下一步:ARP表项查询。
②根据目标IP:192.168.10.2作为索引,在ARP表中查找对应的MAC地址,由于ARP表最开始是空的,所以没有找到对应MAC。因此PC_A需要发送一个ARP广播报文在VLAN 1中请求PC_B(192.168.10.2)的MAC地址,PC封装的ARP报文主要内容为,opcode操作码字段为0X01代表这是一个ARP请求报文,目标MAC由于不知道因此全部填充为0,其余包含以太帧头部具体如下图所示:
关于ARP报文各个字段的含义,用wireshark抓一个ARP包来查看,如下所示:
该报文是我从自己电脑上抓取到的一个发送到房间无线路由器的ARP请求报文,是一个请求回复的ARP报文(即网关的ARP缓存超时需要清除前,PC发送的一个ARP报文,如果网关在规定时间内不回复该ARP请求,则PC清除该缓存,具体细节参考:RFC 826)。
③当交换机从a端口收到PC_A发出的报文,解析以太头部后发现目标MAC是FF:FF:FF:FF:FF:FF,则知其是一个广播帧,解析源MAC:MA,由于FDB表当前空空如也,因此先将"port a:MA:VLAN 1"等信息缓存到FDB表中。之后根据端口为Access模式,加上一个VLAN tag(主要包含优先级和VLAN ID=1),使其成为一个802.1Q的带有VLAN tag的以太帧,在交换机内部开始进行交换。
④根据vlan tag以及端口检测后,发现b、c、d三个端口(其实还有一个VLAN接口,暂不提及)归属于VLAN 1,与报文的tag标签一致,因此将tag剥离并从这三个端口转发出去。
⑤当PC_C、PC_D收到该广播帧后解析内容,发现目标IP不是自己则丢弃该数据帧,而PC_B发现目标IP就是自己,则先将PC_A的“192.168.10.1:MA”的映射信息更新缓存到本地ARP表中。然后封装一个ARP回应的单播报文,内容主要为:源IP:192.168.10.2,目标IP:192.168.10.1,源MAC:MB,目标MAC:MA。发送出去,经端口b到达交换机。
⑥交换机收到来自端口b的报文,解析头部获得源MAC,则先将“port b:MB:VLAN 1”等信息缓存到FDB表中去,由于FDB表中已经有了PC_A的MAC地址缓存,因此根据ARP回复报文数据中,帧头部的目标MAC将报文从端口a转发出去(该步中当然也存在入口数据帧tag的添加与出口数据帧tag剥离的操作)。
⑦PC_A接收到交换机从端口a发出的ARP报文后,解析以太头部进行目标MAC匹配判断,匹配后解析报文内容,发现“源IP:源MAC”的对应关系,因此先缓存“192.168.10.2:MB”到ARP表中,之后有了PC_B的MAC地址接可以封装icmp报文进行ping的后续操作了。
⑧交换机收到来自PC_A和PC_B的icmp request与icmp reply报文,由于之前有缓存FDB表项,因此之后只会更新对应表项的老化标志,长时间没有这俩源MAC的报文到交换机则会删除对应表项。
3、三层转发(跨越不同VLAN的主机通信):
以上,以一台交换机上的同一个VLAN内的不同主机通信为例,描述了的是二层转发的基本过程,包括ARP表查询、ARP请求、交换机MAC地址查询、FDB表缓存、端口类型检查、VLAN tag添加与剥离、目标主机ARP回复等步骤。
而三层交换基本步骤差不多。以VLAN 1的PC_A(192.168.10.1,MA)和VLAN 2的PC_E(192.168.20.1,ME)相互ping为例分析(假设VLAN 1的网关为VLAN 1 interface的IP:192.168.10.254,VLAN 2的网关为VLAN 2 interface 的IP:192.168.20.254),以下过程也有加VLAN tag和剥离VLAN tag的过程,但与二层基本一致,因此不再赘述(对于跨交换机的不同VLAN间通信,涉及trunk口,其vlan tag添加可能与此稍有些不同):
①当PC_A(192.168.10.1/24)要ping PC_E(192.168.20.1/24)时,依然是检查目标IP是不是和自己在同一个网段,发现不在同一网段(一个在192.168.10.0/24网段一个在192.168.20.0/24网段),则需要经过网关(这里是交换机三层接口)来转发。因此PC_A在自己的ARP表中寻找网关对应的MAC地址,如果有则直接将报文封装为:目标MAC为网关MAC,源MAC为MA,发送端IP为192.168.10.1,接收端IP为192.168.20.1。
②由于第一次PC_A的ARP缓存中不存在网关的MAC地址。则先向VLAN 1内广播发送一个ARP请求,请求网关192.168.10.254的MAC地址,封装为:源MAC为MA,目标MAC不可知则为全0,源IP为192.168.10.1,目标IP为192.168.10.254,到链路层封装的头部为,源MAC为MA,目标MAC为全F即广播包,“帧类型”字段则填上ARP的协议号0x0806。
③交换机SW1收到PC_A发送的报文,二层解析头部检查为广播包,则从VLAN 1的除源端口外的各个端口转发出去,另外也转发一份到VLAN 1的三层接口,由于PC_A之前给PC_B发送过报文,SW 1有PC_A的FDB缓存,则检查匹配后更新老化标志位,定时器重新计数。此外将PC_A的IP、MAC、对应port、VLAN ID等信息记录到交换机的三层转发表中。
④VLAN 1其他主机收到请求对象不是自己的ARP请求,丢弃该广播报文,而SW 1的三层接口解析到目标IP是自己,则封装一个源MAC是交换机VLAN 1 interface的MAC,源IP是192.168.10.254,目标IP是192.168.10.1,目标MAC是MA的ARP应答报文,再经过以太头部封装,添加ARP单播报文头部,目标MAC为MA。交换机二层收到自三层的报文,解析数据帧头部,根据目标MAC地址MA在FDB表中查找到其出端口是port a,为ACCESS端口,则剥掉tag(之前请求报文进入port a之后会被加上tag,以致能够区分识别出VLAN 1的其他端口与VLAN 1 interface)转发给PC_A。
⑤PC_A收到网关的MAC地址,则先缓存网关的ARP表项,然后将发给PC_E的报文修改目标MAC为VLAN 1 interface即网关的MAC地址,而目标IP依旧是PC_E的IP:192.168.20.1,然后封装以太头部以单播形式发送出去。
⑥SW 1在收到这个数据包后,因为“目的MAC地址”为交换机自己VLAN接口的MAC地址,而且“目的IP地址”和“源IP地址”不在同一网段,所以直接提交到三层,根据包中的“目的IP地址”(PC_E的IP地址)在三层硬件转发表中查看有无对应表项,因为是第一次通信,所以结果是查找失败,于是将数据包再转送到CPU去进行软件路由处理。
⑦ CPU同样会根据包中的“目的IP地址”去查找其软件路由表,发现匹配了一个直连网段(PC_E对应的网段),于是继续查在ARP表中查找对应的MAC地址项。同样是由于是第一次查找,所以仍然查找失败。如果在ARP表中找到了对应的MAC地址,则数据可以直接由软件路由表转发了。
⑧如果没查找到则以PC_E的目标IP为请求对象,在其所在VLAN 2的目标网段内发送ARP请求广播(目标MAC为全0,目标IP为192.168.20.1,源MAC为VLAN 2 interface对应MAC,源IP为VLAN 2 interface对应IP:192.168.20.254),PC_E收到该ARP请求报文后,则先缓存网关的ARP表项,然后以ARP单播形式回复自己的MAC地址ME给网关192.168.20.254,SW 1的CPU则根据回复的报文更新记三层转发表项,记录PC_E的IP、MAC、出端口、VLAN ID等信息,此时三层转发表中有了PC_A和PC_E的转发表项。另外缓存PC_E的ARP表项与FDB表项。
⑨三层交换机的CPU根据获取到的目标主机MAC和现有的直连路由信息将PC_A发来的数据包转发给PC_E,这就是一次单方向的三层转发过程,其中也大量涉及到了二层转发(PC_A在VLAN 1内广播请求网关MAC,交换机CPU控制在VLAN2内广播请求PC_E的MAC等)。
⑩当PC_E回复PC_A报文时,与PC_A步骤相同,只是在PC_E上已经存在了网关ARP表项、交换机上已经存在了到PC_A的三层转发表项、FDB表项等,所以会更简单些。另外由于三层转发表项的存在,因此PC_E回复PC_A的报文会直接根据三层转发表进行硬件转发,而不是CPU路由软件转发,效率会更快。
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