L3 Switch二三層轉(zhuǎn)發(fā)原理是怎樣的

L3 Switch二三層轉(zhuǎn)發(fā)原理是怎樣的，相信很多沒有經(jīng)驗的人對此束手無策，為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

三層交換機(jī)（L3 Switch）因為其具備路由功能、三層轉(zhuǎn)發(fā)功能，且轉(zhuǎn)發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于路由器，而被廣泛用于大型網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)絡(luò)中（從角色上來看：路由器的主要角色是路由選擇，而不是報文轉(zhuǎn)發(fā)；從實現(xiàn)上來看：路由器轉(zhuǎn)發(fā)報文是軟件轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)性能自然遜色于交換機(jī)了），今天我們就來簡單介紹一下關(guān)于交換機(jī)的二三層轉(zhuǎn)發(fā)。

首先二層轉(zhuǎn)發(fā)是基于MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)，三層轉(zhuǎn)發(fā)基于IP地址轉(zhuǎn)發(fā)，但是這并不意味著僅僅依靠IP地址就能轉(zhuǎn)發(fā)，三層轉(zhuǎn)發(fā)是建立在二層的基礎(chǔ)上的，而僅僅依靠MAC地址是能夠轉(zhuǎn)發(fā)的。另外，由于二三層轉(zhuǎn)發(fā)基于MAC地址、IP地址、FDB表（MAC地址學(xué)習(xí)、更新、老化、刪除等）、ARP表、路由表、三層轉(zhuǎn)發(fā)表、VLAN端口類型（Access、Trunk、Hybrid）、VLAN幀格式、ARP報文格式等，需要對此有基本的熟知。以下圖為例，總結(jié)一下交換機(jī)中，基于VLAN的二三層轉(zhuǎn)發(fā)原理。

1、基本概念術(shù)語：

①M(fèi)AC地址：48bit的硬件地址，單播地址格式為首字節(jié)最低位為1，多播地址格式為首字節(jié)最低位為0，廣播地址為全1（即FF：FF：FF：FF：FF：FF）。另外有其他一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特定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（不同廠商交換機(jī)可能還有其他信息）。

③ARP表：用于記錄IP和MAC映射關(guān)系的表。

④三層轉(zhuǎn)發(fā)表：即基于硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的包含目的IP地址、VLAN ID、端口號和下一跳MAC地址等的關(guān)系表。

⑤路由表：包含默認(rèn)路由、RIP、OSPF等動態(tài)路由的路由路徑信息的記錄表。

⑥VLAN端口：有三種模式，主要是Access口（接入口），一般是用于連接主機(jī)，其發(fā)出的數(shù)據(jù)幀不帶vlan tag標(biāo)簽；還有就是Trunk（主干口）用于可連接不同交換機(jī)的主干鏈路，其上發(fā)出的數(shù)據(jù)幀可能會帶tag標(biāo)簽，用以識別不同VLAN，如果沒帶則采用默認(rèn)的VLAN （PVID）。

假設(shè)初始情況下，所有PC和交換機(jī)沒有任何表項存在（ARP緩存、FDB緩存、三層轉(zhuǎn)發(fā)表緩存等），且端口均為Access模式。

2、二層轉(zhuǎn)發(fā)（同一VLAN中主機(jī)通信）：

以上圖中PC_A ping PC_B為例來詳細(xì)分析整個過程。

①PC_A（192.168.10.1/24） 要 ping PC_B(192.168.10.2/24)，首先PC_A要去檢查目標(biāo)IP地址和自己的IP地址是否在同一個網(wǎng)段中，經(jīng)過IP和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行與運(yùn)算，得知PC_A和PC_B屬于同一網(wǎng)段：192.168.10.0網(wǎng)段。因此進(jìn)行下一步：ARP表項查詢。

②根據(jù)目標(biāo)IP：192.168.10.2作為索引，在ARP表中查找對應(yīng)的MAC地址，由于ARP表最開始是空的，所以沒有找到對應(yīng)MAC。因此PC_A需要發(fā)送一個ARP廣播報文在VLAN 1中請求PC_B（192.168.10.2）的MAC地址，PC封裝的ARP報文主要內(nèi)容為，opcode操作碼字段為0X01代表這是一個ARP請求報文，目標(biāo)MAC由于不知道因此全部填充為0，其余包含以太幀頭部具體如下圖所示：

關(guān)于ARP報文各個字段的含義，用wireshark抓一個ARP包來查看，如下所示：

該報文是我從自己電腦上抓取到的一個發(fā)送到房間無線路由器的ARP請求報文，是一個請求回復(fù)的ARP報文（即網(wǎng)關(guān)的ARP緩存超時需要清除前，PC發(fā)送的一個ARP報文，如果網(wǎng)關(guān)在規(guī)定時間內(nèi)不回復(fù)該ARP請求，則PC清除該緩存，具體細(xì)節(jié)參考：RFC 826）。

③當(dāng)交換機(jī)從a端口收到PC_A發(fā)出的報文，解析以太頭部后發(fā)現(xiàn)目標(biāo)MAC是FF：FF：FF：FF：FF：FF，則知其是一個廣播幀，解析源MAC：MA，由于FDB表當(dāng)前空空如也，因此先將"port a：MA：VLAN 1"等信息緩存到FDB表中。之后根據(jù)端口為Access模式，加上一個VLAN tag（主要包含優(yōu)先級和VLAN ID=1），使其成為一個802.1Q的帶有VLAN tag的以太幀，在交換機(jī)內(nèi)部開始進(jìn)行交換。

④根據(jù)vlan tag以及端口檢測后，發(fā)現(xiàn)b、c、d三個端口（其實還有一個VLAN接口，暫不提及）歸屬于VLAN 1，與報文的tag標(biāo)簽一致，因此將tag剝離并從這三個端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

⑤當(dāng)PC_C、PC_D收到該廣播幀后解析內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)IP不是自己則丟棄該數(shù)據(jù)幀，而PC_B發(fā)現(xiàn)目標(biāo)IP就是自己，則先將PC_A的“192.168.10.1：MA”的映射信息更新緩存到本地ARP表中。然后封裝一個ARP回應(yīng)的單播報文，內(nèi)容主要為：源IP：192.168.10.2，目標(biāo)IP：192.168.10.1，源MAC：MB，目標(biāo)MAC：MA。發(fā)送出去，經(jīng)端口b到達(dá)交換機(jī)。

⑥交換機(jī)收到來自端口b的報文，解析頭部獲得源MAC，則先將“port b：MB：VLAN 1”等信息緩存到FDB表中去，由于FDB表中已經(jīng)有了PC_A的MAC地址緩存，因此根據(jù)ARP回復(fù)報文數(shù)據(jù)中，幀頭部的目標(biāo)MAC將報文從端口a轉(zhuǎn)發(fā)出去（該步中當(dāng)然也存在入口數(shù)據(jù)幀tag的添加與出口數(shù)據(jù)幀tag剝離的操作）。

⑦PC_A接收到交換機(jī)從端口a發(fā)出的ARP報文后，解析以太頭部進(jìn)行目標(biāo)MAC匹配判斷，匹配后解析報文內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)“源IP：源MAC”的對應(yīng)關(guān)系，因此先緩存“192.168.10.2：MB”到ARP表中，之后有了PC_B的MAC地址接可以封裝icmp報文進(jìn)行ping的后續(xù)操作了。

⑧交換機(jī)收到來自PC_A和PC_B的icmp request與icmp reply報文，由于之前有緩存FDB表項，因此之后只會更新對應(yīng)表項的老化標(biāo)志，長時間沒有這倆源MAC的報文到交換機(jī)則會刪除對應(yīng)表項。

3、三層轉(zhuǎn)發(fā)（跨越不同VLAN的主機(jī)通信）：

以上，以一臺交換機(jī)上的同一個VLAN內(nèi)的不同主機(jī)通信為例，描述了的是二層轉(zhuǎn)發(fā)的基本過程，包括ARP表查詢、ARP請求、交換機(jī)MAC地址查詢、FDB表緩存、端口類型檢查、VLAN tag添加與剝離、目標(biāo)主機(jī)ARP回復(fù)等步驟。

而三層交換基本步驟差不多。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為例分析（假設(shè)VLAN 1的網(wǎng)關(guān)為VLAN 1 interface的IP：192.168.10.254，VLAN 2的網(wǎng)關(guān)為VLAN 2 interface 的IP：192.168.20.254），以下過程也有加VLAN tag和剝離VLAN tag的過程，但與二層基本一致，因此不再贅述（對于跨交換機(jī)的不同VLAN間通信，涉及trunk口，其vlan tag添加可能與此稍有些不同）：

①當(dāng)PC_A（192.168.10.1/24）要ping PC_E（192.168.20.1/24）時，依然是檢查目標(biāo)IP是不是和自己在同一個網(wǎng)段，發(fā)現(xiàn)不在同一網(wǎng)段（一個在192.168.10.0/24網(wǎng)段一個在192.168.20.0/24網(wǎng)段），則需要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)（這里是交換機(jī)三層接口）來轉(zhuǎn)發(fā)。因此PC_A在自己的ARP表中尋找網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的MAC地址，如果有則直接將報文封裝為：目標(biāo)MAC為網(wǎng)關(guān)MAC，源MAC為MA，發(fā)送端IP為192.168.10.1，接收端IP為192.168.20.1。

②由于第一次PC_A的ARP緩存中不存在網(wǎng)關(guān)的MAC地址。則先向VLAN 1內(nèi)廣播發(fā)送一個ARP請求，請求網(wǎng)關(guān)192.168.10.254的MAC地址，封裝為：源MAC為MA，目標(biāo)MAC不可知則為全0，源IP為192.168.10.1，目標(biāo)IP為192.168.10.254，到鏈路層封裝的頭部為，源MAC為MA，目標(biāo)MAC為全F即廣播包，“幀類型”字段則填上ARP的協(xié)議號0x0806。

③交換機(jī)SW1收到PC_A發(fā)送的報文，二層解析頭部檢查為廣播包，則從VLAN 1的除源端口外的各個端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，另外也轉(zhuǎn)發(fā)一份到VLAN 1的三層接口，由于PC_A之前給PC_B發(fā)送過報文，SW 1有PC_A的FDB緩存，則檢查匹配后更新老化標(biāo)志位，定時器重新計數(shù)。此外將PC_A的IP、MAC、對應(yīng)port、VLAN ID等信息記錄到交換機(jī)的三層轉(zhuǎn)發(fā)表中。

④VLAN 1其他主機(jī)收到請求對象不是自己的ARP請求，丟棄該廣播報文，而SW 1的三層接口解析到目標(biāo)IP是自己，則封裝一個源MAC是交換機(jī)VLAN 1 interface的MAC，源IP是192.168.10.254，目標(biāo)IP是192.168.10.1，目標(biāo)MAC是MA的ARP應(yīng)答報文，再經(jīng)過以太頭部封裝，添加ARP單播報文頭部，目標(biāo)MAC為MA。交換機(jī)二層收到自三層的報文，解析數(shù)據(jù)幀頭部，根據(jù)目標(biāo)MAC地址MA在FDB表中查找到其出端口是port a，為ACCESS端口，則剝掉tag（之前請求報文進(jìn)入port a之后會被加上tag，以致能夠區(qū)分識別出VLAN 1的其他端口與VLAN 1 interface）轉(zhuǎn)發(fā)給PC_A。

⑤PC_A收到網(wǎng)關(guān)的MAC地址，則先緩存網(wǎng)關(guān)的ARP表項，然后將發(fā)給PC_E的報文修改目標(biāo)MAC為VLAN 1 interface即網(wǎng)關(guān)的MAC地址，而目標(biāo)IP依舊是PC_E的IP：192.168.20.1，然后封裝以太頭部以單播形式發(fā)送出去。

⑥SW 1在收到這個數(shù)據(jù)包后，因為“目的MAC地址”為交換機(jī)自己VLAN接口的MAC地址，而且“目的IP地址”和“源IP地址”不在同一網(wǎng)段，所以直接提交到三層，根據(jù)包中的“目的IP地址”(PC_E的IP地址)在三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表中查看有無對應(yīng)表項，因為是第一次通信，所以結(jié)果是查找失敗，于是將數(shù)據(jù)包再轉(zhuǎn)送到CPU去進(jìn)行軟件路由處理。

⑦ CPU同樣會根據(jù)包中的“目的IP地址”去查找其軟件路由表，發(fā)現(xiàn)匹配了一個直連網(wǎng)段(PC_E對應(yīng)的網(wǎng)段)，于是繼續(xù)查在ARP表中查找對應(yīng)的MAC地址項。同樣是由于是第一次查找，所以仍然查找失敗。如果在ARP表中找到了對應(yīng)的MAC地址，則數(shù)據(jù)可以直接由軟件路由表轉(zhuǎn)發(fā)了。

⑧如果沒查找到則以PC_E的目標(biāo)IP為請求對象，在其所在VLAN 2的目標(biāo)網(wǎng)段內(nèi)發(fā)送ARP請求廣播（目標(biāo)MAC為全0，目標(biāo)IP為192.168.20.1，源MAC為VLAN 2 interface對應(yīng)MAC，源IP為VLAN 2 interface對應(yīng)IP：192.168.20.254），PC_E收到該ARP請求報文后，則先緩存網(wǎng)關(guān)的ARP表項，然后以ARP單播形式回復(fù)自己的MAC地址ME給網(wǎng)關(guān)192.168.20.254，SW 1的CPU則根據(jù)回復(fù)的報文更新記三層轉(zhuǎn)發(fā)表項，記錄PC_E的IP、MAC、出端口、VLAN ID等信息，此時三層轉(zhuǎn)發(fā)表中有了PC_A和PC_E的轉(zhuǎn)發(fā)表項。另外緩存PC_E的ARP表項與FDB表項。

⑨三層交換機(jī)的CPU根據(jù)獲取到的目標(biāo)主機(jī)MAC和現(xiàn)有的直連路由信息將PC_A發(fā)來的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給PC_E，這就是一次單方向的三層轉(zhuǎn)發(fā)過程，其中也大量涉及到了二層轉(zhuǎn)發(fā)（PC_A在VLAN 1內(nèi)廣播請求網(wǎng)關(guān)MAC，交換機(jī)CPU控制在VLAN2內(nèi)廣播請求PC_E的MAC等）。

⑩當(dāng)PC_E回復(fù)PC_A報文時，與PC_A步驟相同，只是在PC_E上已經(jīng)存在了網(wǎng)關(guān)ARP表項、交換機(jī)上已經(jīng)存在了到PC_A的三層轉(zhuǎn)發(fā)表項、FDB表項等，所以會更簡單些。另外由于三層轉(zhuǎn)發(fā)表項的存在，因此PC_E回復(fù)PC_A的報文會直接根據(jù)三層轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行硬件轉(zhuǎn)發(fā)，而不是CPU路由軟件轉(zhuǎn)發(fā)，效率會更快。

看完上述內(nèi)容，你們掌握L3 Switch二三層轉(zhuǎn)發(fā)原理是怎樣的的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！