交换机内部转发流程

交换机内部转发流程1.二层转发流程1.1.MAC地址介绍MAC地址是48bit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。1.2.二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。1.3.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VLANID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VLANTag等于端口上配置的默认VLANID，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802.1QVlan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privatevlan，而我们的PVLAN意思是primaryvlan。这里的VLAN有两类：Primaryvlan和secondaryvlan（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，VLAN2上配置了路由接口用来实现vlan1和vlan2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----BARP请求报文，该报文在VLAN1内广播；3）B----AARP回应报文；4）A----Bicmprequest;5）B----Aicmpreply;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（intvlan1）ARP请求报文，该报文在VLAN1内广播；3）网关----AARP回应报文；4）A----switchicmprequest（目的MAC是intvlan1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（intvlan2）----CARP请求报文，该报文在VLAN2内广播；7）C---switch（intvlan2）ARP回应报文；8）switch（intvlan2）----Cicmprequest（目的MAC是C的MAC，源MAC是intvlan2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----Aicmpreply，这以后的处理同前面icmprequest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：vlan1vlan2AC1.1.1.1255.255.0.01.1.1.2255.255.0.02.2.2.2255.255.0.02.2.2.1255.255.0.01.1.1.3255.255.0.0B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S3526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；IP协议栈功能，在整个系统的处理流程中，这部分担负着重要的功能，当硬件不能完成报文转发的时候，这部分可以代替硬件来完成报文的三层转发。另外对交换机进行telnet,ping,ftp,snmp的数据流都是在这部分来处理。举例：showiproute：RoutingTables:Destination/MaskProtoPreMetricNexthopInterface0.0.0.0/0Static60010.110.255.9VLAN-Interface210.110.48.0/21Direct0010.110.48.1VLAN-Interface110.110.48.1/32Direct00127.0.0.1InLoopBack010.110.255.8/30Direct0010.110.255.10VLAN-Interface210.110.255.10/32Direct00127.0.0.1InLoopBack0127.0.0.0/8Direct00127.0.0.1InLoopBack0127.0.0.1/32Direct00127.0.0.1InLoopBack0维护ARP表showarp：IpAddressMac_AddressVLANIDPortNameType10.110.255.900e0.fc00.55182GigabitEthernet2/1Dynamic10.110.51.750010.b555.f0391Ethernet0/9Dynamic10.110.54.300800.20aa.f41d1Ethernet0/10Dynamic10.110.51.1370010.a4aa.fce61Ethernet0/12Dynamic10.110.50.900010.b555.e04f1Ethernet0/8Dynamic2）硬件处理流程主要的表项是：二层MAC地址表，和三层的ipfdb表，这两个表中用于保存转发信息，在转发信息比较全的情况下，报文的转发和处理全部由硬件来完成处理，不需要软件的干预。这两个表的功能是独立的，没有相互的关系，因为一个报文只要一进入交换机，硬件就会区分出这个包是二层还是三层。非此即彼。例如：showmacall：MACADDRVLANIDSTATEPORTINDEXAGINGTIME(s)0000.21cf.73f41LearnedEthernet0/192660002.557c.5a791LearnedEthernet0/122250004.7673.0b381LearnedEthernet0/92620005.5d04.96481LearnedEthernet0/162320005.5df5.9f641LearnedEthernet0/16300MAC地址表是精确匹配的IVL方式，其中关键的参数是：VlanID,Portindex。例如：showipfdball：0:System1:Learned2:UsrCfgAge3:UsrCfgnoAgeOther:ErrorIpAddressRtIfVtagVTValidPortMacStatus10.11.83.7722InvalidGigabitEthernet2/100-e0-fc-00-55-18110.11.198.2822InvalidGigabitEthernet2/100-e0-fc-00-55-18110.63.32.222InvalidGigabitEthernet2/100-e0-fc-00-55-18110.72.255.10022InvalidGigabitEthernet2/100-e0-fc-00-55-18210.75.35.10322InvalidGigabitEthernet2/100-e0-fc-00-55-18210.75.35.10622InvalidGigabitEthernet2/100-e0-fc-00-55-182路由接口索引（RtIf）：该索引用来确定该转发表项位于哪个路由接口下面，对3