二层转发原理详解

一、什么是二层转发二层转发就是基于MAC地址进行数据包转发。1. 二层指的就是网络七层模型中的数据链路层2. 数据链路层传输的数据单元叫 – 帧以太帧格式前两个字段分别是目的地址和源地址字段。第3个字段是2字节的类型字段，用来标识上一层是什么协议(0x800：IP协议，0x0806：ARP协议等)。第4个字段是数据字段，长度在46-1500字节之间。最后一个字段是CRC检验字段，存放4字节的帧检测

滨边美波她男友

8432人浏览 · 2022-11-02 10:39:54

滨边美波她男友 · 2022-11-02 10:39:54 发布

一、什么是二层转发

二层转发就是`基于MAC地址进行数据包转发`。

1. 二层指的就是网络七层模型中的数据链路层

在这里插入图片描述

2. 数据链路层传输的数据单元叫 – 帧

以太帧格式

在这里插入图片描述

前两个字段分别是目的地址和源地址字段。第3个字段是2字节的类型字段，用来标识上一层是什么协议(0x800：IP协议，0x0806：ARP协议等)。第4个字段是数据字段，长度在46-1500字节之间。最后一个字段是CRC检验字段，存放4字节的帧检测序列FCS。校验范围是目的地址、源地址、类型、数据字段。

MAC帧长度最小为64字节，数据字段最小为46字节，如果不够，则自动加0填充。

3. MAC 地址

MAC地址也就是物理地址，大小为48位，6个字节，前24位是厂商代码，后24位为序号，比如H3C厂商代码为00-0f-e2。

单播地址：第一个字节最低位为0，如 00-0f-e2-00-00-06
多播地址：第一个字节最低位为1，如 01-0f-e2-00-00-06
广播地址：48位全为1，如ff-ff-ff-ff-ff-ff

4. 冲突域与广播域

冲突网络（冲突域）：连接在同一个到导线上的所有工作站点集合，一个节点发出的报文其余节点都能收到，从而产生冲突。
广播网络（广播域）：限制以太网广播报文的范围，一个站点发送一个广播报文其余站点都可以收到。

5. 转发

基于MAC地址转发：主要是根据原MAC、目的MAC、MAC地址表进行业务转发（详细见原理）。
基于VLAN转发：为了解决广播域的问题引入了VLAN机制进行隔离。

二、二层转发原理

1. 转发原理及流程

原理：基于原MAC、目的MAC、MAC地址表进行业务转发
流程：PC_A 与 PC_B通信

在这里插入图片描述
① PC_A 发送 ARP 请求给交换机1来尝试获取计算机B的mac地址（基于以太网的通信必须在数据帧中指定目标MAC地址才能通信）
②交换机1 收到广播帧（ARP请求）后，会将他发给除接收端口外的所有端口，也就是flooding了。
③计算机B 收到 ARP 后，回复 MAC 地址给A。
④计算机A 收到 B 的MAC地址后，写入以太帧目的MAC中，开始业务传输。
⑤交换机1 收到 PC_A 发出的以太帧后，会进行查表。如果查到，就按照MAC地址表指定的端口转发；查不到的话就进行广播转发。

附：查表流程

在这里插入图片描述

附：MAC地址学习流程（以下流程按照地址表中未学习到介绍，学习到的话直接转发）：

① PC_A 发送的以太帧进入交换机（假设与A连的端口是1，与B连的端口是2）
② 交换机查表，无相应信息
③ 交换机将收到 “以太帧的端口和源MAC地址” 学习到MAC转发表
④ 利用目的MAC转发，查表发现，MAC转发表中无 “目的MAC” 的对应信息
⑤ 广播，其他端口收到后丢弃，目的为以太帧中DMAC的设备接收

注意：除非 PC_B 和 PC_A 是双向业务的交换机才会学到B的MAC地址，A->B单向不会。

缺陷：

当网络过大时，采用无vlan的二层转发会增加网络的负载，给设备CPU造成负担。

在这里插入图片描述
图中，是一个由5台二层交换机（交换机1一5）连接了大量客户机构成的网络。假设这时，计算机A 需要与计算机B 通信。在基于以太网的通信中，必须在数据帧中指定目标MAC地址才能正常通信，因此计算机A 必须先广播“ARP请求(ARP Request)信息”，来尝试获取计算机B 的MAC地址。

交换机1 收到广播帧(ARP请求)后，会将它转发给除接收端口外的其他所有端口，也就是Flooding了。接着，交换机2 收到广播帧后也会Flooding。交换机3、4、5也还会Flooding。最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有客户机上。

这个ARP请求原本是为了获得计算机B 的MAC地址而发出的。可是事实上，数据帧却传遍整个网络，导致所有的计算机都收到了它。如此一来，一方面广播信息消耗了网终整体的带宽，另一方面，收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU时间来对它进行处理。造成了网络带宽和CPU运算能力的大量无谓消耗。

2、VLAN转发原理及流程

说明：为了解决上面1.中提到的802.1d存在的问题，就引入了VLAN技术（Virtual Local Area Network），即虚拟局域网技术。通过 vlan 划分广播域解决802.1d的问题。

特点：
①相同 vlan 内的主机可以任意通信。
②不同 vlan 的主机在二层就可以完全隔离。

VLAN的基本概念

1）VLAN帧结构概述
802.1Q帧格式是现在使用最广泛的VLAN协议标准，许多厂家的交换机路由器都支持IEEE 802.1Q标准。

2）802.1Q标准的VLAN帧格式
在这里插入图片描述

802.1QTag的长度是4bytes，它位于以太网帧中源MAC地址和长度/类型之间。802.1QTag包含4个字段。

Type：长度为2bytes，表示帧类型，802.1Qtag帧中type字段取固定值0x8100，如果不支持802.1Q的设备收到802.1Q帧，则将其丢弃。
PRI：priority字段，长度为3bit，表示以太网帧的优先级，取值范围是0~7，数值越大，优先级越高。当交换机/路由器发生传输用色时，优先发送优先级高的数据帧。
CFI：Canonical FormatIndicator，长度为1bit，表示MAC地址是否是经典格式。CFI为0说明是经典格式，CFI为1表示为非经典格式。该字段用于区分以太网帧、FDDI帧和令牌环网帧，在以太网帧中，CFI取值为0。
VID：VLAN ID，长度为12bit，取值范围是0~4095，其中0和4095是保留值，不能给用户使用。

3）以太端口TAG数据简述（端口链路类型）

Access 类型端口端口只能属于1个VLAN，一般用于连接计算机的端口。

在这里插入图片描述

Trunk 类型的端口可以允许多个VLAN通过，可以接受和发送多个VLAN的报文，一般用于交换机之间的连接端口。

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Hybrid 类型的端口可以允许多个VLAN通过，可以接收和发送多个VLAN的报文，可以用于交换机之间的连接也可以用于连接用户的计算机。

知识点：
①Hybrid 和 Trunk 的异同
同：Hybrid 和 Trunk 在接收数据是处理方式相同
异：发送时 Hybrid 可以允许多个VLAN的报文发送时不带标签，而Trunk端口只允许缺省VLAN的报文发送时不打标签。
②缺省VLAN
Access 端口只属于1个VLAN，所以它的缺省VLAN就是他所在的VLAN，不用设置。
Hybrid 端口和 Trunk 端口属于多个VLAN ID，缺省情况下， Hybrid 端口和 Trunk 端口的缺省 VLAN 为 VLAN 1。
③tag list 和 untag list
从两方面将，一方面如果是指报文，untag就是普通的Eth报文，普通PC机的网卡是可以识别这样的报文进行通讯；tag报文结构的变化是在源mac地址和目的mac地址后加上了4bytes的vlan信息，也就是vlan tag头，一般来说这样的报文不同PC机的网卡是不能识别的。另一方面，在报文进入端口和从端口发送出去时，还需要对报文中携带的VLAN、tag list和untag list这两个列表进行对比再进行下一步处理，而tag list和untag list就是由一个或多个VLAN值组成的列表。在设备设置二层转发是进行配置。
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MAC 学习方式

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SVL 方式的二层交换机

SVL（Shared VLAN Learning）方式的二层交换机在学习 MAC 地址并建立 MAC 地址表的过程中并不附加VLAN ID，或者说它的 MAC 地址表是为所有 VLAN 共享使用的。它的二层转发基本流程如下：

（1）根据接收到的以太网帧的源MAC信息添加或刷新MAC地址表项；

（2）根据目的MAC信息查找MAC地址表，如果没有找到匹配项，那么在报文对应的VLAN内广播；

（3）如果找到匹配项，但是表项对应的端口并不属于报文对应的VLAN，那么丢弃该帧；

（4）如果找到匹配项，且表项对应的端口属于报文对应的VLAN，那么将报文转发到该端口，但是如果表项对应端口与收到以太网帧的端口相同，则丢弃该帧。

这种类型的二层交换机转发与普通二层交换机转发基本相同，只是多了转发过程中的VLAN检查。这样的交换机可能遇到下述问题：位于不同VLAN的主机（或网络设备）具有相同的MAC地址，由于SVL交换机所有VLAN共享一个MAC表，这样对应的MAC表项中端口就会不断的变化，而且两个VLAN的报文转发也会受到影响。
在实际应用中，SVL方式的二层交换机已经比较少见了。

IVL方式的二层交换机

IVL（Independent VLAN Learning）方式的交换机在学习MAC地址并建立MAC地址表的过程中同时附加VLAN ID，同一个MAC地址可以出现在不同的VLAN中，这样的方式也可以理解为每个VLAN都有自己独立的MAC地址表。它的二层转发基本流程如下：

（1）根据接收到的以太网帧的源MAC＋VLAN-ID信息添加或刷新MAC地址表项；

（2）根据目的MAC＋VLAN-ID查找MAC地址表项，如果没有找到匹配项，那么在VLAN-ID对应的VLAN内广播；

（3）如果能够找到匹配表项，则向表项所示的对应端口转发，但是如果表项所示端口与收到以太网帧的端口相同，则丢弃该帧。

IVL方式的二层交换机转发流程更加清晰，VLAN之间不会互相影响，目前实际应用中的二层交换机大多采用这种方式。