二三層轉發(fā)理解分析.doc

二三層轉發(fā)原理理解與分析二層轉發(fā)原理在OSI模型中,二層即為數(shù)據(jù)鏈路層,該層主要流通的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀的形式來構成,可以說是當數(shù)據(jù)進入二層后,封裝或者解封裝為數(shù)據(jù)幀結構.根據(jù)下圖和我的理解簡單描述一下數(shù)據(jù)在二層是如何完成轉發(fā)的.圖1在二層數(shù)據(jù)的轉發(fā)主要依據(jù)鏈路層信息MAC地址來完成的.MAC地址也就是我們所說的硬件地址,網(wǎng)絡中的每個通訊設備都有自己唯一的MAC地址,該地址是獨一無二的.設備根據(jù)MAC地址判斷把數(shù)據(jù)包轉發(fā)到何處,以及該數(shù)據(jù)包是從何處來.二層交換設備一般通過內部的ASIC硬件芯片完成轉發(fā).由于是硬件轉發(fā),轉發(fā)性能非常高的,這也是ASIC交換機的一大特點和優(yōu)勢.二層交換機不同的端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)相互獨立,各端口屬于不同的沖突域,以此有效隔離了網(wǎng)絡中的物理沖突,使得通過它相連的主機之間不必擔心流量大小對于數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的影響.二層交換不同與三層交換,它主要完成同一網(wǎng)段內的數(shù)據(jù)交互,二層交換機通過解析和學習以太網(wǎng)幀的源MAC地址來維護MAC地址與端口的對應關系,它會把這些信息寫入到MAC表中,其次是根據(jù)目的MAC來查找MAC表決定向哪個端口轉發(fā)數(shù)據(jù).以圖1為例,假設PC1要把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC3,它會有一個數(shù)據(jù)轉發(fā)流程1) 當交換機端口收到PC1發(fā)來的一個數(shù)據(jù)包時，它先讀取包頭中的源MAC地址，也就是PC1的MAC地址,這樣它就知道源MAC地址的機器是PC1并且連在port1端口上的.交換機會把源MAC地址與端口對應關系寫入到MAC表中,作為以后的二次轉發(fā)依據(jù),如果MAC表項中有相同的記錄,它會刷新該記錄的老化時間,在交換機中采取了一定的老化時間,在老化時間內未得到刷新會自動刪除MAC表項的記錄.2) 讀取包頭中的目的MAC地址，即PC3的MAC地址們,并在地址表中查找相應的端口,經(jīng)過查找會查找到兩個端口分別是port2和port3,經(jīng)過對比,port2對應的MAC地址不是報文中的目的MAC地址,port3對應的MAC地址是目的MAC地址.3) 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上,直接把數(shù)據(jù)包復制到端口port34) 如表中找不到相應的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。如果表項所示端口與收到的以太網(wǎng)幀的端口相同,則丟棄該幀.不斷的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。從二層交換機的工作原理可以得出以下結論：由于交換機對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過NM，那么這交換機就可以實現(xiàn)線速交換.學習端口連接的機器的MAC地址，寫入MAC地址表，MAC地址表的大小影響交換機的接入容量.三層轉發(fā)原理圖2路由和三層交換最大的區(qū)別是路由器依靠CPU進行三層轉發(fā),三層交換機主要依靠ASIC芯片進行三層轉發(fā).目前的三層交換機一般是通過VLAN來劃分二層網(wǎng)絡并實現(xiàn)二層交換,同時能夠實現(xiàn)不同VLAN直接的三層互訪,根據(jù)圖2的拓撲分析三層數(shù)據(jù)轉發(fā)原理.圖2是個比較典型比較簡單的三層轉發(fā)拓撲.PC1在1.1.1.0/24網(wǎng)段,PC2在2.2.2.0/24網(wǎng)段,他們通過交換機進行三層數(shù)據(jù)包轉發(fā).在這個過程中既有二層轉發(fā)出現(xiàn),又有三層轉發(fā)出現(xiàn).三層轉發(fā)原理1) 源主機PC1在發(fā)起通信之前,將自己的 IP與目的IP地址向比較,如果兩者位于同一個網(wǎng)段內,源主機PC1向目的主機交換機發(fā)送ARP請求,收到ARP請求的交換機,會回應一個ARP應答,應答報文中帶有目的主機的MAC地址,源主機獲得目的MAC后,根據(jù)MAC地址發(fā)送報文.這是一個完整的同網(wǎng)段內二層交換轉發(fā).2) 當源主機PC1判斷目的主機地址與自己不是在同一個網(wǎng)段內時,它會通過網(wǎng)關來遞交報文,即發(fā)送ARP請求到網(wǎng)關主機獲得對應的MAC地址,以網(wǎng)關MAC地址作為報文的目的MAC地址進行報文交互,在此過程中,源IP地址和目的IP地址都不變,改變的是源MAC地址和目的MAC地址.三層轉發(fā)過程描述1) PC1要給PC2發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么PC1就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。2) 在同一網(wǎng)段，但不知道轉發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，PC1就發(fā)送一個ARP請求，PC2返回其MAC地址，PC1用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到相應的端口。3) 目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么PC1要實現(xiàn)和PC2的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向缺省網(wǎng)關，這個缺省網(wǎng)關就是交換機,對應第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關的MAC地址；然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)包送CPU處理,查詢其中的軟件路由表和ARP表,以確定到達PC2的路由，將構造一個新的幀頭，其中以交換機的MAC地址為源MAC地址，以主機PC2的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機制，確立主機PC1與PC2的MAC地址及轉發(fā)端口的對應關系，并記錄進流緩存條目表，以后的PC1到PC2的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所