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交换机学习笔记

交换技术

一、以太网

以太网技术标准主要定义了数据链路层和物理层的规范。

同一层次的技术标准包括令牌环网等等。

TCP/IP协议本身是与数据链路层和物理层无关的，TCP/IP协议栈可以架构在以太网技术上，也可以是令牌环网。

以太网是广播网。

半双工传输时采用CSMA/CD技术，全双工模式不需要。

在采用CSMA/CD传输介质访问的以太网中，任何一个CSMA/CD LAN工作站在任何一时刻都可以访问网络。

发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有检测到网络空闲时，工作站才能发送数据。

工作站在发送数据帧时需要等待一个时间片的时间，用来检测刚才发送出去的帧是否发生冲突。

冲突发生时，采用时间指数退避算法，延后一段时间后在发送数据包。

一层设备：

代表设备是HUB，作用于7层网络模型的第1层，物理层，主要用于电信号的放大，以增加传输距离。

一层设备不存在交换。

以太网HUB工作于半双工状态，HUB连接的所有主机同时只能有一台主机发送以太帧，并且所有的主机都能够接收到这个帧，所有的端口处于同一个冲突域，一个广播域。

以太网帧结构：

前导符

帧开始符

目的地址

源地址

类型

数据

CRC

7字节

1字节

6字节

6字节

2字节

46-1500字节

4字节

最小以太帧为64字节，若小于64字节，则需要“填充”。

二、交换机基本结构

目前的L2/L3交换芯片一般采用分布式交换的体系结构，主要包括：

CPU（带管理的交换机）或者EEPROM（不带管理的交换机）、交换结构、MAC芯片、物理层芯片几个部分，如果是提供光口还需要光模块。

其中的核心是MAC芯片，实现了MAC源地址学习和L2层以太帧转发，以及流量控制功能，如果是L3芯片，则在MAC层芯片中还有路由模块。

所有的2层地址学习、2层转发和3层路由都是分散在各个MAC芯片中完成的。

虽然地址学习是分散在各个芯片中完成的，但是系统中的所有MAC芯片会通过内部通讯协议通过交换结构互相交换地址学习信息，使得整个系统中的地址学习表是统一的。

图中所示的是一个L2/L3层交换的MAC芯片，它主要包括了L2交换模块、L3路由模块、流分类模块和转发引擎等几个部分：

1、L2交换模块主要进行MAC地址学习和L2层转发判断 

2、L3路由模块主要根据路由表进行L3层路由转发，如果是L2芯片则没有这个模块

3、流分类模块主要是对进入以太帧做QOS方面的调整或者流量限制。

如果是L2层芯片，则可以根据源目的MAC地址、端口、VLAN号、以太帧中的COS位进行流控，降低优先级甚至丢弃，如果是L3层芯片还可以根据IP包中的TOS位、IP源目的地址、IP地址加上TCP/UDP的端口号，甚至根据应用层的信息进行QOS调整和流量控制。

转发引擎主要是根据前面几个模块的结果做转发操作，输出队列的选择依据以太帧中的COS与优先级队列映射表或者Diffserv表等。

交换机构：

总线结构、共享内存交换结构、CROSSBAR结构

两种转发方式：

直接转发、存储转发

三、VLAN及三层交换

二层交换式网络中，整个网络是一个扁平的结构。

网络全部由二层交换机构造起来，整个网络是一个大的广播域。

在以太网中，所谓广播域就是指在一个网络中，广播帧（目的MAC地址为ff-ff-ff-ff-ff-ff的帧）将要被转发的最大范围。

在二层交换机中，交换机仅根据MAC地址进行帧的选路和转发，当一个完整正确的以太网帧从一个交换机端口上被接收上来以后，交换机将在自己维护的MAC地址表中去查找地址，根据地址类型的不同和查找结果的不同情况，交换机对帧采取不同的处理。

单播帧（Unicast），目的地址在MAC地址表中存在：

按照目的地址在地址表中的表项所指的输出端口，将帧转发到相应的端口上。

（单播MAC地址在地址表中只能指向一个输出端口）

单播帧（Unicast），目的地址在MAC地址表中不存在：

在广播域的所有端口上广播该帧

多播帧（Multicast），目的地址在MAC地址表中存在：

按照目的地址在地址表中的表项所指的输出端口，将帧转发到相应的端口上。

（多播MAC地址在地址表中可以指向一个或一组输出端口）

多播帧（Multicast），目的地址在MAC地址表中不存在：

在广播域的所有端口上广播该帧

广播帧（Broadcast）：

在广播域的所有端口上广播该帧

为了解决网络由广播导致的效率下降和安全性等问题，VLAN的概念被引入，在支持VLAN功能的交换机组成的网络中，每一个VLAN被设计为一个独立的广播域。

VLAN之间被严格地隔离开来，任何一个帧都不能从自己所属的VLAN被转发到其他的VLAN中。

整个网络被划分为若干个规模更小的广播域，网络的广播被控制在相对比较小的范围内，提高了网络的带宽利用率，改善网络效率和性能。

每一个人都不能随意地从网络上的一点，毫无控制地直接访问另一点的网络或监听整个网络上的帧，隔离的广播域改善了网络的安全性。

对于VLAN概念的理解，有几点要注意：

分离了广播域； 

2.单独的一个VLAN模拟了一个常规的交换以太网，因此VLAN将一个物理交换机分割成了一个或多个逻辑交换机； 

3.不同VLAN之间通信需要三层参与； 

4.当多台交换机级联时，VLAN通过VID来识别，该ID插入到标准的以太帧中，被称作tag； 

5.大多数的tag都不是端到端的，一般在上行路上第一个VLAN交换机打tag，下行链路的最后一个VLAN交换机去除tag； 

6.只有在一个数据帧不打tag就不能区分属于哪个VLAN时才会打上tag，能去掉时尽早要去掉tag； 

7.最终，IEEE解决了VLAN的tag问题。

VLAN间通信

用传统的路由器进行VLAN之间的路由在性能上还有一定的不足：

由于路由器利用通用的CPU，转发完全依靠软件进行，同时支持各种通信接口，给软件带来的负担也比较大。

软件要处理包括报文接收、校验、查找路由、选项处理、报文分片，导致性能不能做到很高，要实现高的转发率就会带来高昂的成本。

由此就诞生了三层交换机，利用三层交换技术来进一步改善性能。

三层交换机的设计基于对IP路由的仔细分析，把IP路由中每一个报文都必须经过的过程提取出来，这个过程是个十分简化的过程：

IP路由中绝大多数报文是不包含IP选项的报文，因此处理报文IP选项的工作在多数情况下是多余的；

不同的网络的报文长度都是不同的，为了适应不同的网络，IP实现了报文分片的功能，但是在全以太网的环境中，网络的帧（报文）长度是固定的，因此报文分片的功能也是一个可以裁减的工作；

三层交换机采用了和路由器的最长地址掩码匹配不同的方法，使用精确地址匹配的方式处理，有利于硬件实现快速查找；

三层交换机采用了Cache的方法，把最近经常使用的主机路由放到了硬件的查找表中，只有在这个Cache中无法匹配到的项目才会通过软件去转发。

这样，只有每个流的第一个报文会通过软件进行转发，其后的大量数据流则可以在硬件中得以完成。

三层交换机在IP路由的处理上做了以上改进，实现了简化的IP转发流程，利用专用的芯片实现了硬件的转发，这样绝大多数的报文处理都在硬件中实现了，只有极少数报文才需要使用软件转发，整个系统的转发性能能够得以成百上千倍地增加。

相同性能的设备在成本上得以大幅度下降。

四、交换机的报文转发

L2交换机中的3张表：

1、地址转发表

地址学习表是L2交换的转发依据。

它主要记录某个MAC地址是从哪个端口收到的，以及这个被学习的帧属于哪个VLAN的信息，另外还有一个比较重要的栏是标志，在标志栏中可以设置标志，使匹配到这个条目的以太帧被送到CPU进行处理，或者送到L3路由模块进行处理。

也可以设置标志表示该表项是属于静态表项，不进行老化处理。

2、VLAN表

VLAN表主要记录哪些端口属于某个VLAN。

一个端口可以属于多个VLAN，比如端口1既属于VLAN1，又属于VLAN3，此时这个端口输出时采用的帧格式。

3、端口寄存器表

端口寄存器表项主要记录了该端口的缺省VLAN。

交换机的报文转发机制分两种：

SVL和IVL。

SVL：

Sharedvlanlearning，共享式vlan学习。

在这种方式下，MAC地址在整张表中是唯一的，一个MAC地址在地址表中只能有一条记录，一个MAC只能被学习到一个端口上。

IVL：

Independentvlanlearning，独立式vlan学习。

在这种方式下，MAC地址表在逻辑上可以被看成根据VLAN信息分成了很多张表，一个MAC地址可学习到不同VLAN对应的“地址表”上。

MAC地址在不同方式的地址表中的存在可以形象的表示为：

在IVL方式下，MAC2可以学习在VLAN1的“地址表”上，也可以学习在VLAN2的“地址表”上。

两种转发机制的转发报文的流程

而在SVL方式下，MAC2只能有一条记录，只能对应某个VLAN和端口。

对于SVL方式而言：

交换机先根据目的MAC地址查MAC地址表，找到端口之后，然后判断这个端口所属的VLAN是否和报文携带的VLAN信息对应的VLAN相等，如果相等就转发，否则就丢弃。

如果根据目的MAC没有找到对应的端口，则在报文所属的VLAN内进行广播。

而对于IVL而言：

交换机根据MAC地址和VLAN信息一起查MAC地址表，如果找到对应的端口则转发，否则在报文所属的VLAN内进行广播。

三层交换机的数据包转发流程

假设两个使用IP协议的站点（源站点A、目的站点B）通过第三层交换机，通信的过程如下：

-源站点A在开始发送时，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。

首先需要采用地址解析（ARP）来确定目的站的MAC地址。

源站点把自己的IP地址与目的的站的IP地址比较。

-若目的站B与源站A在同一子网内，源站A广播一个ARP请求，目的B站返回其MAC地址，A站得到目的站点B的MAC地址后将这一地址缓存起来存放在ARP表中，并用此MAC地址封装包后转发数据。

三层以太网交换机的第二层交换模块根据源站A发送的以太网帧中的目的MAC地址查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。

-若目的站B与源站A不在同一子网内，如源站A要与目的站B通信，源站A要向“缺省路径（其软件中配置的网关地址）”发出ARP封装包，“缺省路径”的IP地址实际上对应所连接第三层交换机的一个路由接口，即连接源站A的物理端口所属VLAN接口。

当发源站A对“缺省路径”的IP地址广播出一个ARP请求时，交换机回相应路由接口（即发源站A的“缺省路径”）的MAC地址给源站。

第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站B的MAC地址，则直接将数据包以此MAC地址封装并发向目的站B；

否则则提取出输入帧的IP包去查路由表，根据路由表中的路由信息向目的站网段广播一个ARP请求，目的站B得到此ARP请求后，向第三层交换模块回复其MAC地址，以后，当再进行站点A与站点B之间的数据包转发时，将用最终的目的站点B的IP地址为索引查找底层硬件转发表，得到出端口与对应的MAC地址，并用查到MAC地址封装包，从查到的出端口将数据转发出去；数据转发过程全部交给第二层交换处理，因此信息得到高速交换。

报文到报文的交换方式与流交换方式的区别：

如果每一个报文都要经历第三层处理，并且业务流转发是基于第三层地址的，这种交换方式就是报文到报文交换方式；如果只是第一个报文经过第三层处理，其他后续报文只进行第二层转发，这种交换方式就是流交换方式。

在上图报文到报文的流活动中，报文进入系统中OSI参考模型的第一层物理接口，然后到达第二层接口进行目的MAC地址检查，如果查表检查的结果是不能交换则进入到第三层。

在第三层，报文经过路由计算、地址解析等处理，经过三层处理后，报文头被修改并被传回第二层，二层确定合适的输出端口后，报文通过第一层传送到物理介质上。

对于后续的每一个报文的转发，都要经过这样的一个过程。

在流交换中，第一个报文被分析以确定其是否表示了一个“流”或者一组具有相同源地址和目的地址的报文，如果第一个报文具有了正确的特征，则该标识流中的后续报文将拥有相同的优先权，同一流中的后续报文被交换到基于第二层的目的地址，流交换节省了检查每一个报文要花费的处理时间。

现在三层交换机为了实现高速交换，都采用流交换的方式。

五、关于access、trunk、hybrid

先介绍PVID：

“PVID”是“PortVLANID”的缩写，是“端口缺省VLANID”的意思，即一个端口缺省属于的VLAN。

PVID的作用是：

当一个数据帧进入交换机端口时，如果没有带VLAN标签，则该数据帧就会被打上端口的PVID。

当交换机收到一个数据帧时

1.Access端口

（1）收到一个二层帧

（2）判断是否有VLAN标签：

没有则转到第3步，有则转到第4步

（3）打上端口的PVID，并进行交换转发

（4）若VLAN标签和PVID一致，转发VLAN帧；否则丢弃

2.trunk端口

（1）收到一个二层帧

（2）判断是否有VLAN标签：

没有则转到第3步，有则转到第4步

（3）打上端口的PVID，并进行交换转发

（4）判断该trunk端口是否允许该VLAN帧进入：

允许则转发，否则丢弃

（注意：

trunk口允许或不允许VLAN帧，是对进入的帧而言的，对出去的帧没有限制。

）

3.hybrid端口

（1）收到一个二层帧

（2）判断是否有VLAN标签：

没有则转到第3步，有则转到第4步

（3）打上端口的PVID，并进行交换转发

（4）判断该hybrid端口是否允许该VLAN帧进入：

允许则转发，否则丢弃

当交换机把数据帧转发出端口时：

1.Access端口

（1）将二层帧的VLAN标签剥离，直接发送出去

2.trunk端口

（1）比较端口的PVID和将要发送二层帧的VLAN标签

（2）如果两者相等则转到第3步，否则转到第4步

（3）剥离VLAN标签，再发送

（4）直接发送

3.hybrid端口

（1）判断VLAN在本端口的属性。

查看该端口对哪些VLAN是untag，哪些VLAN是tag

（2）如果是untag则转到第3步，如果是tag则转到第4步

（3）剥离VLAN标签，再发送

（4）直接发送

由上述可知，交换机内的数据都是有标签的。

在入方向，不管端口配置的是何种模式，对于没有VLAN标签的数据帧都会打上PVID；在出方向，不管端口配置的是何种模式，对于PVID=VID的数据帧，都会去掉标签发送。

六、MAC地址漂移

如图所示，当Switch1向两个方向同时发报文时，在Switch2上的两个不同端口都会收到该报文，从而出现MAC地址漂移。

当Switch2的两个端口出现了MAC地址漂移时，说明交换机的两个端口间可能出现了环路。

图：

MAC-Flapping示意图