华为以太网三层交换原理
首页 > HuaWei > 基础配置   作者:杭州清默网络  2016年5月23日 12:20 星期一  字号:   评论:0 条
时间:2016-5-23 12:20   评论:0 条 

早期的网络中一般使用二层交换机来搭建局域网,而不同局域网之间的网络互通由路由器来完成。那时的网络流量,局域网内部的流量占了绝大部分,而网络间的通信访问量比较少,使用少量路由器已经足够应付了。

但是,随着数据通信网络范围的不断扩大,网络业务的不断丰富,网络间互访的需求越来越大,而路由器由于自身成本高、转发性能低、接口数量少等特点无法很好的满足网络发展的需求。因此出现了三层交换机这样一种能实现高速三层转发的设备。

路由器的三层转发主要依靠CPU进行,而三层交换机的三层转发依靠硬件完成,这就决定了两者在转发性能上的巨大差别。

当然,三层交换机并不能完全替代路由器,路由器所具备的丰富的接口类型、良好的流量服务等级控制、强大的路由能力等仍然是三层交换机的薄弱环节。

目前的三层交换机一般是通过VLAN来划分二层网络并实现二层交换,同时能够实现不同VLAN间的三层IP互访。不同网络的主机之间互访的流程简要如下

1、源主机在发起通信之前,将自己的IP与目的主机的IP进行比较,如果两者位于同一网段(用网络掩码计算后具有相同的网络号),那么源主机直接向目的主机发送ARP请求,在收到目的主机的ARP应答后获得对方的物理层(MAC)地址,然后用对方MAC地址作为报文的目的MAC地址进行报文发送。

2、当源主机判断目的主机与自己位于不同网段时,它会通过网关(Gateway)来递交报文,即发送ARP请求来获取网关IP地址对应的MAC,在得到网关的ARP应答后,用网关MAC作为报文的目的MAC发送报文。此时发送报文的源IP是源主机的IP,目的IP仍然是目的主机的IP

下面详细介绍一下三层交换的过程。

三层转发组网.png

1 三层转发组网

如上图1所示,通信的源、目的主机连接在同一台三层交换机上,但它们位于不同VLAN(网段)。对于三层交换机来说,这两台主机都位于它的直连网段内,它们的IP对应的路由都是直连路由。

图中标明了两台主机的MACIP地址、网关,以及三层交换机的MAC、不同VLAN配置的三层接口IP。当PC A PC B发起PING时,流程如下:(假设三层交换机上还未建立任何硬件转发表项)

1、根据前面的描述,PC A首先检查出目的IP地址10.2.1.2PC B)与自己不在同一网段,因此它发出请求网关地址10.1.1.1对应MACARP请求;

2L3 Switch收到PC AARP请求后,检查请求报文发现被请求IP是自己的三层接口IP,因此发送ARP应答并将自己的三层接口MACMAC Switch)包含在其中。

同时它还会把PC AIP地址与MAC地址对应(10.1.1.2MAC A)关系记录到自己的ARP表项中去(因为ARP请求报文中包含了发送者的IPMAC);

3PC A得到网关(L3 Switch)的ARP应答后,组装ICMP请求报文并发送,报文的目的MAC(即DMAC)=MAC Switch、源MAC(即SMAC)=MAC A、源IP(即SIP)=10.1.1.2、目的IP(即DIP)=10.2.1.2

4L3 Switch收到报文后,首先根据报文的源MAC+VLAN ID更新MAC表。

然后,根据报文的目的MACVLAN ID查找MAC地址表,发现匹配了自己三层接口MAC的表项,说明需要作三层转发,于是继续查找交换芯片的三层表项;

5、交换芯片根据报文的目的IP去查找其三层表项,由于之前未建立任何表项,因此查找失败,于是将报文送到CPU去进行软件处理;

6CPU根据报文的目的IP去查找其软件路由表,发现匹配了一个直连网段(PC B对应的网段),于是继续查找其软件ARP表,仍然查找失败。

然后L3 Switch会在目的网段对应的VLAN 3的所有接口发送请求地址10.2.1.2对应MACARP请求;

7PC B收到L3 Switch发送的ARP请求后,检查发现被请求IP是自己的IP,因此发送ARP应答并将自己的MACMAC B)包含在其中。同时,将L3 SwitchIPMAC的对应关系(10.2.1.1MAC Switch)记录到自己的ARP表中去;

8L3 Switch收到PC BARP应答后,将其IPMAC对应关系(10.2.1.2MAC B)记录到自己的ARP表中去,并将PC AICMP请求报文发送给PC B,报文的目的MAC修改为PC BMACMAC B),源MAC修改为自己的MACMAC Switch)。

同时,在交换芯片的三层表项中根据刚得到的三层转发信息添加表项(内容包括IPMAC、出口VLAN、出接口),这样后续的PC A发往PC B的报文就可以通过该硬件三层表项直接转发了;

9PC B收到L3 Switch转发过来的ICMP请求报文以后,回应ICMP应答给PC A

ICMP应答报文的转发过程与前面类似,只是由于L3 Switch在之前已经得到PC AIPMAC对应关系了,也同时在交换芯片中添加了相关三层表项,因此这个报文直接由交换芯片硬件转发给PC A

10、这样,后续的往返报文都经过查MAC表到查三层转发表的过程由交换芯片直接进行硬件转发了。

从上述流程可以看出,三层交换机正是充分利用了“一次路由(首包CPU转发并建立三层硬件表项)、多次交换(后续包芯片硬件转发)”的原理实现了转发性能与三层交换的完美统一。

 

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