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1 二層轉發(fā)基礎

這里的二層指的是計算機網(wǎng)絡七層模型中的二層,從第一層到第7層分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層、會話層、表示層和應用層。還有一種說法是4層(或者是5層)網(wǎng)絡模型,分別是數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層和應用層,如果按照5層的說法還要加上物理層。這里的二層指的是數(shù)據(jù)鏈路層。

二層轉發(fā)原理

 

1.1 以太網(wǎng)基礎

以太網(wǎng)沖突檢測

CSMA/CD:載波偵聽與沖突檢測,主機在發(fā)送數(shù)據(jù)包時,先檢測線路是否被其他主機占用,確保發(fā)送數(shù)據(jù)包時線路是空閑的;發(fā)現(xiàn)沖突就停止發(fā)送,延遲一個隨機時間之后再繼續(xù)發(fā)送。

mac地址

MAC地址也就是物理地址,大小為48位,6個字節(jié),前24位是廠商代碼,后24位為序號,比如H3C廠商代碼為00-0f-e2。

  • 單播地址:第一個字節(jié)最低位為0,如 00-0f-e2-00-00-06
  • 多播地址:第一個字節(jié)最低位為1,如 01-0f-e2-00-00-06
  • 廣播地址:48位全為1,如ff-ff-ff-ff-ff-ff

以太幀格式

二層轉發(fā)原理

 

前兩個字段分別是目的地址源地址字段。第3個字段是2字節(jié)的類型字段,用來標識上一層是什么協(xié)議(0x800:IP協(xié)議,0x0806:ARP協(xié)議等)。第4個字段是數(shù)據(jù)字段,長度在46-1500字節(jié)之間。最后一個字段是CRC檢驗字段,存放4字節(jié)的幀檢測序列FCS。校驗范圍是目的地址、源地址、類型、數(shù)據(jù)字段。

MAC幀長度最小為64字節(jié),數(shù)據(jù)字段最小為46字節(jié),如果不夠,則自動加0填充。

MAC幀格式中,其首部并沒有幀長度字段,那么MAC層怎么知道接收到的以太網(wǎng)幀中取出多少字節(jié)數(shù)據(jù)交付上一層協(xié)議呢?我們知道,以太網(wǎng)幀使用的曼切斯特編碼,這種編碼的一個重要特點就是:在曼切斯特編碼的每一個碼元(不管碼元是1還是0)的正中間有一次電壓轉換(從高到低或從低到高)。當發(fā)送方把一個以太網(wǎng)幀發(fā)送完畢后,就不再發(fā)送其他碼元了,一次,發(fā)送發(fā)網(wǎng)絡適配器接口上電壓也就不再變化,這樣接收方就很容易找到以太網(wǎng)的結束位置。

802.3幀格式

二層轉發(fā)原理

 

以太幀和802.3幀如何區(qū)別

802.3定義的有效長度值與以太網(wǎng)的有效類型無一相同,這樣就可以區(qū)分了。

MAC最小長度為什么是64字節(jié)

以太網(wǎng)采用CSMA/DA沖突檢測算法,一個主機發(fā)送一個數(shù)據(jù)包后最多經(jīng)過一個征用時間就會知道該數(shù)據(jù)包是否收到了碰撞,以太網(wǎng)以51.2us作為征用時間,對于10M以太網(wǎng),在征用時間時間內可以發(fā)送512 bit數(shù)據(jù),也就是64字節(jié)。這64字節(jié)出去以太幀首部以及檢驗和字段的長度共16字節(jié),也就剩下46字節(jié),也就是以太幀數(shù)據(jù)域的最小長度了。

沖突域和廣播域

  • 沖突網(wǎng)絡(沖突域):連接在同一個到導線上的所有工作站點集合,一個節(jié)點發(fā)出的報文其余節(jié)點都能收到,從而產(chǎn)生沖突。
  • 廣播網(wǎng)絡(廣播域):限制以太網(wǎng)廣播報文的范圍,一個站點發(fā)送一個廣播報文其余站點都可以收到。

一般來說,廣播網(wǎng)絡定義了第三層網(wǎng)絡,如IP子網(wǎng)等,VLAN簡單來說就是一個廣播域。

HUB設備

HUB設備也就是咱們常說的集線器,HUB對所有連接的LAN制作信號的中繼,也就是當信號衰減時,再重新修正信號重新發(fā)送。連接在集線器上的所有設備構成了一個沖突域和廣播域,這樣在主機數(shù)目比較多時就會產(chǎn)生沖突泛濫和廣播嚴重問題。

二層轉發(fā)原理

 

2 二層轉發(fā)原理

二層轉發(fā)流程

  1. 提取數(shù)據(jù)報的源MAC地址,查詢MAC轉發(fā)表(也就是L2FDB),如果找到就直接發(fā)送到對應端口。
  2. 對于表中不包含的地址,通過廣播發(fā)送,也就是發(fā)送到所有端口。
  3. 使用地址自動學習(根據(jù)源MAC地址學習)和老化機制(定時機制)來維護MAC轉發(fā)表的信息,二層轉發(fā)一般不會更改數(shù)據(jù)包內容。
二層轉發(fā)原理

 

引入VLAN

雖然交換機解決了沖突域的問題,但是還是存在廣播域問題,這里就應用到了VLAN,也就是在二層交換機上引入VLAN機制。

二層轉發(fā)原理

 

VLAN機制可以使處在相同VLAN下的主機任意通信(二層交換),不同VLAN主機通信完全隔離,如需通信需通過三層交換,阻斷廣播包,減小廣播域,提供了網(wǎng)絡安全性。VLAN簡單來說就是一個廣播域,可以跨越多個物理設備構成一個VLAN,這樣網(wǎng)絡構建和維護更加方便。

VLAN的劃分方法可以根據(jù)交換機端口來劃分,根據(jù)MAC地址來劃分,根據(jù)網(wǎng)絡層(IP地址、IP子網(wǎng))來劃分,根據(jù)IP組播劃分等。

VLAN協(xié)議格式

二層轉發(fā)原理

 

  • TPID:協(xié)議標志,通常是0x8100
  • Priority:優(yōu)先級
  • CFI:規(guī)范指示為,總設為0
  • VLAN ID:VLAN號

VLAN端口

VLAN基于端口劃分可以分為種類端口類型:access、trunk、hybird。

  • Access類型的端口只能屬于1個VLAN,一般用于連接計算機的端口
  • Trunk類型的端口可以允許多個VLAN通過,可以接收和發(fā)送多個VLAN的報文,一般用于交換機之間連接的端口
  • Hybrid類型的端口可以允許多個VLAN通過,可以接收和發(fā)送多個VLAN的報文,可以用于交換機之間連接,也可以用于連接用戶的計算機

Hybrid端口和Trunk端口在接收數(shù)據(jù)時,處理方法是一樣的,唯一不同之處在于發(fā)送數(shù)據(jù)時:Hybrid端口可以允許多個VLAN的報文發(fā)送時不打標簽,而Trunk端口只允許缺省VLAN的報文發(fā)送時不打標簽。

VLAN下交換機接口出入數(shù)據(jù)處理過程

1)Acess端口收報文:收到一個報文,判斷是否有VLAN信息:如果沒有則打上端口的PVID,并進行交換轉發(fā),如果有則直接丟棄(缺省)

2)Acess端口發(fā)報文:將報文的VLAN信息剝離,直接發(fā)送出去

3)trunk端口收報文:收到一個報文,判斷是否有VLAN信息:如果沒有則打上端口的PVID,并進行交換轉發(fā),如果有判斷該trunk端口是否允許該VLAN的數(shù)據(jù)進入:如果可以則轉發(fā),否則丟棄

4)trunk端口發(fā)報文:比較端口的PVID和將要發(fā)送報文的VLAN信息,如果兩者相等則剝離VLAN信息,再發(fā)送,如果不相等則直接發(fā)送

5)hybrid端口收報文:收到一個報文,判斷是否有VLAN信息,如果沒有則打上端口的PVID,并進行交換轉發(fā),如果有則判斷該hybrid端口是否允許該VLAN的數(shù)據(jù)進入;如果可以則轉發(fā),否則丟棄(此時端口上的untag配置是不用考慮的,untag配置只對發(fā)送報文時起作用)

6)hybrid端口發(fā)報文:1.判斷該VLAN在本端口的屬性(disp interface 即可看到該端口對哪些VLAN是untag, 哪些VLAN是tag);2.如果是untag則剝離VLAN信息,再發(fā)送,如果是tag則直接發(fā)送

3 VLAN下的二層轉發(fā)流程

支持VLAN的交換機,MAC地址學習方式分為2中:獨立式(IVL)和共享式(SVL),對應的L2FDB表項內容有VLAN ID、MAC地址和所在端口。

  • 根據(jù)目的地址查MAC轉發(fā)表(L2FDB)處理轉發(fā)
  • -獨立式:根據(jù)VLAN ID查找轉發(fā)表,找出相同VLAN ID的轉發(fā)表項范圍,在這些表項中找出MAC地址相匹配的出端口。
  • -共享式:根據(jù)目的地址查轉發(fā)表,找到對應的出接口,判斷出接口的VLAN ID和報文中的VLAN ID是否一致,若匹配則通過該端口轉發(fā)報文,否則丟棄。
  • 對于轉發(fā)表中不包含的地址,通過廣播方式轉發(fā)
  • -獨立式:查找不到目的MAC,則在該VLAN下的所有端口進行廣播
  • -分享式:查找不到目的MAC,然后判斷報文中的VLAN ID和端口的VLAN ID是否匹配,若匹配則在該VLAN中廣播,否則丟棄。
  • MAC轉發(fā)表的源地址學習
  • -獨立式:以源MAC地址和VLAN創(chuàng)建表項,故存在MAC地址相同,VLAN ID不同的表項。
  • -共享式:以源MAC地址創(chuàng)建表項,若MAC轉發(fā)表中存在MAC地址相同的表項,則覆蓋原有表項。

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標簽:二層 轉發(fā)
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