二层、三层转发

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2022-04-15 2022-04-15 约 3536 字预计阅读 16 分钟

系列 - 网络转发模型

1 二层转发

1.1 概念

二层转发中二层指的是OSI七层模型中的第二层（数据链路层），二层转发是指在同一网段中，基于MAC地址转发数据包。

1.2 相关机制

概述：ARP（Address Resolution Protocol），即地址解析协议，主要作用是把IP地址解析成MAC地址。主机或三层转发设备上维护有ARP表。
工作原理：主机在给目的主机发送数据包时，需要先查询本机ARP表，找出与目的IP地址匹配的IP-MAC表项，把表项中的MAC地址填入以太网帧的目的MAC域，然后进行发送。若表中没有匹配项，则发送ARP请求广播报文，等待目的主机响应并发回ARP应答报文，主机在接收到应答报文后学习目的主机的MAC地址并记录到ARP表中。

ARP表：

  | IP地址 | MAC地址 | 类型 | VLAN | 端口 |
  | ------------ | ------------ | ------------ | ------------ | ------------ |
  | 192.168.1.10 | 0x1010-1010-1010 | Dynamic | 100 | 1 |
  | 192.168.1.20 | 0x2020-2020-2020 | Static | 100 | 1 |

   - IP地址：目的主机的IP地址
   - MAC地址：目的主机的MAC地址
   - 类型：ARP表项类型，动态，主机自主学习，可被更新或老化；静态，主机管理者手动配置，不会被更新或老化
   - VLAN：ARP表项所属VLAN（跨网段ARP表项VLAN字段为空）
   - 端口：ARP表项出接口

以太网帧格式：

+------------------+------------------+------------------+------------------+
| 目的MAC地址 (6B) | 源MAC地址 (6B)   | 帧类型 (2B)      | ARP报文 (N字节)  |
+------------------+------------------+------------------+------------------+
		 - 帧类型 (EtherType): 2字节，表示以太网帧的上层协议类型。对于ARP报文，值通常为0x0806。

ARP报文以太帧格式：

+------------------+------------------+------------------+------------------+
| 硬件类型 (2B)    | 协议类型 (2B)    | 硬件地址长度 (1B) | 协议地址长度 (1B) |
+------------------+------------------+------------------+------------------+
| 操作码 (2B)      | 源硬件地址 (6B)  | 源协议地址 (4B)  | 目的硬件地址 (6B) |
+------------------+------------------+------------------+------------------+
| 目的协议地址 (4B) |
+------------------+

		 - 硬件类型 (HTYPE): 2字节，表示硬件类型（例如，以太网）。
		 - 协议类型 (PTYPE): 2字节，表示上层协议类型（例如，IPv4）。
		 - 硬件地址长度 (HLEN): 1字节，表示硬件地址的长度（例如，以太网MAC地址的长度）。
		 - 协议地址长度 (PLEN): 1字节，表示协议地址的长度（例如，IPv4地址的长度）。
		 - 操作码 (OPER): 2字节，表示ARP报文的操作类型（1 请求，2 应答）。
		 - 源硬件地址 (SHA): 6字节，表示发送者的MAC地址。
		 - 源协议地址 (SPA): 4字节，表示发送者的IP地址。
		 - 目的硬件地址 (THA): 6字节，表示目标设备的MAC地址（在请求中通常是全零）。
		 - 目的协议地址 (TPA): 4字节，表示目标IP地址。

MAC地址表

概述：交换机中保存的一张表，用于记录到达交换机的报文的发送方的MAC地址、接收端口以及所属VLAN
MAC地址表：
```
  | MAC地址 | VLAN | 端口 |
  | ------------ | ------------ | ------------ | ------------ |
  | 0x1010-1010-1010 | 100 | 1 |
  | 0x2020-2020-2020 | 200 | 2 |
```
- 学习机制：当交换机接收到一个数据包时，就会对该数据包的源MAC地址进行学习
- 当表中没有与源MAC地址匹配的表项时，增加一条新的表项，记录MAC地址以及对应的VLAN和端口
- 当表中有与源MAC地址匹配的表项，但信息不一致时，则以数据包信息为准，更新表项
- 当表中有与源MAC地址匹配的表项并且信息一致时，刷新表项的老化时间
- 老化机制：当交换机MAC地址表中某个表项的生存时间结束，并且在结束之前没有再接收到该表项所对应主机发出的数据包，则把该表项删除，等待该主机下次发送数据包时再重新学习。

1.3 转发过程

以下图局域网模型中Host A首次给Host C发送数据包为例说明二层转发过程。图1-1

查询 ARP 表

IP地址	MAC地址
192.168.1.20	0x2020-2020-2020
表中没有与`Host C`的 IP 地址匹配的表项

发送 ARP 广播报文获取目的地址

目的MAC地址	源MAC地址	帧类型	…	OPER	源MAC地址	源IP地址	目的MAC地址	目的IP地址
0xFFFF-FFFF-FFFF	0x1010-1010-1010	0x0806	…	1	0x1010-1010-1010	192.168.1.10	0x0000-0000-0000	192.168.1.40

更新 MAC 地址表项

交换机接收到该广播报文后，先学习Host A的MAC地址，新增或更新MAC地址表的表项，然后把该报文转发给Host B、Host C、Host D
Host B和Host D接收到 ARP 请求后，判断目的IP地址与自身IP地址不一致，则丢弃报文，不做回应
Host C接收到ARP请求后，判断报文中目的IP地址与自身IP地址一致，则先学习报文中Host A的地址信息，在Host C的ARP表中新增Host A的IP-MAC对应关系表项

发送 ARP 应答报文

目的MAC地址	源MAC地址	帧类型	…	OPER	源MAC地址	源IP地址	目的MAC地址	目的IP地址
0x1010-1010-1010	0x4040-4040-4040	0x0806	…	2	0x4040-4040-4040	192.168.1.40	0x1010-1010-1010	192.168.1.10

转发报文

交换机接收到Host C的ARP应答报文后，通过该报文学习Host C的MAC地址
根据第3步中记录的Host A的MAC，找到对应端口并转发该报文

1.4 VLAN 的二层转发

主要的区别在于ARP广播报文的广播域受到了VLAN的限制，如下图所示，Host A在发送ARP广播报文时，只有同属于一个VLAN的Host B才会收到ARP请求，Host C和Host D因为不在同一个VLAN，因此无法收到ARP请求。那么此时Host A和Host C就没法进行通信，若Host A确实需要给Host C发信息，那么就要使用到三层转发技术。图1-4

2 三层转发

2.1 概念

三层指OSI七层模型中的第三层（网络层），主要用于不同网段间的通信。

2.2 相关机制

路由表（RIB）路由器中存储的一张表，记录跨网段路由跳转路径，并挑选最佳路由跳转路径下载到转发表中。路由表主要作用是路由路径的决策，即挑选最优的路径（优先级高，开销小），不会直接指导路由转发。

Destination	Mask	Pre	Cost	NextHop	Interface
10.10.10.0	24	0	0	10.10.10.10	1

Destination：目的网络或目的地址
Mask：目的网络或目的地址的子网掩码
Pre：路由优先级
Cost：路径开销，一条路径需要跳转节点越多，则开销越大，路由决策时优先级低
NextHop：路由下一跳节点
Interface：路由器转发出接口

转发表（FIB）转发表是直接指导路由跳转的表，从路由表中下载最优跳转路径，路由器根据最长匹配原则，从转发表中选择匹配的表项，把报文从对应接口转发出去。

Destination/Mask	Flag	NextHop	Interface
10.10.10.0/24	U	10.10.10.10	1

Flag：对转发消息性质的描述
U：路由UP，可用
G/H：网关路由/本机路由
B：黑洞路由
D/S：动态路由/静态路由
R：被拒绝路由，不可用
E：多路径等价路由
L：ARP或ESIS生成的路由
NextHop：路由下一跳节点
Interface：路由器转发出接口

2.3 转发过程

图2-1

以上图Host A给Host C发送数据包为例说明三层转发过程，图中Host A、Host B和Interface 1都属于VLAN100，Host C、Host D和Interface 2都属于VLAN200，Host A到Host C属于跨VLAN、跨网段通信。

一个三层设备（如三层交换机或路由器）可以充当网关。网关的概念不仅是物理的，也包括逻辑上的功能。若一个三层设备下连接了多个网段，它实际上在逻辑上充当多个网关。每个网段都有一个对应的虚拟接口（如SVI或子接口），每个接口充当那个网段的默认网关。

Host A把Host C的IP地址与本机的IP地址和子网掩码进行比较，采用IP地址与子网掩码二进制按位与逻辑计算获取网段地址，根据计算得出Host A和Host C不在同一网段，Host A采取路由代理转发的策略。

	Host A	Host C
IP地址	11000000.10101000.00000001.00001010	11000000.10101000.00000010.00001010
子网掩码	11111111.11111111.11111111.00000000	11111111.11111111.11111111.00000000
网段地址	11000000.10101000.00000001.00000000	11000000.10101000.00000010.00000000

Host A需要把数据包发送给默认网关（Interface 1），首先查找本机ARP表，获取网关的MAC地址，若表中没有网关的IP-MAC对应关系表项，则需要发送ARP广播获取默认网关的MAC地址，此过程为VLAN 100内的二层转发过程，具体执行过程和原理可参考二层转发。
Host A已获取默认网关的MAC地址，随后封装一个数据包发送给默认网关（Interface 1），数据包以太帧头部如下表1，目的MAC地址是默认网关的MAC地址，IP头部源IP地址和目的IP地址如下表2，目的IP地址是Host C的IP地址。

表 1
+------------------+------------------+------------------+
| 目的MAC地址 (6B) |  源MAC地址 (6B)  |    帧类型 (2B)   |
+------------------+------------------+------------------+
| 0x0012-0012-0012 | 0x0001-0001-0001 |      0x0800      |
+------------------+------------------+------------------+

表 2
+------------------+------------------+
|   源IP地址 (4B)  |  目的IP地址 (4B) |
+------------------+------------------+
|   192.168.1.10   |   192.168.2.10   |
+------------------+------------------+

Interface 1接收到数据包后，判断数据包中以太帧头部目的MAC地址是否和自身MAC地址一致，一致则走三层转发；不一致则走二层转发。当前数据包的MAC与Interface 1的MAC地址一致，因此走三层转发。Interface 1查询Route的FIB表（转发表），根据最长匹配原则选择Interface 2转发数据包。

+------------------+------------------+------------------+
| 目的地址/子网掩码 |      下一跳      |       接口      |
+------------------+------------------+------------------+
| 192.168.1.0/24   |    192.168.1.1   |   Interface 1    |
+------------------+------------------+------------------+
| 192.168.2.0/24   |    192.168.2.1   |   Interface 2    |
+------------------+------------------+------------------+

Interface 2接收到数据包后，根据IP头部的目的IP地址（Host C的IP地址），查询自身ARP表是否存在匹配的IP-MAC映射关系表项，若没有则进行ARP广播，通过Switch 2进行二层转发，最终获取到Host C的MAC地址（0x0003-0003-0003）。随后Interface 2对Host A出发的数据报包进行重新封装，以太帧头部目的MAC改为Host C的MAC地址，源MAC地址改为自身的MAC地址IP头部不变。

表 1
+------------------+------------------+------------------+
| 目的MAC地址 (6B) |  源MAC地址 (6B)  |    帧类型 (2B)   |
+------------------+------------------+------------------+
| 0x0003-0003-0003 | 0x0034-0034-0034 |      0x0800      |
+------------------+------------------+------------------+

Interface 2发出数据包，通过Switch 2进行二层转发，数据包最终到达Host C。

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