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早期的网络中一般使用二层交换机来搭建局域网#xff0c;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#xff0c;局域网内部的流量占了绝大部分#xff0c;而网络间的通信访问量比较少#xff0c;使用少量路由器已经足够应付了。
但…三层交换机出现的背景
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。
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。
三层转发的原理
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
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。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。
如图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1 三层转发原理示意网 图中标明了两台主机的MAC、IP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向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
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MAC的ARP请求L3 Switch收到PC A的ARP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 A的IP地址与MAC地址对应10.1.1.2与MAC 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IP和MACPC 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DMACMAC Switch、源MAC即SMACMAC A、源IP即SIP10.1.1.2、目的IP即DIP10.2.1.2L3 Switch收到报文后首先根据报文的源MACVLAN 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CPU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MAC的ARP请求PC 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 Switch的IP与MAC的对应关系10.2.1.1与MAC Switch记录到自己的ARP表中去L3 Switch收到PC B的ARP应答后将其IP和MAC对应关系10.2.1.2与MAC B记录到自己的ARP表中去并将PC A的ICMP请求报文发送给PC B报文的目的MAC修改为PC B的MACMAC 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IP、MAC、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PC 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 A的IP和MAC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。
