L3 Switch二三層轉發原理是怎樣的

L3 Switch二三層轉發原理是怎樣的，相信很多沒有經驗的人對此束手無策，為此本文總結了問題出現的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

三層交換機（L3 Switch）因為其具備路由功能、三層轉發功能，且轉發效率遠遠高于路由器，而被廣泛用于大型網絡的骨干網絡中（從角色上來看：路由器的主要角色是路由選擇，而不是報文轉發；從實現上來看：路由器轉發報文是軟件轉發，轉發性能自然遜色于交換機了），今天我們就來簡單介紹一下關于交換機的二三層轉發。

首先二層轉發是基于MAC地址轉發，三層轉發基于IP地址轉發，但是這并不意味著僅僅依靠IP地址就能轉發，三層轉發是建立在二層的基礎上的，而僅僅依靠MAC地址是能夠轉發的。另外，由于二三層轉發基于MAC地址、IP地址、FDB表（MAC地址學習、更新、老化、刪除等）、ARP表、路由表、三層轉發表、VLAN端口類型（Access、Trunk、Hybrid）、VLAN幀格式、ARP報文格式等，需要對此有基本的熟知。以下圖為例，總結一下交換機中，基于VLAN的二三層轉發原理。

1、基本概念術語：

①MAC地址：48bit的硬件地址，單播地址格式為首字節最低位為1，多播地址格式為首字節最低位為0，廣播地址為全1（即FF：FF：FF：FF：FF：FF）。另外有其他一些網絡協議的特定MAC地址格式。

②FDB表（FordWarding DateBase）：即MAC地址映射表，有MAC地址、端口、VLAN ID等信息（不同廠商交換機可能還有其他信息）。

③ARP表：用于記錄IP和MAC映射關系的表。

④三層轉發表：即基于硬件三層轉發的包含目的IP地址、VLAN ID、端口號和下一跳MAC地址等的關系表。

⑤路由表：包含默認路由、RIP、OSPF等動態路由的路由路徑信息的記錄表。

⑥VLAN端口：有三種模式，主要是Access口（接入口），一般是用于連接主機，其發出的數據幀不帶vlan tag標簽；還有就是Trunk（主干口）用于可連接不同交換機的主干鏈路，其上發出的數據幀可能會帶tag標簽，用以識別不同VLAN，如果沒帶則采用默認的VLAN （PVID）。

假設初始情況下，所有PC和交換機沒有任何表項存在（ARP緩存、FDB緩存、三層轉發表緩存等），且端口均為Access模式。

2、二層轉發（同一VLAN中主機通信）：

以上圖中PC_A ping PC_B為例來詳細分析整個過程。

①PC_A（192.168.10.1/24） 要 ping PC_B(192.168.10.2/24)，首先PC_A要去檢查目標IP地址和自己的IP地址是否在同一個網段中，經過IP和子網掩碼進行與運算，得知PC_A和PC_B屬于同一網段：192.168.10.0網段。因此進行下一步：ARP表項查詢。

②根據目標IP：192.168.10.2作為索引，在ARP表中查找對應的MAC地址，由于ARP表最開始是空的，所以沒有找到對應MAC。因此PC_A需要發送一個ARP廣播報文在VLAN 1中請求PC_B（192.168.10.2）的MAC地址，PC封裝的ARP報文主要內容為，opcode操作碼字段為0X01代表這是一個ARP請求報文，目標MAC由于不知道因此全部填充為0，其余包含以太幀頭部具體如下圖所示：

關于ARP報文各個字段的含義，用wireshark抓一個ARP包來查看，如下所示：

該報文是我從自己電腦上抓取到的一個發送到房間無線路由器的ARP請求報文，是一個請求回復的ARP報文（即網關的ARP緩存超時需要清除前，PC發送的一個ARP報文，如果網關在規定時間內不回復該ARP請求，則PC清除該緩存，具體細節參考：RFC 826）。

③當交換機從a端口收到PC_A發出的報文，解析以太頭部后發現目標MAC是FF：FF：FF：FF：FF：FF，則知其是一個廣播幀，解析源MAC：MA，由于FDB表當前空空如也，因此先將"port a：MA：VLAN 1"等信息緩存到FDB表中。之后根據端口為Access模式，加上一個VLAN tag（主要包含優先級和VLAN ID=1），使其成為一個802.1Q的帶有VLAN tag的以太幀，在交換機內部開始進行交換。

④根據vlan tag以及端口檢測后，發現b、c、d三個端口（其實還有一個VLAN接口，暫不提及）歸屬于VLAN 1，與報文的tag標簽一致，因此將tag剝離并從這三個端口轉發出去。

⑤當PC_C、PC_D收到該廣播幀后解析內容，發現目標IP不是自己則丟棄該數據幀，而PC_B發現目標IP就是自己，則先將PC_A的“192.168.10.1：MA”的映射信息更新緩存到本地ARP表中。然后封裝一個ARP回應的單播報文，內容主要為：源IP：192.168.10.2，目標IP：192.168.10.1，源MAC：MB，目標MAC：MA。發送出去，經端口b到達交換機。

⑥交換機收到來自端口b的報文，解析頭部獲得源MAC，則先將“port b：MB：VLAN 1”等信息緩存到FDB表中去，由于FDB表中已經有了PC_A的MAC地址緩存，因此根據ARP回復報文數據中，幀頭部的目標MAC將報文從端口a轉發出去（該步中當然也存在入口數據幀tag的添加與出口數據幀tag剝離的操作）。

⑦PC_A接收到交換機從端口a發出的ARP報文后，解析以太頭部進行目標MAC匹配判斷，匹配后解析報文內容，發現“源IP：源MAC”的對應關系，因此先緩存“192.168.10.2：MB”到ARP表中，之后有了PC_B的MAC地址接可以封裝icmp報文進行ping的后續操作了。

⑧交換機收到來自PC_A和PC_B的icmp request與icmp reply報文，由于之前有緩存FDB表項，因此之后只會更新對應表項的老化標志，長時間沒有這倆源MAC的報文到交換機則會刪除對應表項。

3、三層轉發（跨越不同VLAN的主機通信）：

以上，以一臺交換機上的同一個VLAN內的不同主機通信為例，描述了的是二層轉發的基本過程，包括ARP表查詢、ARP請求、交換機MAC地址查詢、FDB表緩存、端口類型檢查、VLAN tag添加與剝離、目標主機ARP回復等步驟。

而三層交換基本步驟差不多。以VLAN 1的PC_A（192.168.10.1，MA）和VLAN 2的PC_E（192.168.20.1，ME）相互ping為例分析（假設VLAN 1的網關為VLAN 1 interface的IP：192.168.10.254，VLAN 2的網關為VLAN 2 interface 的IP：192.168.20.254），以下過程也有加VLAN tag和剝離VLAN tag的過程，但與二層基本一致，因此不再贅述（對于跨交換機的不同VLAN間通信，涉及trunk口，其vlan tag添加可能與此稍有些不同）：

①當PC_A（192.168.10.1/24）要ping PC_E（192.168.20.1/24）時，依然是檢查目標IP是不是和自己在同一個網段，發現不在同一網段（一個在192.168.10.0/24網段一個在192.168.20.0/24網段），則需要經過網關（這里是交換機三層接口）來轉發。因此PC_A在自己的ARP表中尋找網關對應的MAC地址，如果有則直接將報文封裝為：目標MAC為網關MAC，源MAC為MA，發送端IP為192.168.10.1，接收端IP為192.168.20.1。

②由于第一次PC_A的ARP緩存中不存在網關的MAC地址。則先向VLAN 1內廣播發送一個ARP請求，請求網關192.168.10.254的MAC地址，封裝為：源MAC為MA，目標MAC不可知則為全0，源IP為192.168.10.1，目標IP為192.168.10.254，到鏈路層封裝的頭部為，源MAC為MA，目標MAC為全F即廣播包，“幀類型”字段則填上ARP的協議號0x0806。

③交換機SW1收到PC_A發送的報文，二層解析頭部檢查為廣播包，則從VLAN 1的除源端口外的各個端口轉發出去，另外也轉發一份到VLAN 1的三層接口，由于PC_A之前給PC_B發送過報文，SW 1有PC_A的FDB緩存，則檢查匹配后更新老化標志位，定時器重新計數。此外將PC_A的IP、MAC、對應port、VLAN ID等信息記錄到交換機的三層轉發表中。

④VLAN 1其他主機收到請求對象不是自己的ARP請求，丟棄該廣播報文，而SW 1的三層接口解析到目標IP是自己，則封裝一個源MAC是交換機VLAN 1 interface的MAC，源IP是192.168.10.254，目標IP是192.168.10.1，目標MAC是MA的ARP應答報文，再經過以太頭部封裝，添加ARP單播報文頭部，目標MAC為MA。交換機二層收到自三層的報文，解析數據幀頭部，根據目標MAC地址MA在FDB表中查找到其出端口是port a，為ACCESS端口，則剝掉tag（之前請求報文進入port a之后會被加上tag，以致能夠區分識別出VLAN 1的其他端口與VLAN 1 interface）轉發給PC_A。

⑤PC_A收到網關的MAC地址，則先緩存網關的ARP表項，然后將發給PC_E的報文修改目標MAC為VLAN 1 interface即網關的MAC地址，而目標IP依舊是PC_E的IP：192.168.20.1，然后封裝以太頭部以單播形式發送出去。

⑥SW 1在收到這個數據包后，因為“目的MAC地址”為交換機自己VLAN接口的MAC地址，而且“目的IP地址”和“源IP地址”不在同一網段，所以直接提交到三層，根據包中的“目的IP地址”(PC_E的IP地址)在三層硬件轉發表中查看有無對應表項，因為是第一次通信，所以結果是查找失敗，于是將數據包再轉送到CPU去進行軟件路由處理。

⑦ CPU同樣會根據包中的“目的IP地址”去查找其軟件路由表，發現匹配了一個直連網段(PC_E對應的網段)，于是繼續查在ARP表中查找對應的MAC地址項。同樣是由于是第一次查找，所以仍然查找失敗。如果在ARP表中找到了對應的MAC地址，則數據可以直接由軟件路由表轉發了。

⑧如果沒查找到則以PC_E的目標IP為請求對象，在其所在VLAN 2的目標網段內發送ARP請求廣播（目標MAC為全0，目標IP為192.168.20.1，源MAC為VLAN 2 interface對應MAC，源IP為VLAN 2 interface對應IP：192.168.20.254），PC_E收到該ARP請求報文后，則先緩存網關的ARP表項，然后以ARP單播形式回復自己的MAC地址ME給網關192.168.20.254，SW 1的CPU則根據回復的報文更新記三層轉發表項，記錄PC_E的IP、MAC、出端口、VLAN ID等信息，此時三層轉發表中有了PC_A和PC_E的轉發表項。另外緩存PC_E的ARP表項與FDB表項。

⑨三層交換機的CPU根據獲取到的目標主機MAC和現有的直連路由信息將PC_A發來的數據包轉發給PC_E，這就是一次單方向的三層轉發過程，其中也大量涉及到了二層轉發（PC_A在VLAN 1內廣播請求網關MAC，交換機CPU控制在VLAN2內廣播請求PC_E的MAC等）。

⑩當PC_E回復PC_A報文時，與PC_A步驟相同，只是在PC_E上已經存在了網關ARP表項、交換機上已經存在了到PC_A的三層轉發表項、FDB表項等，所以會更簡單些。另外由于三層轉發表項的存在，因此PC_E回復PC_A的報文會直接根據三層轉發表進行硬件轉發，而不是CPU路由軟件轉發，效率會更快。

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