三層交換原理

1、Ruijie University內(nèi) 容Contents1認識三層交換機21、認識三層交換機三層交換的應用場景跨網(wǎng)段（VLAN）互訪要解決不同VLAN內(nèi)的PC無法直接獲取到對方的ARP信息 不同VLAN之間廣播報文二層交換機只能在同一VLAN內(nèi)根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)報文無法實現(xiàn)跨VLAN來轉(zhuǎn)發(fā)報文三層實現(xiàn)跨（網(wǎng)段）VLAN轉(zhuǎn)發(fā)二層交換機二層交換機VLAN 10VLAN 30能夠完成二層封裝能夠完成二層封裝192.168.1.10/24192.168.3.10/24主機默認網(wǎng)關(guān)當一臺PC A（192.168.1.10）需要在同一網(wǎng)段的其他PC B （192.168.1.11）時，PC A和PC B的

2、IP地址配置如下所示：PC A的IP地址配置PC B的IP地址配置PC A和PC B的通信過程如基礎篇的描述主機默認網(wǎng)關(guān)當一臺PC A（192.168.1.10）需要，PC A的IP地址配置如下所示：其他網(wǎng)段的PC（比如ernet時）時默認網(wǎng)關(guān)是保證PC A可以 ernet的重要配置。在日常使用PC時都會設置該選項主機默認網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)（Gateway）的概念網(wǎng)關(guān)是PC外部網(wǎng)絡（除了PC所在網(wǎng)段之外的網(wǎng)絡）的必經(jīng)，那么網(wǎng)關(guān)對應的IP地址應該在什么地方配置呢？VLAN 10以及VLAN 30所對應的網(wǎng)關(guān)IP都設置在三層交換機上Switch(config)# vlan 10Switch(config)#

3、 vlan 30Switch(config)#erface vlan 10Switch(config-if)# ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 Switch(config)#erface vlan 30Switch(config-if)# ip address 192.168.3.254 255.255.255.0三層交換機二層交換機二層交換機VLAN 10VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24三層交換機的SVISVI接口erface vlan也稱為SVI（Switch virtualerface

4、）即交換虛擬接口，這網(wǎng)關(guān)接口種接口是存在于交換機，與VLAN進行關(guān)聯(lián)，而不是特指某個物理接口。屬于同一VLAN內(nèi)的主機都可以直接到這個接口的IP，以下圖的VLAN 10為例：三層交換機erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0VLAN 10switchport acs vlan 10switchport mode trunk192.168.1.11/24二層交換機VLAN 10兩臺PC都可以192.168.1.254這個地址PC A192.168.1.10/24三層交換機的SVISVI接口只要三層交換機上有UP的接口（可以是acVL

5、AN 10，那么SVI 10接口也是UP的s接口、也可以是trunk接口）屬于三層交換機erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0erface vlan 20ip address 192.168.2.254 255.255.255.0VLAN 10switchport acs vlan 10switchport mode trunk192.168.1.11/24二層交換機VLAN 10Ruijie#sh ip erfaceVLAN 10VLAN 20erface briefIP-Address(Pri) 192.168.1.254/

6、24192.168.2.254/24OK?YES YESSus UP UPPC A192.168.1.10/24為什么SVI 20也是UP的？2、三層交換機作為主機的默認網(wǎng)關(guān)能夠根據(jù)所收到IP報文的目的地址進行轉(zhuǎn)發(fā),如PC A 去PC B。erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0erface vlan 30ip address 192.168.3.254 255.255.255.0三層交換機二層交換機二層交換機VLAN 10VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24這里只是說明三層交

7、換的結(jié)果，實際上在三層轉(zhuǎn)發(fā)的過程中很多細節(jié)問題都沒有考慮S：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP Echo RequestS：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP Echo Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）1.PC A完成TCP/IP封裝，源IP和目的IP都已經(jīng)確定好了，源MAC也已經(jīng)確定好，目的MAC地址該如何確定呢？PC A是否可以直接發(fā)送ARP查詢報文來查詢PC B的MAC？三層交換機erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0二層交換機二層交換機VL

8、AN 10ARP查詢報文 192.168.3.10 對應的MAC是多少？VLAN 30PC APC BPC B能否收到這個ARP查詢報文？192.168.1.10/24192.168.3.10/24MACS：PC A MACD：?IPS：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP Echo Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）1.PC A完成TCP/IP封裝，源IP和目的IP都已經(jīng)確定好了，源MAC也已經(jīng)確定好，目的MAC地址該如何確定呢？PC發(fā)送的ARP查詢報文中的Tagert IP Address字段（即查詢哪個IP）有如下兩個規(guī)則： 如果PC與

9、之通信的目的IP與PC在同一網(wǎng)段內(nèi)（比如本地IP為192.168.1.10/24,要通信的IP地址為192.168.1.11），則發(fā)送的ARP查詢報文中的段即為192.168.1.11,即直接查詢目的IP所對應的MAC地址IP Address字 如果PC與之通信的目的IP與PC不在同一網(wǎng)段內(nèi)（比如本地IP為192.168.1.10/24,要通信的IP地址為192.168.3.10），則發(fā)送的ARP查詢報文中的IP Address字段為網(wǎng)關(guān)IP地址（192.168.1.254），即發(fā)送ARP查詢報文來查詢網(wǎng)關(guān)IP所對應的MAC地址三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）1.PC A完成T

10、CP/IP封裝，源IP和目的IP都已經(jīng)確定好了，源MAC也已經(jīng)確定好，目的MAC地址該如何確定呢？ PC A首先發(fā)出ARP查詢報文來查詢網(wǎng)關(guān)IP 192.168.1.254所對應的MAC地址三層交換機erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0MAC地址表12VLANMAC地址端口VLAN 10ARP查詢報文210PC A MAC12交換機進行源MAC地址學習，學習到了 PC A的MAC地址二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24ARP查詢報文交換

11、機進行源MAC地址，學習到了 PC A的MAC地址ARP表項IPMAC地址接口192.168.1.10PC A MACVlan 10MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC1三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）1.PC A完成TCP/IP封裝，源IP和目的IP都已經(jīng)確定好了，源MAC也已經(jīng)確定好，目的MAC地址該如何確定呢？三層網(wǎng)關(guān)交換機發(fā)送ARP響應報文（包含erface vlan 10接口對應的MAC），ARP響應報文的源MAC為網(wǎng)關(guān)IP的MAC，目的MAC為PC A的MACerface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.25

12、5.255.0三層交換機1222 二層交換機 二層交換機11VLAN 3010PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24ARP響應報文 AN交換機進行源MAC地址學習，學習到了 vlan 10網(wǎng)關(guān)的MAC地址VLAN 10ARP響應報文MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC110Vlan10網(wǎng)關(guān)2MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC1三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）2.PC A獲取到網(wǎng)關(guān)IP對應的MAC地址后就可以完成TCP/IP封裝,將報文發(fā)送出去，經(jīng)過二層交換機轉(zhuǎn)發(fā)至三層網(wǎng)關(guān)交換機MAC地址表SMACD：

13、VLAN an 1MAC地址端口erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0網(wǎng)關(guān)(vl0) MAC三層交換機TAG 10 LANPC A MAC1: V10MAC地址表.1012MIPAC地址VLAN端口D：192.168.3.1010PC A MAC1ICMP Echo Request10Vlan10網(wǎng)關(guān)122二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30C APC B192.168.1.10/24192.168.3.10/24MACS：PC A MACD：網(wǎng)關(guān)(vlan 10) MAC PIPS：192.168.1.10D：

14、192.168.3.10ICMP Echo Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）3.三層網(wǎng)關(guān)交換機的erface vlan 10接口會對這個報文進行處理（報文的TAG標記為VLAN 10,并且目的MAC也為erface vlan 10接口的MAC）上層內(nèi)容，目的IP為192.168.3.10,位于erface vlan 30接口的網(wǎng)段繼續(xù)內(nèi)，因此將進行三層轉(zhuǎn)發(fā)erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0erface vlan 30ip address 192.168.3.254 255.255.255.0三層

15、交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24MACS：PC A MACD：網(wǎng)關(guān)(vlan 10) MACTAG : VLAN 10IPS：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP Echo Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）3 . 三層網(wǎng)關(guān)交換機直接將從端口1接收到的數(shù)據(jù)直接端口2轉(zhuǎn)發(fā)出去嗎？VLAN 標記：端口2所連接的對端二層交換機上只有VLAN30源MAC地址：為VLAN 10中PC A的MAC目的MAC地址：為VLAN 10 網(wǎng)關(guān)接口的MAC

16、地址直接將報文轉(zhuǎn)發(fā)出去是不能達到PC B的三層交換機122二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24MACS：PC A MACD：網(wǎng)關(guān)(vlan 10) MACTAG : VLAN 10IPS：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP Echo Request2三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）3 .三層轉(zhuǎn)發(fā)的實際結(jié)果就是跨VLAN進行轉(zhuǎn)發(fā)，不同VLAN內(nèi)的MAC地址轉(zhuǎn)是完全的，因此三層轉(zhuǎn)發(fā)時，數(shù)據(jù)包從一個VLAN進入到另一個VLAN時，源MAC和目的MAC都需要進行變更網(wǎng)關(guān)

17、（vlan 30） MAC PC B MACVLAN 30（目的MAC在VLAN30中）erface vlan 10ip address 192.168.1.254 255.255.255.0erface vlan 30ip address 192.168.3.254 255.255.255.0三層交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24MACS：PC A MACD：網(wǎng)關(guān)(vlan 10) MACTAG : VLAN 10IPS：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP E

18、cho Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）3 .三層網(wǎng)關(guān)交換機在ARP表項查詢PC B 的IP所對應的MAC地址，如果有相應條目則直接提取出來使用，如果沒有則需要發(fā)送ARP查詢報文來獲取PC B對應的MAC地址三層交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24ARP表項IPMAC地址接口192.168.1.10PC A MACVlan 10MACS：網(wǎng)關(guān)(vlan 10)MACD：PC B MACTAG : VLAN 30IPS：192.168.1.10D：192.168

19、.3.10ICMP Echo Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）4 .三層網(wǎng)關(guān)交換機發(fā)送ARP查詢報文，查詢PC B的MAC地址，該ARP查詢報文的源MAC地址為erface vlan 30接口所對應的MAC地址三層交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24ARP查詢報文交換機進行源MAC地址學習，學習到了vlan 30網(wǎng)關(guān)的MAC地址MAC地址表VLANMAC地址端口30Vlan30網(wǎng)關(guān)2VLAN 10ARP查詢報文ARP表項IPMAC地址接口192.168.1.1

20、0PC A MACVlan 10三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）5 .PC B對ARP查詢報文進行響應，返回ARP響應報文，其源MAC是PC B的MAC地址，目的MAC是VLAN 30網(wǎng)關(guān)接口的MAC地址三層交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24ARP響應報文交換機進行源MAC地址學習，學習到了PC B的 MAC地址VLAN 30ARP響應報文MAC地址表VLANMAC地址端口30Vlan30網(wǎng)關(guān)230PC B MAC1交換機進行源MAC地址學習，學習到了 PC B的MAC地

21、址，同時又更新了ARP表項MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC130PC B MAC2ARP表項IPMAC地址接口192.168.1.10PC A MACVlan 10192.168.3.10PC B MACVlan 30三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）6 .當三層網(wǎng)關(guān)交換機掌握PC B的ARP表項時，即可以完成二層封裝，然后再查找 MAC地址表，將報文從端口2轉(zhuǎn)發(fā)出去（如果出接口為Trunk，則添加目的MAC所屬VLAN的TAG字段）三層交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.1

22、68.3.10/24MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC130PC B MAC2ARP表項IPMAC地址接口192.168.1.10PC A MACVlan 10192.168.3.10PC B MACVlan 30MACS：網(wǎng)關(guān)(vlan 30)MACD：PC B MACTAG : VLAN 30IPS：192.168.1.10D：192.168.3.10ICMP Echo Request三層交換的詳細工作過程（以PC APC B為例）7 .后續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程PC APC B，首先完成TCP/IP封裝，經(jīng)過二層交換機轉(zhuǎn)發(fā)至三層網(wǎng)關(guān)交換機，三層網(wǎng)關(guān)交換機首先查找ARP表項，找到

23、目的IP所對應的MAC地址，完成目的 MAC替換（同時替換源MAC地址為目的IP所在VLAN的SVI接口MAC地址），再查找MAC地址表項，找到替換后的目的MAC地址的出接口及對應VLAN標記，進行VLAN標記替換后從相應的出接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。三層交換機1222二層交換機二層交換機1VLAN 101VLAN 30PC A192.168.1.10/24PC B192.168.3.10/24MAC地址表VLANMAC地址端口30PC B MAC130Vlan30網(wǎng)關(guān)2MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC110VLAN10網(wǎng)關(guān)2MAC地址表VLANMAC地址端口10PC A MAC13

24、0PC B MAC2ARP表項IPMAC地址接口192.168.1.10PC A MACVlan 10192.168.3.10PC B MACVlan 30相關(guān)show命令的輸出（1）查看SVI接口對應的MAC地址Ruijie#sherfavlan 10Index(dec):4097 (hex):100a VLAN 1 is UP , line protocol is UPHardware is VLAN, address is 001a.a97e.9d8c (bia 001a.a97e.9d8c) erface address is: 192.168.1.254/24ARP type: AR

25、PA, ARP Timeout: 3600 seconds MTU 1500 bytes, BW 1000000 KbitEncapsulation protocol is Ethernet-II, loack not setKeepaliveerval is 10 sec , setCarrier delay is 2 secRXload is 1 ,Txload is 1 Queueing strategy: FIFOOutput queue 0/0, 0 drops; Input queue 0/75, 0 drops相關(guān)show命令的輸出（2）查看MAC地址表項Ruijie#sh ma

26、c-address-tableVlanMAC AddressTypeerface1010101020202020001a.a919.414d000d.9dd2.65870011.2517.54300015.e92d.5e740016.36a5.2b030016.41e5.53660016.d31e.2a890016.d32c.2070DYNAMIC DYNAMIC DYNAMIC DYNAMIC DYNAMIC DYNAMIC DYNAMIC DYNAMICFastEthernet 0/1 FastEthernet 0/2 FastEthernet 0/3 FastEthernet 0/4 FastE