二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程

二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程2023/12/28二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程目錄基本概念集線器、交換機、路由器交換原理及轉(zhuǎn)發(fā)過程常見的基本配置二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程網(wǎng)絡(luò)分層概念網(wǎng)絡(luò)分層概念七層：應(yīng)用層，telnet/ftp/路由協(xié)議。四層：傳輸層，TCP/UDP協(xié)議。三層：網(wǎng)絡(luò)層，通常是IP，數(shù)據(jù)包成為報文。二層：鏈路層，比如說以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)包稱為幀。一層：物理層。以太網(wǎng)頭IP頭L2HEADERL3HEADERDATAL4HEADERTCP頭Page3二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程鏈路層鏈路層：負責(zé)直接相連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通訊二層設(shè)備：連接同類型的鏈路網(wǎng)段，如兩個以太網(wǎng)的物理網(wǎng)段L2L1L2L2L1L3L3Page4二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程鏈路層地址在以太網(wǎng)使用的地址是MAC地址(48bit二進制的地址)，可劃分為單播地址、多播地址和廣播地址。6字節(jié)數(shù)字，如00-50-FC-1F-C0-3A第一字節(jié)最低位為0，如00-e0-fc-00-00-06，單播地址。第一字節(jié)最低位為1，如01-e0-fc-00-00-06，多播地址。特殊地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF廣播地址MAC地址沒有層次關(guān)系，所有的MAC地址只有數(shù)值的不同，沒有網(wǎng)絡(luò)上的包含關(guān)系一個MAC地址唯一代表網(wǎng)絡(luò)上的一個點Page5二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)是一個平面的網(wǎng)絡(luò)：沒有層次關(guān)系等于HUBHUBHUBPage6二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層：負責(zé)一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通訊三層設(shè)備：連接多個IP網(wǎng)段3層交換機/路由器L2L1L3L2L1L3L2L2L3/8/8Page7二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程網(wǎng)絡(luò)層地址IP地址：4字節(jié)數(shù)字IP地址有層次關(guān)系/8是一個大網(wǎng)絡(luò)地址/16是其中的一個子網(wǎng)3/16是這個子網(wǎng)中的一個主機地址55/16是這個子網(wǎng)中的廣播地址網(wǎng)絡(luò)地址主機地址掩碼長度Page8二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)層，才可以組建大型網(wǎng)絡(luò)31/8/16Page9二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程目錄基本概念集線器、交換機、路由器交換原理及轉(zhuǎn)發(fā)過程常見的基本配置二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要類型集線器Hub2層交換機L2Switch3層交換機L3Switch路由器RouterPage11二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程集線器物理層以太網(wǎng)設(shè)備，沒有智能簡單的硬件實現(xiàn)簡單的功能把每個端口收到的報文向所有其他端口廣播，就象一個分線盒“共享10M”Page12二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程交換機由硬件芯片執(zhí)行數(shù)據(jù)幀或報文轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，分為二層交換機和三層交換機通常接口單一，主要就是以太網(wǎng)硬件強大，軟件較簡單轉(zhuǎn)發(fā)能力高：10萬--1000萬PPS三層交換機也逐漸實現(xiàn)了復(fù)雜的功能和多種協(xié)議Page13二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程二層交換機二層交換機有少量的智能，可以學(xué)習(xí)MAC地址，精確轉(zhuǎn)發(fā)?？赡苤С稚蓸鋮f(xié)議，可以避免多個以太網(wǎng)段之間出現(xiàn)環(huán)路“獨占10M/100M”。Page14二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三層交換機有很強的智能，功能類似于路由器通常用CACHE代替路由表，容量較小路由器Router通過IP路由做轉(zhuǎn)發(fā)，可跨越大型的、各種鏈路類型的網(wǎng)絡(luò)。Page15二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程路由器傳統(tǒng)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)能力較低：1萬--10萬PPS 以前，廣域網(wǎng)的帶寬也低：9.6K,64K，128K，2M...當(dāng)前的高端路由器也采用高速硬件來實現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)發(fā)Page16二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程接口類型交換機：以太網(wǎng)為主路由器：同步串口，異步串口，10/100M以太網(wǎng)，ATM,E1/E3/PRI，T1/T3，HSSI，BRI高端路由器/交換機：100M/1G/10G以太網(wǎng),255M/622M/2.5GPOS,155M/622MATMPage17二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程二層交換機主要結(jié)構(gòu)軟件：二層硬件：二層一層

STP等協(xié)議以太網(wǎng)交換物理接口Page18二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程傳統(tǒng)路由器主要結(jié)構(gòu)軟件：七層四層三層二層硬件：一層

IP轉(zhuǎn)發(fā)物理接口TCP/UDP

路由協(xié)議

鏈路協(xié)議Page19二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層交換機主要結(jié)構(gòu)軟件：七層

四層三層二層硬件：三層二層一層

IP以太網(wǎng)交換物理接口TCP/UDP

路由協(xié)議

以太網(wǎng)協(xié)議IP交換Page20二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程路由表的區(qū)別交換機往往使用CACHE表裝載主機路由，大約幾千條。主機路由用HASH算法做精確匹配。另外有少量網(wǎng)段路由，可做最佳匹配路由器通常路由轉(zhuǎn)發(fā)表包含了所有可用路由，做最佳匹配Page21二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程交換機路由表維護交換機的芯片路由表是一個CACHE上層軟件產(chǎn)生路由時不加入芯片路由表芯片處理報文時，沒有找到路由，產(chǎn)生一個CACHE-MISS，上報CPUCPU查軟件路由表，得到一個主機路由，加入芯片路由表此后，到這個主機的報文就可以做高速轉(zhuǎn)發(fā)了Page22二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程交換機路由表維護三層芯片CPU2CACHE-MISSRTRT1沒有路由3查軟件路由表4提交硬件軟件Page23二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程目錄基本概念集線器、交換機、路由器交換原理及轉(zhuǎn)發(fā)過程常見的基本配置二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程交換的原理計算機發(fā)包二層交換三層交換抽象過程Page25二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程計算機計算機上的IP模塊發(fā)包時，檢查目的地址是否在本地網(wǎng)段：

DestIP&Mask=MyIP&Mask？本地包直接發(fā)遠方包要查路由表，發(fā)送給路由器HUB路由器/24/24/240/24Page26二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)的原理1、通過路由協(xié)議或配置得到遠方網(wǎng)段的路由2、鏈路層把收到的IP報文上交給IP層3、IP層按路由做轉(zhuǎn)發(fā)4、鏈路層把幀發(fā)送到鄰居Page27二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程二層轉(zhuǎn)發(fā)的原理（一）MAC學(xué)習(xí):從端口收到的幀中讀出MAC地址，得到它們的對應(yīng)信息HUBMAC1MAC2MAC3MAC4port1port2port3port4FDB表MAC1:Port1MAC2:Port2MAC3,MAC4:Port3MAC5,MAC6,MAC7:Port4Page28二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)的原理（二）鏈路層把收到的IP報文上交給IP層M1,M2,IP…L2L1L2L3L3IP1,IP2,ICMP…DATA以太網(wǎng)頭，從M1發(fā)送到M2IP頭，從IP1()發(fā)送到IP2()H1IP=MAC=M1IP=0MAC=M2R1ETHIPDATAIPDATAPage29二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)的原理（三）IP層按路由做轉(zhuǎn)發(fā)目的IP=轉(zhuǎn)發(fā)表得到路由：/24下一跳0出口e2路由1：/8路由2：/24路由3：/24路由表的“最佳匹配”把報文交以太網(wǎng)接口e2向0發(fā)送Page30二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)的原理（四）鏈路層把幀發(fā)送到鄰居M2,M3,IP…L2L1L2L3IP1,IP2,ICMP…DATA以太網(wǎng)頭，從M1發(fā)送到M2IP頭，從IP1()發(fā)送到IP2()R2IP=0MAC=M3IP=0MAC=M2R1ETHIPDATAIPDATAL3MAC地址變了，而IP地址都沒有變?。age31二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)的原理（五）/240/24/24接口e10/24接口e20/24R1R2R3H1H20/24源IP和目的IP都一直不變源MAC和目的MAC在每個網(wǎng)段間都要改變

M1->M2M2->M3M3->M4M4->M5Page32二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)過程總結(jié)鏈路層收到一個以太網(wǎng)幀檢查校驗和等參數(shù)是否合法如果目的MAC地址不是我的，也不是組播和廣播MAC，就忽略（假如不支持二層轉(zhuǎn)發(fā)）刪除幀頭，把數(shù)據(jù)部分按幀頭里的協(xié)議類型交上層協(xié)議處理（如IP）IP層收到IP包（就是以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)）檢查校驗和等參數(shù)是否合法如果IP地址是接口IP地址之一，說明是本地報文，按IP頭里的協(xié)議類型交上層協(xié)議處理（如TCP）Page33二三層交換機設(shè)計原理及轉(zhuǎn)發(fā)流程三層轉(zhuǎn)發(fā)過程總結(jié)否則，用目的IP地址查轉(zhuǎn)發(fā)表有路由則交“出接口”對應(yīng)的鏈路協(xié)議發(fā)出，沒有路由則丟棄鏈路協(xié)議(以太網(wǎng))得到這個要發(fā)出的IP包，以及出接口和下一跳IP地址信息在IP包前面添加以太網(wǎng)幀頭，源MAC地址是我的MAC地址，目的MAC地址是下一跳的MAC地址（用下一跳IP地址查ARP表得到），發(fā)出。如果ARP表里沒有找到下一跳IP地址，則需要發(fā)送ARP請求去解析這個IP，暫緩發(fā)送IP包或丟包