（电路与系统专业论文）以太网多样转发机制的合一性设计.pdf

| l u li ii i i1 111 111 11 111l 19 0 9 10 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 以太网多样转发机制的 合一性设计 研究生：陈建中 指导教师：郭裕顺教授 。 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r u n i f y i n g t h e m u l t i p l ee t h e r n e t 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 目前，网络通信时，数据报文通过物理层进入以太网数据链路层时是根据报文特征的不 同而进入不同的处理流程。最初的以太网技术是用于组建局域网，当时业务量小，报文种类 相当较少，因而处理这些类型的报文流程也较简单、复杂度低。现在，网络信息量剧增，报 文的种类越来越多，对应的网络协议在不断的增加，为了适应这些日益增加的各种类型的报 文，数据链路层的处理流程也在原有的基础上不断增加。然而，这些处理流程并不是无限增 多的并且随着处理流程的增多，整体处理效率下降、设计的复杂度越来越高、代码冗余量变 大、代码移植效率变低，体系结构的改进已是未来网络技术发展的必然过程。 本文首先研究了o s i 模型中以太网数据链路层报文特征识别机制。研究的主要内容包括 报文特征格式设计、报文的封装、报文特征数据库、报文特征识别原理；本文还将传统以太 网链路层各种转发机制和其处理报文的流程如i n l i n e 转发机制、v l l 转发机制等都做了一 个较为详细的分析；最后结合实际问题提出了本文的转发流程合一性研究的设计方案并予以 实现。新方案涉及的内容有入口镜像、校验解析模块，报文特征识别模块，查表处理，口转 发模块，二层转发模块，出口封装，透传处理模块等等。本方案不仅从以太网链路层收发包 体系结构给以改进，它也涉及到b u f 结构的改进和b u f 控制块的改进。通过单元测试验证 本文转发系统软件设计的可靠性以及软件设计的可扩展性。通过组网后的系统测试表明本文 的设计不仅满足目前功能的需求而且也满足未来一些新业务扩展的需要。本文的设计方案已 经在某著名的通信公司的高端交换机上广泛应用。 关键字：报文特征，复杂度，冗余，识别技术，架构 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , w h e nd a t ap a c k e t sa r et r a n s f e r r e di n t ot h el o g i s t i c sl i n kl a y e rp a c k e tt h r o u g h p h y s i c a ll a y e r , t l l e ya r ed i v i d e dt od i f f e r e n tp r o c e s s e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m e s s a g e t h eo r i 西n a le t h e r n e tt e c h n o l o g yi su s e dt ob u i l dt h el a n ，t h ev o l u m eo fb u s i n e s si s s m a l la n dp a c k e t sa r ec o m p a r a t i v e l ys m a l la tt h a tt i m e ，s ot h ep r o c e s so fh a n d l i n gt h e s et y p e so f p a c k e t si sa l s or e l a t i v e l ys i m p l e ，l o wc o m p l e x i t y n o w , w i t ht h en e t w o r ki n f o r m a t i o ns u r g i n ga n d k i n d so fp a c k e t sc o l o r i n g ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r kp r o t o c o li sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n g , i no r d e r t om e e tt h e s eg r o w i n gv a r i o u st y p e so fp a c k e t s ，p r o c e s so ft h ed a t al i n kl a y e ri sa l s oi n c r e a s e do n t h eb a s i so ft h eo r i g i n a l h o w e v e r , t h e s ep r o c e s s e sa r en o tu n l i m i t e d l yi n c r e a s i n g , a n d1 ) l r i mt h e n u m b e ro fp r o c e s s e si n c r e a s e s ，t h eo v e r a l lp r o c e s se f f i c i e n c yd e c l i n e s ，d e s i g nc o m p l e x i t yi n c r e a s e s ， t h er e d u n d a n c yo fc o d eb e c o m e sl a r g e r , t h ee f f i c i e n c yo fc o d em i g r a t i o nd e c l i n e s ，t h ei m p r o v e m e n t o fs y s t e ms t r u c t u r ei st h ei n e v i t a b l e p r o c e s so fd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e t h ep a p e rs t u d i e st h er e c o g n i t i o nm e c h a n i s mo fp a c k e t si nt h ed a t al i n kl a y e ro fo s im o d e l t h em a i nc o n t e n ti n c l u d em e s s a g ef o r m a td e s i g n ，p a c k e te n c a p s u l a t i o n ，p a c k e ts i g n a t u r ed a t a b a s e a n dt h ep r i n c i p l eo fm e s s a g ef e a t u r er e c o g n i t i o n ；a l s o ，t h ep a p e ra n a l y s i st h et r a d i t i o n a le t h e m e t l i n k - l a y e rf o r w a r d i n gm e c h a n i s ma n di t sh a n d l i n go ft h ep r o c e s sd e e p l y , s u c ha sp a c k e ti n l i n e f o r w a r d i n gm e c h a n i s m ，v l lf o r w a r d i n gm e c h a n i s m f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o p o s e saf o r w a r d i n g p r o c e s sc o m b i n e dd e s i g np r o j e c ta n dr e a l i z e d t h ec o n t e n t so ft h en e wp r o g r a mi n v o l v e st h e e n t r a n c em i r r o r , c h e c k i n ga n a l y s i sm o d u l e ，t h em e s s a g ef e a t u r er e c o g n i t i o nm o d u l e ，t h el o o k - u p t a b l ep r o c e s s i n g , i pf o r w a r d i n gm o d u l e ，t w o - s t o r yr e l a ym o d u l e ，e x p o r tp a c k a g i n g , t r a n s p a r e n t t r a n s m i s s i o np r o c e s s i n gm o d u l ea n ds oo n t h en e wp r o j e c tn o to n l yi m p r o v e sf r o mt r a n s c e i v e r s y s t e ma r c h i t e c t u r ei nt h ee t h e m e tl i n kl a y e r , b u ta l s oi n v o l v e s t h ei m p r o v e m e n to fb u f a r c h i t e c t u r ea n db u fc o n t r o lb l o c k t h r o u g ht h eu n i tt e s t s ，i ts h o w st h a tt h er e l i a b i l i t yo ft h e s o f t w a r ed e s i g no ft h ef o r w a r d i n gs y s t e ma n dt h es c a l a b i l i t ) ，o ft h es o f t w a r ed e s i g n a f t e rt h e s y s t e mt e s t i n ga f t e rb u i l d i n gn e t w o r ks h o w st h a tt h ed e s i g ni nt h i sp a p e rn o to n l ym e e t st h ec u r r e n t f u n c t i o nd e m a n d sb u ta l s ot h en e e d o fn e wb u s i n e s se x p a n s i o ni n t h ef u t u r e t h ed e s i g ni nt h ep a p e r h a sb e e nw i d e l yu s e di nh i 曲l e v e ls w i t c hf r o maw e l l k n o w nc o m m u n i c a t i o nc o m p a n y k e y w o r d s ：m e s s a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，r e d u n d a n c y , c o m p l e x i t y , i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a r c h i t e c t u r e n 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 以太网技术的研究背景1 1 2 1 以太网交换机技术的研究背景及其发展1 1 2 2 以太网转发机制的研究背景一2 1 3 本文的工作”3 2 以太网转发机制”5 2 1 交换机三层转发机制5 2 2 交换机二层转发机制7 2 3 以太网i n l i n e 转发机制“9 2 4v p l s 转发机制1o 2 5v l l 转发机制1 3 3 以太网链路层转发机制合一性设计”1 5 3 1 路由交换机的软件平台1 5 3 1 1c o m w a r c 平台产品定制一1 6 3 1 2c o m w a r e 平台中以太网模块与周边模块的体系结构1 6 3 2 以太网报文转发模型1 7 3 2 1 以太网报文转发模型设计模型背景1 7 3 2 2 分布式设备简介18 3 2 3 入口镜像、校验、解析模块l8 3 2 4 报文特征识别模块18 3 2 5l 2 协议模块2 2 3 2 6 查表处理2 3 3 2 7 口入方向业务模块2 3 3 2 8 透传处理模块2 4 3 2 9 出口镜像、监听模块2 4 3 2 1 0 驱动模块2 5 3 3 重要的处理流程2 5 3 3 1 以太网转发模块初始化流程2 5 i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 3 2 命令行模块处理流程2 6 3 3 3 系统启动过程2 8 3 4 重要的数据结构2 8 3 4 1 全局数据结构2 8 3 4 2 以太网报文特征2 9 3 4 3 以太网报文特征动作结构3 0 3 4 4m b u f 相关重要的数据结构一3 2 4 软件测试3 5 4 1 测试环境3 5 4 2 系统功能测试4 0 4 3d 、结一4 3 5 结束语4 4 j 变谢4 6 参考文献4 7 附录5 0 i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 计算机局域网是局部某一范围的计算机网络，它常常为某一单位所独有。局域网的研究 始于2 0 世纪7 0 年代，以1 9 7 2 年美国贝尔实验室发明的皮尔斯( p i e r c e ) 环形网络同年在加 州大学开发的分布式计算系统( d c s ：d i s t r i b u t e dc o n u t r o ls y s t e m ) 为经典代表。1 9 7 5 年美国 x e r o x 公司推出了实验性以太网( e t h e r n e t ) ，它成功地利用了夏威夷大学a l o h a 无线网络系 统的基本原理，使之发展成为第一个总线竞争式局域网，被公认为是局域网发展史上的一个 重要里程碑。在1 9 8 3 年制定了第一个i e e e 的以太网标准i e e e8 0 2 3 嘲。此后以太网技术 高速发展，性能不断得到提升，传输速度从1 0m b p s 发展到1 0 0m b p s 、1 0 0 0m b p s 。2 1 世纪 初在光纤中它的传输速度己可以达到每秒l o g b p s 嘲。 在已有的局域网标准中，以太网是最成功、应用最广泛的一种局域网技术。据统计，目前 全球8 5 的网络采用以太网技术h 1 。如何去提高以太网速度，这个是我们值得去研究的一个课 题。在以太网的链路层，各种转发机制的效率直接影响到以太网的工作效率以及以太网技术 的广泛应用。 1 2 以太网技术的研究背景 1 2 1 以太网交换机技术的研究背景及其发展 在以太网技术的发展中，以太网交换机和路由器是不可缺少的重要的基础设备。交换机 技术和路由器技术的发展，在过去一直是并驾齐驱的状态。随着a s i c 技术和网络处理器的不 断发展，原来二层m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l 晦1 ) 转发方式的网络技术逐渐被i p 技术统一。 以太网交换机技术也在不断的发展，目前中高端交换机已经融进了路由器的功能，它的应用 也领域也在不断的扩大。当今的交换机技术已经应用到汇聚层和骨干层，在交换机上也应用 了路由表查找技术。现在的信息应用正在走向宽带化和融合化，传统的简单连接和数据转换 功能的交换机已经走向尽头，取而代之的是朝着高速化、智能化、应用全面化的方向发展的 交换机。 网络技术越来越成熟，电子产品高速发展，更新换代也是以惊人的速度发展。同时随i c 技术的发展电子产品成本大幅下降而产品走向小型化，现在的p c 机c p u 已经有四核，表明集 成度越来越高。使得产品原有许多需要通过外围部件或软件实现的功能也都集成在主芯片中， 交换机产品也不例外。据粗略估算，从2 0 0 1 年年初到年底，交换机的价格平均下降了2 0 - - - 3 0 左右，而低端的2 4 口1 0 1 0 0 ( m b i t s ) 非网管交换机则从3 0 0 0 元左右降至2 0 0 0 元以下。1 0 1 0 0 ( m b i t s ) 交换机已经成为网络中不可或缺的基本设备阳1 。 随着信息量的增加，人们希望能使用更快速的网络。已有的电缆、双绞线在网络信号的 杭州电子科技大学硕士学位论文 传输有损耗，它们本身的特性也就决定了网络传输的上限，而光纤的发展无疑给网络的发展 带来巨大生机。万兆以太网标准则更是直接看好了城域网，从而定制了广域网和城域网标准。 在未来城域网的接入和汇聚应用中光纤以太网技术是不可缺少的。 在2 0 0 1 年电信行业重组，那时在中国国内市场中电信行业仍然占据4 0 的份额，在这个 行业中较大份额的是以太网交换机，而光端机行业也随之广泛应用，其中以视频光端机、光 纤收发器、协议转换器等设备应用范围最广。教育信息化及电子商务需要非常多的交换机等 网络设备组建局域网，给交换机技术发展带来巨大的发展空间。 未来交换机技术的发展将会是如下趋势n 蚴1 ： ( 1 ) 千兆交换成主流，万兆市场迅速上升 随着千兆以太网成本的迅速下降，大多数用户从小型企业、中小学到大型企业都采用千 兆以太网来构建骨干网络。而城域网，当前使用最多的是千兆和百兆以太网，而未来万兆以 太网应用也有可能成为城域网的主流技术。 速度是衡量网络性能的一个重要指标也是运营商追求的一个目标。在信息快速发展今天， 网络视频信息、语音信息的发展使人们对带宽的要求迅速提高。现在的一些大型企业发展多 元化，分布在全球各个地方，这些企业需要有快速的网络来传输它们的数据。 ( 2 ) 三层交换迅速普及 由于交换机技术和路由技术的发展，有可能走向融合。而v l a n 和三层交换技术打破了最 开始的纯二层交换技术的限制，从而使交换机的应用有了更加广阔的生存空间。路由交换已 经在许多大企业骨干网中迅速普及，也开始引进三层交换技术。 ( 3 ) 交换机和路由器将逐渐融合 以太网交换机现在已经融入了路由器的一些功能，以往的交换机只看做二层设备，对于 三层上的i p 业务只能通过路由器来处理。现在路由器中拥有丰富的路由协议以及路由器上所 具有的网络接口，在交换机上都可以实现。 ( 5 ) 智能化发展 这里所指的智能化不仅包括交换机设备智能化的治理，还包括它们对越来越多的智能业 务的支持。网络融合多业务，已经是一种趋势，因此要求交换机拥有丰富的功能，同时复杂 的网络加剧了网络维护的难度。网络交换技术朝智能化方向发展是一种必然趋势。网络技术 智能化简化了人工维护的步骤，而且降低了维护成本。单从这两个特点出发，智能交换机必 然深得各大网络运营商的欢迎，也必将是未来用户构建网络的首选设备。 在现在这个网络时代，远程教学、视频会议、v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp h o n e 网络语 音电话业务) 语音服务等都要求高速的网络传输，它们对时延非常敏感。未来智能化以太网交 换机还应该保证重要业务快转、即使转发、流量访问控制、速度限制、远程治理等等。 1 2 2 以太网转发机制的研究背景 以太网二层转发技术是以太网交换技术的一个方面，分析了上面以太网交换技术的发展 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 现状，下面再分析以太网转发技术的发展。 以太网二层转发机制包括普通二层转发、跨v l a n 二层转发和i n l i n e 转发。这些转发机 制是比较成熟，在通信行业如在c i s c o 、华为有广泛的应用。 ( 1 ) 普通二层转发的机制 如果设备接收到的报文目的地址匹配三层接口的地址，则通过设备的三层接口进行三层 转发；否则通过设备的二层以太网接口进行二层转发。 ( 2 ) 跨v l a n 二层转发 跨v l a n 二层转发是在数据链路层完成不同的v l a n 间的通信，主要应用在防火墙插卡。 ( 3 ) i n l i n e 转发 现在一些高端交换机的防火墙支持二层i n l i n e 转发，这种转发又有三种类型如下：转发 类型、反射类型、黑洞类型。 在国内外通信行业中，目前以太网转发的处理是比较单一即对于各自的转发方式有各自 独立的处理流程。流程多、设计复杂、扩展性差、维护难度大、处理网络报文效率受到制约。 为了解决改进这些技术，我们可以设计出一种比较灵活的框架，这个框架能够支持基于以太 网链路层上运行的各种协议。这样设计的根据就是把这些以太网链路层上的转发机制有效的 融合甚至把i p 层的一些机制也融合进去。这种设计思想必然是未来的一个发展趋势。网络要 提速，必然从传输介质、网络技术、网络设备这三个途径去研究，而在网络技术方面，链路 层上技术设计的好坏直接影响到数据收发的效率，从而影响到网络的处理效率。 1 3 本文的工作 本文的工作是研究以太网多样转发机制的合一性设计。目前各大网络运营商在开发以太 网技术中虽然实现机制有所不同，但都是有同一个目标即性价比越高越好。 不仅仅是核心网络传输数据速度要求稳定、快速，普通网络也同样如此，然而决定网络 传输的数据快慢不仅局限于物理介质比如传输介质、中间的转换设备，软件性能的好坏也同 样影响网络传输数据的性能。较为复杂软件的运行通常是基于某一操作系统。目前比较经典、 使用最为广泛的操作系统有u n i x 几i n u x w i n d o w s 操作系统。虽然大众接触最多的是w i n d o w s 操作系统，因为它的界面友好，操作方便，但是它内部运行机制并未公开，所以网络运营商 基本没有使用它。l i n u x 操作系统是免费的而且它的功能越来越强大，软件升级快，运行速 度快。还有l i n u x 系统的进程隔离、可抢占、支持s m p ，支持内存池特性，充分考虑可扩展性、 稳定安全性、易用性、易维护性以及对硬软件的兼容能力强。因此本文的研究所选用的操作 系统是l i n u x 操作系统。本文研究的是一种新的以太网转发系统，该系统支持基于以太网上 各种协议的运行。本文的研究具有非常高的商业价值。 本文的结构如下： 第一章介绍以太网交换机技术的研究背景、以太网链路层转发机制的研究背景以及本文 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 的研究内容。 第二章介绍以太网链路层各转发机制。 第三章介绍以太网链路层多样转发机制合一性设计方案、其实现过程以及路由交换机的 通用软件平台。 第四章设计方案的测试验证。 第五章结论，最后对本文的主要研究成果进行了总结及对未来工作的展望。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 以太网转发机制 以太网转发数据包的种类比较多，转发数据包与所使用的设备和数据包内容紧密联系。 网络业务目前是比较繁多的，这对于以太网链路层接收数据处理方式就有很多种，而每一种 的处理流程也是比较复杂的。为了适应未来的发展和用户需求，需要设计一种高可用性一1 、 高处理效率的软件来解决目前以太网链路层接收数据报文所使用繁杂的处理流程问题。下面 从通信业界所使用最成熟的各种转发机制进行分析，最终得出本文的设计思路。 2 1 交换机三层转发机制嘲 网络三层交换人们首先会谈到是路由器，而交换机人们可能想到它主要工作在o s i 模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ：开放式系统互联参考模型) 的第二层。交 换机的发展不再局限于最原始的二层交换机功能，现在的交换机基本具有路由功能。随着 网络终端产品价格的下降，性能的提高，网络变得越来越大，而在这些网络中很容易产生 广播风暴导致网络瘫痪，于是虚拟局域网( ，a n ：v l r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ) 技术就广 泛应用在网络当中，而路由器中的路由表是通过软件来管理，而软件处理速度比硬件处理 速度慢并且路由器的端口数量有限，所以就出现了三层交换机并且三层交换机得到广泛应 用，硬件处理速度快而交换机是通过专门的硬件芯片来管理和维护交换机中的路由表等信 息，而且交换机的价格相对较低。如下图2 1 是三层交换机收发报文的整个流程图。 图2 1 三层报文收发流程图 三层口报文整个流程如上图所示，从物理链路层接收到数据流，进行验证后再入口镜像 再到上层报文的解析。解析的报文再进行查表处理从而进入三层转发业务。 上图中虚线所表示碑报文，根据数据段的信息，有些报文需要上送到上层处理再发送到 下层再进行处理。其中入口镜像、解析、查表处理模块等在第三章再做介绍而图1 的三层转 发业务的工作原理如下面所示： 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 2 交换机三层转发原理 对于图2 2 中的两台计算机组成的局域网，计算机a 要发送数据给计算机b 但是它们不 在同一个网段。数据从a 设备发往b 设备，经过交换机，这时交换机的工作过程是一种三层 转发的过程。 下面就以图2 2 为例，来介绍以太网三层转发机制： 当网络里所有的设备都初始化后，计算机a 发送报文( 已知道报文目的i p 是2 0 0 o 2 ) 由默认网关( 1 0 0 0 1 ) 发到交换机。由于不知道目的m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址， 所以计算机a 广播a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 报文，当交换机收到a r p 广播报文， 发现目的i p 是与自己是同一个网段，所以接收a r p 报文，接着就发送r a r p ( r e v e r s ea d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c o l ：逆a r p 报文) 给a 。 计算机a 找到了报文的目的m a c ，因此计算机a 发送报文( 这里使用i c m p ：i n t e r n e t c o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c o l 中的p i n g 报文) ，通过物理层报文到达交换机，交换机首先解 析报文头( 链路层头) ，发现m a c 是本设备的m a c ，上送报文到网络层，交换机解析报文头( i p 头) ，解析的目的i p 地址不是本设备的i p 地址则进行转发处理。 i p 层下发报文到链路层，因不知道链路层的目的m a c ，因而发送a r p 请求，a r p 请求报 文到达设备b ，b 设备发送逆a r p 给交换机。交换机获取到目的m a c 为m a cb ，此时再把p i n g 报文发给b ，b 接收后，解析报文，上送到上层进行处理。由于是p i n g 报文，所以应用层会 发送一个p i n g 的应答报文，过程与p i n g 请求报文一样。报文在转发过程中需要查询f i b 表、 a r p 表、m a c 表陋蚓，如表l 、表2 、表3 。 f i b 表( 转发表：f o r w a r d i n g i n f o r m a t i o nb a s e ) 是口层用来控制数据包发送的，m 发送 报文时通过查询转发表决定下一跳。需要说明一下转发表和路由表是有所区别的虽然都是在 m 层上，但是路由表是由路由管理模块用来统一管理、收集上层寻径协议找回的各种路由信 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 息，路由管理根据特定策略从路由表中选中评价较好的路由来修改转发表。比如r i p ( r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c o l ：路由选择信息协议) 和o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s ti n t e r i o rg a t e w a y p r o t o c 0 1 ) 都学到了一条到同一网段的路由，但下一跳却不同，路由管理会根据协议的优先级 优先将o s p f 学到的路由下发给转发表。三层交换机转发表是通过芯片硬件进行转发而硬件 转发速度比软件转发的速度快。 表1 ：f i b 表 图2 3 转发表图 目的口下一条 出接口 1 0 o 0 1 3 21 2 7 0 0 1 i n l o o p b a c k 10 o o o 2 41 0 0 0 1v l a n i n t e r f a c e l0 10 o 0 2 3 2l0 o 0 2v l a n i n t e r f a c e l0 2 0 o 0 1 3 21 2 7 0 0 1 i n l o o p b a c k 2 0 o o o 2 42 0 0 o 1v i a n - i n t e r f a c e 2 0 2 0 o o 2 3 22 0 o o 2v l a n i n t e r f a c e 2 0 表2 ：交换机a r p 表，a r p 表是地址解析协议，是根据i p 查询m a c 地址。 i pm a c 地址 1o o 0 2m a ca 2 0 0 0 2m a cb 表3 ：交换机m a c 表，主要是元素师m a c 对于接口以及接口所属v l a n 。 m a c 地址v l a n 接口 m a cav 1 a n1 0p o r te t h e m e t 4 1 1 m a cbv l a n 2 0p o r te t l l e r n e t 4 1 2 2 2 交换机二层转发机制 计算机的性能和它处理的信息在不断增多，传统局域网已经不能满足这种日益剧增的业 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 务需求，交互式局域网技术从此开始诞生，而此时二层交换机技术得到广泛应用，大大提高 了网络性能，下图2 4 是二层收发包的整个流程图 图2 4 二层转发流程图 二层转发报文的整个工作过程如上图2 4 所示，物理层接收到报文，数据流验证，验证 码正确的送到数据链路层。图2 4 与图2 1 流程有很多基本相同，但是每个模块里面处理的数 据和所调用的函数接口是不同的。如二层转发和三层转发在发送时，都是从b u f 和b u f 控制 块中取数据但是调用接口有二层接口和三层接口。下面是二层转发业务汹啪3 模型及其工作原 理。 图2 5 二层转发 ( 1 ) 交换机的主要功能是对报文进行转发，二层交换机工作在数据链路层是通过报文的 目的m a c 地址将报文传输到交换机的相应端口。随着交换机功能不断升级，它不再是最原始 的二层交换的功能，按照协议层划分交换机：第四层交换机、第三层交换机和第二层交换机。 如图2 5 所示，二层交换机的工作过程( p cb 发送报文给p c _ c ，p cc 收到报文再发送 报文给p c _ b ) - 二层交换机的报文转发过程是通过查询m a c 表项再进行传输的过程( 假设交换机刚初始 化，m a c 表项为空) ，在根据m a c 表项信息，会有两种转发方式：单播和广播工作过程如下： p c b 送报文给p c _ c ( 在同一v l a n 内，假设这里的四台p c 机同在v l a n i o 内) ，报文传输 到交换机的p o r t 一2 端口，此时交换机m a c 表就记录了下面的m a c 地址转发表项如下： 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 m a c 地址 v l 埘 接口 m a c bv l a n1 0p o r t2 报文传输到交换机，需要进行转发但是在交换机的m a c 表中找不到对应端口的转发的表 项，这时交换机将在同一v l a n i o 内的所有端口( 除p o r t _ 2 端口外) 进行广播报文，报文从 各个端口传输到相应的p c 机。各个p c 机收到报文，但不是自己的报文它并不进行处理，而 e c _ c 收到报文发现是要与它通信的报文，因而进行处理。通常情况下，e cc 机器都会有一个 相应即回传信息给交换机，这时交换机里的m a c 表中又添加一个新的m a c 转发表项，此时m a c 表如下： m a c 地址 v l a n 接口 m a c bv l a n1 0p o r t2 m i cv l a n1 0p o r t3 ( 2 ) 下一次p cb 发送报文给p c c ( 在同一v l a n 内) 时，报文到达交换机的p o r t 一2 接 口时，由于已经在m a c 转发表中有对应的表项，所以报文会通过转发表从p o r t 转发出去而_3 到达p c c ( 即交换机单播发送报文到达目的p c ) 。 注意：在上面( 1 ) 中，如果交换机在广播报文时，p c _ c 机器收到该报文并进行处理但 是并没有给交换机回应消息，这时候交换机并没有记录p o r t 一3 对应的表项，所以下次p c _ b 与p c c 之间的通信依然要通过广播方式通信。 上述记录的添加，在网络通信上有专业术语称为m a c 地址学习。发送报文通过设备，是 先根据查询m a c 地址转发表而使用硬件转发，提高转发效率，但是m a c 表项过多，需要更长 的时间查询相应的m a c 地址表项，这会延长转发时间从而使设备的转发效率降低。 目前交换机是通过专用芯片a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 在所有 端口并行转发。在二层交换机中，a s i c 将维护一张二层转发表l 2 f d b ( l a y e r2f o r w a r d i n g d a t a b a s e ) ，表项的主要内容是m a c 地址和交换机端口的对应关系、老化标志、表项状态等等。 对于上述中所说的如何解决m a c 表项过于庞大的问题，这里通过老化机制。老化机制是 当一个m a c 地址表中有些表项长时间没有使用或者很少使用时，根据实际情况需要删去这些 表项的过程。 2 3 以太网in l in e 转发机制 安全在网络上也一直受到大家关注，而防火墙是每台p c 机操作系统的附加软件，它是每 一台机器的一层保护伞。防火墙技术不仅应用在p c 机上如高端交换机、路由器等等产品也应 用了防火墙技术。而高端防火墙支持二层i n l i n e 转发，并不是每个报文都需要进过m a c 层查 找m a c 表进行转发的，用户根据自己的配置也可以指定报文转发过程。图2 6 是i n l i n e 转 发的报文的整个流程。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 6i n l i n e 转发流程 上图是二层i n l i n e 转发的整个结构，根据用户要求需要配置不同类型报文的转发形式。 二层i n l i n e 转发有三种类型分别是：转发类型、反射类型、黑洞类型。 转发类型：用户通过配置直接指定从某接口入的报文从特定接口出。此时，报文转发不 再根据m a c 表进行，而是根据用户指定的一组配对接口进行转发，发送到设备的报文从其中 一个接口进入后从另一个接口转发出去。 反射类型：用户通过配置将某接口收到的报文处理完以后，任然从该接口发送出去。 黑洞类型：用户通过配置将某接口收到的报文处理完以后丢弃。 用户配置的情况如下： 操作命令说明 进入系统视图 s y s t e m - v i e w 必选 创建i n l i n e i n l l n e h n t e r f a c e s d 【b l a c k h o l eir e f l e c t1 进入二层以太网接口视图 i n t e r f a c ei n t e r f a c e - t y p ei n t e r f a c e - n u m b e r 必选 把接口加入到i n l i n ep o r ti n l i n e - i n t e r f a c e s d 缺省情况下，接口不属于任何i n l i n e 必选 进入二层以太网接口视图 i n t e r f a c ei n t e d a c e - t y p ei n t e r f a c e - n u m b e r 进入i n l i n e 转发对另一接口的视图 把接口转发对的另一个接 必选 p o r ti n l i n e - i n t e r f a c e s d 缺省情况下，接口不属于任何 口加入到i n l i n e i n l i n e 2 4v p l s 转发机制 v p l s ( v i r t u a lp r i v a t el a ns e r v i c e ：虚拟专用局域网服务) 是在公用网络中提供的一 种点到多点的l 2 v p n 业务。v p l s 技术也就它结合了以太网和m p l s 技术的优势，通过局域网 或广域网使得分布在不同地域的多个用户站点在一个桥接域内互连，从而形成虚拟专用网络， 这种技术在跨国企业或者企业分支机构多的公司得到广泛应用。本文描述了v p l s 的技术特点 和实现方式以及h 3 c 实现的技术特色。下图是v p l s 转发的整个工作原理： 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 7v p l s 转发流程 根据a c ( a t t a c h m e n tc i r c u i t ：接入的电路) 接入方式和p w ( p s e u d ow i r e ：虚链路) 上不同封装的报文，一般分为以下几种： ( 1 ) e t h e m e t 接入r a w 模式的报文转发 s i t elc e1 c e2s i t e2 图2 8e t h e r n e t 接入r a w 模式的报文转发过程 报文的转发过程为： 1 ) c e1 将携带用户所属v l a n 信息( u - t a g ) 的报文发送给p el 。 2 ) p e1 ( 指服务提供商边缘路由器1 ) 根据用户目的m a c 地址( 或用户所属的v l a n 和 目的m a c 地址) ，选择合适的p w ，并在报文中添加p w 对应的v c 标签。 3 ) 为了在公网上利用m p l s 隧道转发报文，p e1 在报文中添加公网隧道标签，通过公网 杭州电子科技大学硕士学位论文 隧道将报文传递给p e 2 。 4 ) p e2 收到报文后，根据v c 标签找到报文所属的v s i ，并将携带u - t a g 的报文发送给 c e2 。 ( 2 ) e t h e m e t 接入t a g g e d 模式的报文转发 图2 9e t h e r n