以太网交换机基础培训教材

以太网交换机基础培训教材以太网交换机基础培训教材Catalog 目 录1以太网概述62以太网的基础知识62.1MAC地址62.2以太网帧的帧格式72.2.1以太网82.2.2带有802.2逻辑链路控制的IEEE 802.382.2.3IEEE 802.3子网访问协议（以太网SNAP）82.2.4Novell以太网92.3CSMA/CD92.4冲突域和广播域102.5以太网的典型设备-HUB102.6全双工以太网113二层交换机的基本原理113.1二层交换机113.2支持VLAN的二层交换机143.2.1VLAN的概念153.2.2VLAN的划分163.2.3VLAN的标准173.2.4支持VLAN交换机的转发流程194三层交换机基本原理224.1三层交换机的提出224.2三层交换机基本特征234.3三层交换机的功能模型234.4三层交换机转发流程254.4.1IP网络规则254.4.2三层转发流程254.4.3选路过程274.5路由器和交换机294.5.1接口304.5.2特点对照305交换机相关协议和技术305.1物理层特性（接口）305.1.1自协商315.1.2智能MDI/MDIX自识别315.1.3流控机制325.1.4POE供电335.1.5端口镜像335.2二层协议和特性335.2.1STP/RSTP/MSTP协议345.2.2GARP/GVRP/GMRP355.2.3聚合特性365.2.4Isolate-user-vlan375.2.5二层多播385.2.6QinQ395.3三层特性395.3.1SuperVLAN395.4Qos/ACL405.5安全特性405.5.1802.1X405.5.2PORTAL425.6管理特性435.6.1集群管理445.6.2WEB网管455.7IRF455.8与路由器相同的一些特性476以太网交换机主要厂商476.1Cisco476.2Extreme486.3Foundry486.4港湾487参考资料48图索引图 1MAC地址7图 2常用的以太网帧格式8图 3由HUB组成的网络11图 4全双工以太网11图 5二层交换机结构示意图12图 6二层交换机的转发流程13图 7二层交换机工作在链路层13图 8交换机的冲突域和广播域14图 9由二层交换机构成的扁平网络14图 10基于端口VLAN的划分16图 11802.1Q VLAN帧格式18图 12Trunk链路实现虚拟工作组18图 13支持VLAN交换机交换引擎19图 14IVL和SVL地址学习方式20图 15IVL地址学习方式转发流程21图 16SVL地址学习方式转发流程21图 17支持VLAN交换机冲突域和广播域22图 18三层交换机功能模型24图 19三层交换引擎24图 20三层转发流程26图 21路由器的最长匹配转发28图 22三层交换机转发-精确匹配29图 23三层交换机转发-最长匹配29图 24以太网的自协商31图 25STP阻塞网络环路34图 26MSTP根据VLAN进行阻塞链路35图 27GARP属性注册和注销35图 28GARP基本原理36图 29Isolate-user-vlan37图 30不支持多播功能交换机38图 31QinQ实现vMAN39图 32802.1X认证体系结构41图 33PORTAL认证四大要素43图 34集群的组成45图 35IRF的组成46图 36IRF的典型应用47表索引表 1.LAN/MAN参考模型15表 2.路由器和三层交换机的特点对比30表 3.PORTAL、PPPoE/A、802.1X三种认证方式的特点对比43以太网交换机基础培训教材Keywords 关键词：以太网，交换机，LAN，VLAN，IRFAbstract 摘 要：本文介绍以太网交换机的相关知识和基本原理。主要包括：1）以太网交换机基础知识；2）二、三层交换机的基本原理和转发流程；3）以太网交换机常用特性和技术。List of abbreviations 缩略语清单： Abbreviations 缩略语Full spelling 英文全名Chinese explanation 中文解释POEPower Over Ethernet以太网供电IVLIndependent Vlan Learning独立vlan学习SVLSharing Vlan Learning共享vlan学习VLANVirtual Local Area Network虚拟局域网GVRPGeneric Vlan Registration Protocol通用vlan注册协议RSTPRapid Spanning Tree Protocol快速生成树协议MSTPMultiple Spanning Tree Protocol多实例生成树协议LACPLink Aggregation Control Protocol链路聚合控制协议DHCPDynamic Host Configuration Protocol动态主机配置协议NTPNetwork Time Protocol网络时间协议VRRPVirtual Router Redundancy Protocol虚拟路由冗余协议RIPRouting Information Protocol路由信息协议OSPFOpen Shortest Path First开放最短路径优先IS-ISIntermediate System-to-Intermediate System intra-domain routing information exchange protocolIS-IS路由协议BGPBorder Gateway Protocol边界网关协议IGMPInternet Group Management ProtocolInternet组管理协议IGMP SnoopingInternet Group Management Protocol SnoopingIGMP侦听GMRPGeneric Multicast Registration Protocol通用组播注册协议PIM-DMProtocol Independent Multicast-Dense Mode密集模式协议无关组播PIM-SMProtocol Independent Multicast-Sparse Mode稀疏模式协议无关组播MSDPMulticast Source Discovery Protocol组播源发现协议WREDWeighted Random Early Detection加权随机早期检测CHAPChallenge Handshake Authentication Protocol质询握手验证协议PAPPassword Authentication Protocol密码验证协议EAPExtensible Authentication Protocol可扩展认证协议SSHSecure Shell安全外壳IDSIntrusion Detection System入侵检测系统RMONRemote MONitor远程监控HGMPHuawei Group Management Protocol华为组管理协议NDPNeighbor Discovery Protocol邻居发现协议IRFIntelligent Resilient Framework智能弹性架构1 以太网概述以太网是在70年代初期由Xerox公司Palo Alto研究中心推出的。1979年Xerox、Intel和DEC公司正式发布了DIX版本的以太网规范，1983年IEEE 802.3标准正式发布。初期的以太网是基于同轴电缆的，到八十年代末期基于双绞线的以太网完成了标准化工作，即我们常说的10BASE-T。随着市场的推动，以太网的发展越来越迅速，应用也越来越广泛。下面简单列一下以太网的发展历程： 70年代初，以太网产生； 1929年，DEC、Intel、Xerox成立联盟，推出DIX以太网规范； 1980年，IEEE成立了802.3工作组； 1983年，第一个IEEE802.3标准通过并正式发布 通过80年代的应用，10Mb/s以太网基本发展成熟 1990年，基于双绞线介质的10BASE-T标准和IEEE 802.1D网桥标准发布 90年代，LAN交换机出现，逐步淘汰共享式网桥 1992年，出现了100Mb/s快速以太网 通过100BASE-T标准(IEEE802.3u) 全双工以太网(IEEE97) 千兆以太网开始迅速发展(96) 1000Mb/s千兆以太网标准问世(IEEE802.3z/ab) IEEE 802.1Q和802.1P标准出现(98) 10GE以太网工作组成立(IEEE802.3ae)2 以太网的基础知识以太网是一种能够使计算机进行相互传递信息的介质，它利用二进制位形成一个个的字节，这些字节然后组合成一帧帧的数据。帧有一个起点，我们称之为帧头；也有终点，我们称之为作帧尾。以太网由许多物理网段组合而成，每个网段包括一些导线和与导线相连的网络设备。以太网上有很多网络设备，每个设备都会接收到各种各样的帧信息。那么，设备怎样才能知道帧是否是直接对它进行访问呢？其实，在每个帧报头中，都包含有一个目地介质访问控制地址（MAC）和一个源MAC地址，目的MAC地址就可以告诉网络设备帧是否是对它进行直接访问。如果设备发现帧的目的MAC地址与自己的MAC不匹配，设备将对不处理该帧。2.1 MAC地址MAC地址有48位，它可以转换成12位的十六进制数，参见图1。这个数分成三组，每组有四个数字，中间以点分开。MAC地址有时也称为点分十六进制数。为了确保MAC地址的唯一性，IEEE对这些地址进行管理。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。供应商代码代表NIC（网络接口卡）制造商的名称，它占用MAC的前六位12进制数字，即24位二进制数字。序列号由供应商管理，它占用剩余的6位地址，或最后的24位二进制数字。图 1 MAC地址从实际使用的角度看，以太网的MAC地址可以分为三类，分别是单播地址、多播地址、广播地址： 单播地址：第一字节最低位为0，00e0.fc00.0006。用于网段中两个特定设备之间的通信，可以作为以太网帧的源和目的MAC地址； 多播地址：第一字节最低位为1，01e0.fc00.0006。用于网段中一个设备和其他多个设备通信，只能作为以太网帧的目的MAC； 广播地址：48位全1，ffff.ffff.ffff。用于网段中一个设备和其他所有设备通信，只能作为以太网帧的目的MAC。2.2 以太网帧的帧格式对MAC地址有一个基本认识后，我们有必要进一步了解以太网帧的帧格式是怎么样的？有哪几种常用的帧格式？下图就是目前常用几种以太网帧格式。图 2 常用的以太网帧格式2.2.1 以太网帧头的作用是标识封装在帧中的第3层信息包的类型。以太网使用类型字段，其长度为2个字节。这种帧格式是目前最常用的以太网帧格式。2.2.2 带有802.2逻辑链路控制的IEEE 802.3IEEE基于原始的以太网帧来设计自己的以太网帧类型。IEEE 802.3的以太网帧报头和以太网的帧报头非常相似，不过其类型字段的长度有所变化，它增加了一个称作逻辑链路控制（LLC）的字段。LLC用来识别信息包中使用的第3层协议。LLC报头或IEEE报头都包含DSAP（destination service access point，目的服务访问点）、SSAP（source service access point，源服务访问点）和控制字段。DSAP和SSAP合并后就可标识第3层协议的类型。2.2.3 IEEE 802.3子网访问协议（以太网SNAP）80年代中期，以太网非常流行，IEEE担心它将使用完所有的DSAP和SSAP编码，所以就定义了一种新的帧格式。这种帧格式称为以太网子网访问协议，有时候也称为以太网SNAP。这种格式的帧报头以“AA”取代DSAP和SSAP。在DSAP和SSAP字段中出现“AA”时，帧是一个以太网SNAP帧。这时，第3层协议将在OUI（Organizational unique identifier，组织唯一标识）字段后的类型字段中表示。QUI是一个6位的十六进制数，它可以唯一地标识一个组织。IEEE对QUI进行赋值。2.2.4 Novell以太网Novell以太网帧类型只适用于IPX通信。Novell以前没有考虑IPX将附属于其他第3层协议。所以，也就没有必要用字段来识别第3层协议。如果你运行的是Novell网络，就可以使用IPX。Novell以太网帧格式以一个长度字段来取代类型字段，与前面的IEEE的做法一样。不过长字段后没有LLC字段。2.3 CSMA/CD以太网使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）。我们可以将CSMA /CD比做一种文雅的交谈。在这种交谈方式中，如果有人想阐述观点，他应该先听听是否有其他人在说话（即载波侦听）。如果这时有人在说话，他应该耐心地等待，直到对方结束说话，然后他才可以开始发表意见。另外，有可能两个人在同一时间都想开始说话，那会出现什么样的情况呢？显然，如果两个人同时说话，这时很难辨别出每个人都在说什么。但是，在文雅的交谈方式中，当两个人同时开始说话时，双方都会发现他们在同一时间开始讲话（即冲突检测），这时说话立即终止。随机地过了一段时间后（回退），说话才开始。说话时，由第一个开始说话的人来对交谈进行控制，而第二个开始说话的人将不得不等待，直到第一个人说完，然后他才能开始说话。除计算机以外，以太网的工作方式与上面的方式相同。首先，以太网网段上需要进行数据传送的节点对导线进行监听，这个过程称为CSMA/CD的载波侦听。如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号，因为，这时导线上的电压超出了标准电压。冲突产生后，这两个节点都将立即发出拥塞信号，以确保每个工作站都检测到这时以太网上已产生冲突，导线上的带宽为0 Mb/s。然后，网络进行恢复，在恢复的过程中，导线上将不传送数据。在这一过程中，不属于产生冲突的网段上的节点也要等到冲突结束后才能传送数据。当两个节点将拥塞信号传送完，并过了一段随机时间后，这两个节点便开始将信号恢复到零位。第一个达到零位的工作站将首先对导线进行监听，当它监听到没有任何信息在传输时，便开始传输数据。当第二个工作站恢复到零位后，也对导线进行监听，当监听到第一个工作站已经开始传输数据后，就只好等待了。注意实际上，随机的时间是通过一种算法产生的，这种算法在IEEE 802.3标准CSMA/CD文档第55页可以找到。在CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。如果其他节点想传送数据，必须等到正在传输的节点的数据传送结束后才能开始传输数据。以太网之所以称作共享介质就是因为节点共享同一根导线这一事实。2.4 冲突域和广播域我们知道，当以太网发生冲突的时候，网络要进行恢复（即处于回退阶段），此时网络上将不能传送任何数据。因此，冲突的产生降低了以太网导线的带宽，而且这种情况是不可避免的。所以，当导线上的节点越来越多后，冲突的数量将会增加。在以太网网段上放置的最大的节点数将取决于传输在导线上的信息类型。显而易见的解决方法是限制以太网导线上的节点。这个过程通常称为物理分段。物理网段实际上是连接在同一导线上的所有工作站的集合，也就是说，和另一个节点有可能产生冲突的所有工作站被看作是同一个物理网段。经常描述物理网段的另一个词是冲突域，这两种说法指的是同一个意思。由于各种各样的原因，网络操作系统（NOS）使用了广播。TCP/IP使用广播从IP地址中解析MAC地址，还使用广播通过RIP协议进行宣告。因此，广播存在于所有的网络上，如果不对它们进行适当的维护和控制，它们便会充斥于整个网络，产生大量的网络通信。前面已经介绍过，广播的目标地址为ffff.ffff.ffff，这个地址将使所有工作站处理该帧。因此，广播不仅消耗了带宽，限制了用户获取实际数据的带宽，而且也降低了用户工作站的处理效率。在这种情况下，所有能够接收其他广播的节点被划分为同一个逻辑网段，也称为广播域。一般来说，逻辑网段定义了第三层网络，如IP子网等。2.5 以太网的典型设备-HUB在局域网（LAN-Local Area Network）中，每个工作站都通过某种传输介质连接到网络上。一般情况下，服务器不会有很多网络接口卡（NIC）。因此，不可能将所有的工作站都连接到服务器上。因此，局域网中会使用HUB，这是网络中很常用的设备。HUB是一种典型的采用以太网CSMA/CD机制的设备，其主要作用是： 被用作网络设备的集中点 放大信号 无路径检测或交换从HUB的作用可以看出，HUB对所连接的LAN只做信号的中继，工作在网络的物理层，连接在HUB上的所有物理设备相当于连接在同一根导线上，都处于同一个冲突域和广播域，参见图3。因此，在网络设备很多的情况下，设备之间的冲突将会很严重，并且导致广播泛滥，严重影响网络地性能。图 3 由HUB组成的网络2.6 全双工以太网当两个以太网节点通过10baseT的电缆直接连接时，导线类似于图4。在这种情况下，数据可以通过两种独立的路径传输和接收。由于只存在两个节点，也就没有总线，所以就可以在同一时间对信息进行双向传输，而不会发生冲突。在这种情况下，以太网称为全双工以太网。为了实现全双工以太网，两个节点必须通过10baseT直接连接，而且NIC必须支持全双工。图 4 全双工以太网3 二层交换机的基本原理3.1 二层交换机顾名思义，所谓二层交换机，其进行转发的依据就是以太网帧的二层信息，即MAC地址且是帧的目的MAC地址。交换机接收到一个以太网帧后，然后根据该帧的目的MAC，把报文从正确的端口转发出去，该过程称为二层交换，对应的设备称为二层交换机。在这里稍微提一下，在二层交换机之前用于二层交换机的设备是透明网桥，它和二层交换机的最大区别就是：透明网桥只有两个端口，而交换机的端口数目远远超过两个。目前的交换机都采用硬件来实现其转发过程，该器件一般称为ASIC（Application Specific Integrated Circuit ），也俗称为交换引擎。对于二层交换机来说，ASIC将维护一张二层转发表L2FDB（Layer 2 forwarding database）。表项的主要内容是MAC地址和交换机端口的对应关系。图5即为二层交换机结构示意图。port1port2port3port4port5port6MACMACMACMACMACMAC二层交换引擎L2FDBSwitchASIC图 5 二层交换机结构示意图下面就详细了解一下二层交换机的转发过程，以图6为例进行说明。交换机从端口1接收到一个以太网帧，其转发流程如下： 根据帧的目的MAC查MAC转发表(即L2FDB)，查找相应的出端口。根据现有L2FDB表，报文应该从端口2发送出去； 如果在L2FDB表中查找不到该目的MAC，则该报文将通过广播的方式向交换机所有端口转发； 同时该以太网帧的源MAC将被学习到接收到报文的端口上，即端口1； L2FDB表中MAC地址通过老化机制来更新； 在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改。图 6 二层交换机的转发流程现在我们来分析一下使用交换机构成的网络，其冲突域和广播域是怎样的？性能如何？由于以太网发生冲突是在网络的第一层，而交换机工作在网络的第二层即链路层，参见图7。图 7 二层交换机工作在链路层因此，二层交换机将网络的冲突域限制在了交换机的端口内（参见图8），也就是给网络划分成了若干个物理网段，每个端口一个物理网段，大大地减少了冲突对网络带来的影响，改善了网络的性能。图 8 交换机的冲突域和广播域然后，我们也必须要看到，交换机虽然可以有效地的限制冲突的发生，但对于广播无能为力。对于大量的交换机构成的扁平网络（参见图9）而言，广播对网络性能的影响是显而易见的。广播消耗了大量的网络带宽；网络的安全性差，任何两台主机之间都可以相互访问。图 9 由二层交换机构成的扁平网络3.2 支持VLAN的二层交换机路由器基于第3层报头、目标IP寻址作出转发决定，不能对广播进行转发。所以通过路由器可以限制广播的转发，形成更多的广播域或逻辑网段。当然，路由器可以对网络进行物理分段，方式与交换机和网桥相同。虽然，路由器能达到限制以太网广播域的作用，但其有一定的限制：1）路由器成本较高；2)路由器端口数目较少，一般不能满足二层网络的应用。为此，在二层交换机中引入了VLAN的概念。3.2.1 VLAN的概念我们知道，IEEE802.3给出了LAN/MAN参考模型（表1所示），LAN（Local Area Network）协议包括了OSI七层模型的低三层：物理层、数据链路层和网络层。其中，数据链路层又分为逻辑链路控制层(LLC)和媒体接入控制层(MAC)。表 1. LAN/MAN参考模型OSI七层模型IEEE802LAN/MAN参考模型网络层网间互联数据链路层逻辑链路控制层(LLC)媒体接入控制层(MAC)物理层物理层那么什么是VLAN呢？VLAN-Virtual Local Area Network，称为虚拟局域网，是将一组位于不同物理网段上的工作站和服务器从逻辑上划分成不同的逻辑网段，在功能和操作上与传统LAN基本相同，可以提供一定范围内终端系统的互联和传输。那么，使用VLAN能带来什么优点？(1) 限制了网络中的广播一般交换机不能过滤局域网广播报文，因此在大型交换局域网环境中造成广播量拥塞，对网络带宽造成了的极大浪费。用户不得已用路由器分割他们的网络，此时路由器的作用是广播的“防火墙”。VLAN的主要优点之一是：支持VLAN的LAN交换机可以有效地用于控制广播流量，广播流量仅仅在VLAN内被复制，而不是整个交换机，从而提供了类似路由器的广播“防火墙”功能。(2) 虚拟工作组使用VLAN的另一个目的就是建立虚拟工作站模型。当企业级的VLAN建成之后，某一部门或分支机构的职员可以在虚拟工作组模式下共享同一个“局域网”。这样绝大多数的网络都限制在VLAN广播域内部了。当部门内的某一个成员移动的另一个网络位置时，他所使用的工作站不需要做任何改动。相反，一个用户改变不用移动他的工作站就可以调整到另一个部门去，网络管理者只需要在控制台上进行简单的操作就可以了。VLAN的这种功能使人们以前曾设想过的动态网络组织结构成了为可能，并在一定程度上大大推动了交叉工作组的形成。这就引出了虚拟工作组的定义。对一个公司而言，经常会针对某一个具体的开发项目临时组建一个由各部门的技术人员组成的工作组，他们可能分别来自经营部，网络部，技术服务等。有了VLAN，小组内的成员不用再集中到一个办公室了。他们只要坐在自己的计算机旁就可以了解到其它合作者的开放情况。另外，VLAN为我们带来了巨大的灵活性。当有实际需要时，一个虚拟工作组可以应运而生。当项目结束后，虚拟工作组又可以随之消失。这样，无论是对用户还是对网络管理者来说，VLAN都是十分吸引人了。（3）安全性由于配置了VLAN后，一个VLAN的数据包不会发送到另一个VLAN，这样，其他VLAN的用户的网络上是收不到任何该VLAN的数据包，从而就确保了该VLAN的信息不会被其他VLAN的人窃听，从而实现了信息的保密（4）减少移动和改变的代价即所说的动态管理网络，也就是当一个用户从一个位置移动到另一个位置是，他的网络属性不需要重新配置，而是动态的完成，这种动态管理网络给网络管理者和使用者都带来了极大的好处，一个用户，无论他到哪里，他都能不做任何修改地接入网络，这种前景是非常美好的。当然，并不是所有的VLAN划分方法都能做到这一点。3.2.2 VLAN的划分(1) 根据端口定义许多VLAN设备制造商都利用交换机的端口来划分VLAN成员，被设定的端口都在同一个广播域中。如图10，交换机上的端口被划分成了“工程部”、“市场部”、“销售部”三个VLAN。这样可以允许VLAN内部各端口之间的通信。图 10 基于端口VLAN的划分按交换机端口来划分VLAN成员，其配置过程简单明了。因此迄今为止，这仍然是最常用的一种方式。但是，这种方式不允许多个VLAN共享一个物理网段或交换机端口，而且，如果某一个用户从一个端口所在的虚拟局域网移动到另一个端口所在的虚拟局域网，网络管理者需要重新进行配置，这对于拥有众多移动用户的网络来说是难以实现的。（2）根据MAC地址划分VLAN这种划分VLAN的方法是根据每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机都配置他属于哪个组。这种划分VLAN的方法的最大优点就是当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置，所以，可以认为这种根据MAC地址的划分方法是基于用户的VLAN，这种方法的缺点是初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户的话，配置是非常累的。而且这种划分的方法也导致了交换机执行效率的降低，因为在每一个交换机的端口都可能存在很多个VLAN组的成员，这样就无法限制广播包了。另外，对于使用笔记本电脑的用户来说，他们的网卡可能经常更换，这样，VLAN就必须不停的配置。（3） 根据网络层划分VLAN这种划分VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型(如果支持多协议)划分的，虽然这种划分方法可能是根据网络地址，比如IP地址，但它不是路由，不要与网络层的路由混淆。它虽然查看每个数据包的IP地址，但由于不是路由，所以，没有RIP，OSPF等路由协议，而是根据生成树算法进行桥交换，这种方法的优点是用户的物理位置改变了，不需要重新配置他所属的VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要，还有，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量。这种方法的缺点是效率，因为检查每一个数据包的网络层地址是很费时的(相对于前面两种方法)，一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网帧头，但要让芯片能检查IP帧头，需要更高的技术，同时也更费时。当然，这也跟各个厂商的实现方法有关。（4）IP组播作为VLANIP 组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个组播组就是一个VLAN，这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，当然这种方法不适合局域网，主要是效率不高，对于局域网的组播，有二层组播协议GMRP。（5）基于组合策略划分VLAN即上述各种VLAN划分方式的组合。应该说，目前很少采用这种VLAN划分方式。3.2.3 VLAN的标准目前已提出的VLAN标准有两种。一种是802.10 VLAN标准，Cisco公司在1995年提出，另外就是802.1Q，是IEEE执行委员会于1996年下半年才开始制定的一种VLAN互操作性标准。本文仅对802.1Q标准进行介绍。DestSrcDataLen/Etypep/Q LabelEtypeFCSVLAN-IDToken-Ring Encapsulation FlagVLAN-ID and T-REncaps Flag are.1Q, not .1pVLAN ID:0-4095662224.DestSrcFCSDataLen/Etype图 11 802.1Q VLAN帧格式802.1Q的VLAN帧格式参见图11，就是在原来以太网帧的源MAC地址之后加入了4个字节的VLAN TAG Header。其中，前两个字节Etype为固定值0x8100；后两个字节为802.1p/Q Label，即802.1P优先级和VLAN ID的定义。802.1P优先级为高3位，即优先级0-7；VLAN ID为后12位，即ID的范围为0-4095。通过设定连接交换机之间的链路为支持传送VLAN Tag Header的Trunk链路，我们就可以很容易实现前面提到的虚拟工作组功能，如图12。交换机A、B上的端口分别属于工程部、市场部、销售部，通过Trunk链路可以使得分别接在交换机A、B上的工程部用户之间进行通信；市场部、销售部的用户也是如此。图 12 Trunk链路实现虚拟工作组一般来说，目前工作站和用户终端都是不支持识别VLAN的。因此，在由VLAN构建的二层交换网络中，存在两种类型的链路： Access链路用于接入用户终端和工作站 连接Access链路的交换机端口称为Access端口 帧在Access链路上转发不带VLAN Tag 交换机Access端口接收到以太网帧后，按照端口所在VLAN加上VLAN Tag，然后进行转发 帧从Access端口发送出去，帧中的VLAN Tag会被去掉 Trunk链路用于交换机之间级联，允许不同设备间相同VLAN内用户通信。 连接Trunk链路的交换机端口称为Trunk端口 帧在Trunk链路上转发带VLAN Tag，因此允许多个VLAN的帧在Trunk链路上转发 交换机Trunk端口接收到以太网帧后，需要判断该Trunk端口是否允许帧中VLAN ID对应的VLAN通过。若允许，则进行转发；否则要直接丢弃该帧 帧从Trunk端口发送出去，VLAN Tag一般不会被去掉3.2.4 支持VLAN交换机的转发流程支持VLAN交换机转发流程与普通交换机转发流程最大的区别在于：报文在支持VLAN交换机内转发时都是带着VLAN Tag进行的。也就是说，转发过程中要根据MAC地址查找出端口外，还需要判断VLAN ID的信息。因此，支持VLAN交换机交换引擎与一般交换机有所不同，如下图所示。图 13 支持VLAN交换机交换引擎VLAN交换机的转发流程和ASIC 选择的MAC地址学习方式有紧密的联系。目前，支持VLAN的交换机有两种地址学习方式，分别为IVL（Independent VLAN Learning）和SVL（Shared VLAN Learning）。两种方式的区别如下，参见图14：MAC1 VLAN1 PORT1MAC2 VLAN1 PORT2MAC2 VLAN2 PORT3MAC3 VLAN3 PORT3MAC1 VLAN1 PORT1MAC2 VLAN2 PORT2MAC3 VLAN3 PORT3IVLSVL图 14 IVL和SVL地址学习方式 在IVL方式下： 每个VLAN都有自己的对应的MAC地址表（抽象的概念并不是物理的），相互之间没有影响。一个MAC地址可以被学习到不同的VLAN中，因此对一个用户来说如果属于多个VLAN，那么每个VLAN内的信息都需要重新学习。 而SVL方式下，一个地址表项对所有的VLAN都通用，表中的MAC用户不能有重复。下面分别介绍两种地址学习方式下的转发流程。 IVL地址学习方式（参见图15）1）根据帧内Tag Header的VLAN ID查找L2FDB表，确定查找的范围；2）根据目的MAC查找出端口，图中应该从端口2转发出去；如果在L2FDB表中查找不到该目的MAC，则该报文将通过广播的方式在该VLAN内所有端口转发；同时该以太网帧的源MAC将被学习到接收到报文的端口上，即端口1（VLAN 2）；L2FDB表中的MAC地址通过老化机制更新；3） 在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改。图 15 IVL地址学习方式转发流程 SVL地址学习方式（参见图16）1）根据帧的目的MAC查MAC转发表(即L2FDB)，查找相应的出端口。根据现有L2FDB表，报文应该从端口2发送出去；2）判断出端口的VLAN ID和报文Tag Header内的VLAN ID是否匹配，匹配则转发，不匹配则丢弃；3）如果在L2FDB表中查找不到该目的MAC，则判断出端口的VLAN ID和报文Tag Header内的VLAN ID是否匹配，不匹配直接丢弃；匹配则在该VLAN内广播；4）L2FDB表中MAC地址通过老化机制来更新；5）在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改图 16 SVL地址学习方式转发流程前文已经提到VLAN的优点之一就是限制了广播，下图就能很好地说明这个问题。从图中，可以很清楚地看到，广播报文被限制了每个VLAN内，大大地降低了广播对以太网带宽的消耗。图 17 支持VLAN交换机冲突域和广播域4 三层交换机基本原理4.1 三层交换机的提出传统的网络界有一个规则，即局域网内的业务流类型遵循“80/20规则”：80/20 流量模式指用户数据流量的80% 在本地网段，只有20%的数据流量通过路由器进入其它网段。采用80/20规则的网络，用户的网络资源都在同一个网段内。这些资源包括网络服务器、打印机、共享目录和文件等。因此在这种网络内，路由器完全可以胜任且其构建网络的成本完全可以被用户接受。但是，随着INTERNET/INTARNET应用的兴起和服务器集群的出现，使得传统的80/20流量模式发生了转变。网络中大部分数据流经主干，逻辑子网内部数据流量不大，用户经常需要访问本子网以外的资源，“80/20规则”对于多数企业网络已经不适用了。因此，现在局域网中的业务流有两个突出的特点，一是总的业务流在增加；二是子网络间的业务流在增加。为了解释这一概念，假设网络业务流的总量不变，且网络业务流比例由80/20变为20/80。这意味着需要在子网间进行路由的业务流增加到过去的4倍。这是否意味着网络中需要4倍的路由器呢？答案是否定的，实际上需要比4倍更多的路由器。因为当路由器数量增加时，路由器之间的联系与合作占路由器全部工作的比重就会增加。所以：随着子网络间业务流的增加，路由能力也相应地需要增加。举例来说，假设路由能力增加4倍需要6倍的路由器。现在如果业务流类型改变的同时业务流的总量翻了一番，那么网络中所需的路由器总数为原来的12倍。如果按照传统的路由产品的成本进行计算，这对于大多数用户来说无疑都是一个难以接受的预算。所以：局域网内子网络间业务流的适度增加伴随着总业务流的适度增加，都将使得采用传统的路由器来满足路由功能的需求在经济上不大可行。总结一下，三层交换技术和交换机的提出主要基于以下原因： 二层交换技术极大的提升了以太网的性能，但仍然不能完全满足局域网的需要； 为了将广播和本地流量限制在一定的范围内，交换式以太网采取划分逻辑子网（VLAN）的方式； VLAN间的互通传统上需要由路由器来完成，但路由器配置复杂，造价昂贵，而且转发速度容易成为网络的瓶颈； 新20/80规则的兴起，80%的流量需要跨越VLAN，路由器不堪重负；4.2 三层交换机基本特征应该说，三层交换机与传统路由器具有相同的功能： 根据IP地址进行选路 进行三层的校验和 使用生存时间（TTL） 对路由表进行更新和维护二者最大的区别在于三层交换采用ASIC硬件进行包转发，而传统路由器采用CPU进行包转发。所以，相比于传统路由器三层交换具有以下优点： 基于硬件的包转发，转发效率高 低时延 低花费4.3 三层交换机的功能模型为了便于大家对三层交换机有一个感性的了解，我们以下图来说明。图 18 三层交换机功能模型图中，右边是一个三层交换机，其实现的功能等同于左边一个VLAN二层交换机和路由器组成的网络。也就是说，三层交换机把支持VLAN的二层交换机和路由器的功能集成在一起了，既有二层交换功能，也有三层路由功能。因此，三层交换机也称为路由交换机。一般来说，三层交换机的功能分别通过二层VLAN转发引擎和三层转发引擎两个部分来实现：二层VLAN引擎与支持VLAN的二层交换机的二层转发引擎是相同的，是用硬件支持多个VLAN的二层转发；三层转发引擎使用硬件ASIC技术实现高速的IP转发。三层交换机对应到IP网络模型中，每个VLAN对应一个IP网段，三层交换机中的三层转发引擎在各个网段（VLAN）间转发报文，实现VLAN之间的互通，因此三层交换机的路由功能通常叫做VLAN间路由（Inter-VLAN Routing）对应于二层交换引擎，三层交换机的如下图所示：图 19 三层交换引擎在二层上，VLAN之间是隔离的，VLAN内主机可以互通，这一点跟二层交换机中的交换引擎的功能一模一样。一般来说，三层交换机的每个VLAN对应一个网段，不同的IP网段之间的访问要跨越VLAN，要使用三层交换引擎提供的VLAN间路由功能（相当于路由器）。 在使用二层交换机和路由器的组网中，每个需要与其它IP网段（VLAN）通信的IP网段（VLAN）都需要使用一个路由器接口做网关。三层交换机的应用也同样符合IP的组网模型，三层转发引擎就相当于传统组网中的路由器的功能，当需要与其他VLAN通信的时候也要为之在三层交换引擎上分配一个路由接口，用来做VLAN内主机的网关。三层交换机上的这个路由接口是通过配置转发芯片来实现的，与路由器的接口不同，这个接口不是直观可见的。给VLAN指定路由接口的操作，实际上就是为VLAN指定一个IP地址、子网掩码和MAC地址，MAC地址是由设备制造过程中分配的，在配置过程中由交换机自动配置。4.4 三层交换机转发流程4.4.1 IP网络规则我们多次提到二层交换、三层路由，那么究竟什么时候选择二层交换、什么时候选择三层路由呢？这就涉及到IP网络通信的基本规则。每个网络主机、工作站或者服务器都有自己的IP地址和子网掩码。当主机与服务器进行通信的时候，根据自身的IP地址和子网掩码、以及服务器的IP地址，来确定服务器是否和自己处于相同的网段： 如果判定在相同网段内，则直接通过地址解析协议（ARP）查找对方的MAC地址，然后把对方的MAC地址填入以太网帧头的目的MAC地址域，将报文发送出去，通过二层交换实现通信； 如果判定在不同的网段内，则主机就会自动借助网关来进行通信。主机首先通过ARP来查找设定的网关的MAC地址，然后把网关的MAC地址（而不是对方主机的MAC地址，因为主机认为通信对端不是本地主机）填入以太网帧头的目的MAC地址域，将报文发送给网关，通过三层路由实现通信。4.4.2 三层转发流程对于网络设备而言（如三层交换机），接收到一个报文后选择二层转发还是三层转发，判断的依据主要是：报文的目的MAC地址。如果该目的MAC地址和设备内某个VLAN指定的路由接口MAC地址相同，则进行三层转发，否则在VLAN内部进行二层转发。当然，严格地说，设备对报文的目的IP也需要进行判断，因为报文有可能是直接发送给该VLAN接口的。下面我们来具体看一下三层交换机的转发流程，以下图为例。图 20 三层转发流程交换机上划分了两个VLAN，在VLAN 1、VLAN 2上配置了路由接口用来实现VLAN 1 和VLAN 2之间的互通。A、B的网关是VLAN 1虚接口地址，C的网关是VLAN 2虚接口地址。 二层交换过程（以A向B发起ping请求为例）：A检查报文的目的IP地址，发现和自己在同一个网段；A-B ARP请求报文，该报文在VLAN 1内广播；B-A ARP回应报文；A-B ICMP request;B-A ICMP reply。 三层转发过程（以A向C发起ping请求为例）：A检查要通信C的目的IP地址，发现和自己不在同一个网段，因此要借助于A的网关来和C通信；A向交换机的VLAN 1虚接口发送ARP请求报文，请求A的网关MAC地址（即VLAN1该报文在VLAN1 内广播；网关向A回应ARP应答报文；A向交换机发送ICMP request（目的MAC是VLAN 1虚接口的MAC，源MAC是A的MAC，目的IP是C的IP，源IP是A的IP）；交换机收到报文后根据目的MAC判断出是三层的报文。检查报文的目的IP地址，发现是在自己的直连网段（VLAN 2虚接口所在网段）；交换机通过VLAN虚接口向C发送ARP请求报文，请求C的目的MAC，该报文在VLAN2 内广播；C向交换机发送ARP回应报文；交换机通过VLAN 2虚接口向C转发ICMP request （目的MAC是C的MAC，源MAC是VLAN 2虚接口的MAC，目的IP是C的IP，源IP是A的IP）报文。同步骤4相比，报文的MAC头进行了重新