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一文搞懂交换基础知识( 四 )

交换基础知识


（1） 根据前面的描述，PC A首先检查出目的IP地址2.1.1.2（PC B）与自己不在同一网段，因此它发出请求网关地址1.1.1.1对应MAC的ARP请求；
（2） L3_SW收到PC A的ARP请求后，检查请求报文发现被请求IP是自己的三层接口IP，因此发送ARP应答并将自己的三层接口MAC（MAC S）包含在其中 。同时它还会把PC A的IP地址与MAC地址对应（1.1.1.2<==>MAC A）关系记录到自己的ARP表项中去（因为ARP请求报文中包含了发送者的IP和MAC）；
（3） PC A得到网关（L3_SW）的ARP应答后，组装ICMP请求报文并发送，报文的目的MAC＝MAC S、源MAC＝MAC A、源IP＝1.1.1.2、目的IP＝2.1.1.2；
（4） L3_SW收到报文后，首先根据报文的源MAC+VID（即VLAN ID）更新MAC地址表 。然后，根据报文的目的MAC＋VID查找MAC地址表，发现匹配了自己三层接口MAC的表项 。这里说明一下，三层交换机为VLAN配置三层接口IP后，会在交换芯片的MAC地址表中添加三层接口MAC＋VID的表项，并且为表项的三层转发标志置位 。当报文的目的MAC匹配这样的表项以后，说明需要作三层转发，于是继续查找交换芯片的三层表项；
（5） 交换芯片根据报文的目的IP去查找其三层表项，由于之前未建立任何表项，因此查找失败，于是将报文送到CPU去进行软件处理；
（6） CPU根据报文的目的IP去查找其软件路由表，发现匹配了一个直连网段（PC B对应的网段），于是继续查找其软件ARP表，仍然查找失败 。然后L3_SW会在目的网段对应的VLAN 3的所有端口发送请求地址2.1.1.2对应MAC的ARP请求；
（7） PC B收到L3_SW发送的ARP请求后，检查发现被请求IP是自己的IP，因此发送ARP应答并将自己的MAC（MAC B）包含在其中 。同时，将L3_SW的IP与MAC的对应关系（2.1.1.1<==>MAC S）记录到自己的ARP表中去；
（8） L3_SW收到PC B的ARP应答后，将其IP和MAC对应关系（2.1.1.2<==>MAC B）记录到自己的ARP表中去，并将PC A的ICMP请求报文发送给PC B，报文的目的MAC修改为PC B的MAC（MAC B），源MAC修改为自己的MAC（MAC S） 。同时，在交换芯片的三层表项中根据刚得到的三层转发信息添加表项（内容包括IP、MAC、出口VLAN、出端口），这样后续的PC A发往PC B的报文就可以通过该硬件三层表项直接转发了；
（9） PC B收到L3_SW转发过来的ICMP请求报文以后，回应ICMP应答给PC A 。ICMP应答报文的转发过程与前面类似，只是由于L3_SW在之前已经得到PC A的IP和MAC对应关系了，也同时在交换芯片中添加了相关三层表项，因此这个报文直接由交换芯片硬件转发给PC A；
（10） 这样，后续的往返报文都经过查MAC表=>查三层转发表的过程由交换芯片直接进行硬件转发了 。
从上述流程可以看出，三层交换机正是充分利用了“一次路由（首包CPU转发并建立三层硬件表项）、多次交换（后续包芯片硬件转发）”的原理实现了转发性能与三层交换的完美统一 。
下面介绍另一种组网情况的三层转发流程，如图13所示 。
 

一文搞懂交换基础知识

文章插图
三层转发组网2
上图中标明了两台主机的MAC、IP地址、网关，以及两台三层交换机的MAC、不同VLAN配置的三层接口IP 。假设L3_SW1上配置了静态路由：ip route 2.1.1.0 255.255.255.0 3.1.1.2；L3_SW2上配置了静态路由：ip route 1.1.1.0 255.255.255.0 3.1.1.1 。当然，路由信息也可以通过动态路由协议的交互来获得，有关路由的知识请查阅相关文档 。
这种组网情况下的转发过程与图12的组网1情况是类似的，下面的流程讲解中将省略部分前面已经分析过的细节内容 。当PC A 向 PC B 发起ICMP请求时，流程如下：（假设三层交换机上还未建立任何硬件转发表项）
（1） PC A首先检查出目的IP地址2.1.1.2（PC B）与自己不在同一网段，因此它通过ARP解析得到网关地址1.1.1.1对应的MAC（MAC S1） 。然后，PC A组装ICMP请求报文并发送，报文的目的MAC＝MAC S1、源MAC＝MAC A、源IP＝1.1.1.2、目的IP＝2.1.1.2；
（2） L3_SW1收到报文后，首先根据报文的源MAC+VID更新MAC地址表 。然后，根据报文的目的MAC＋VID查找MAC地址表，发现匹配了自己三层接口MAC的表项，于是继续查找芯片的三层转发表；
（3） 由于之前未建立任何表项，因此三层转发表查找失败，于是将报文送到CPU去进行软件处理；
（4） CPU根据报文的目的IP去查找其软件路由表，发现匹配路由2.1.1.0/24，其下一跳IP地址为3.1.1.2，于是继续查找3.1.1.2是否有对应的ARP，仍然查找失败 。然后L3_SW1在下一跳地址3.1.1.2对应的VLAN 4内发起ARP请求，并得到L3_SW2的回应，从而得到IP和MAC对应关系（3.1.1.2<==>MAC S2）；


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