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一文搞懂交换基础知识( 五 )

交换基础知识


（5） L3_SW1将PC A发出的ICMP请求报文转发给L3_SW2，报文的目的MAC修改为L3_SW2的MAC（MAC S2），源MAC修改为自己的MAC（MAC S1） 。同时，将刚刚用到的转发信息添加到交换芯片的三层转发表中去，包括匹配的网段2.1.1.0/24、下一跳地址的MAC（MAC S2）、出口VLAN、出端口 。这样，后续发往2.1.1.2的报文就可以直接通过交换芯片硬件转发了；
（6） L3_SW2收到报文后，与组网1中的处理类似，经过查MAC表=>查三层转发表=>送CPU=>匹配直连路由=>ARP解析=>转发报文同时添加硬件表项的过程，将报文转发给PC B，此时报文的目的MAC修改为PC B的MAC（MAC B），源MAC修改为L3_SW2的MAC（MAC S2） 。这样后续发往2.1.1.2的报文就直接由交换芯片硬件转发了；
（7） PC B收到来自PC A的ICMP请求报文后进行ICMP应答 。由于在ICMP请求报文转发的过程中，每个网段的两端节点都已经通过ARP解析得到了对方的IP和MAC对应关系，因此应答报文的转发完全由交换芯片完成（查MAC表=>查三层转发表=>发送）；
（8） 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 。
 
从上述两种组网情况下的转发流程可以看出，三层交换机的转发具有以下特点：
（1） 首包通过CPU转发，同时建立交换芯片硬件表项；后续包由交换芯片直接硬件转发，即常说的“一次路由、多次交换”；
（2） 交换芯片的硬件转发并不关心路由的具体下一跳IP地址是多少，硬件三层表项中只包含了目的地址（或网段）、目的IP（或下一跳IP）对应的MAC、出口VLAN、出端口；（这里说明一下，并不是所有的三层交换机的硬件三层表项都会包含“出端口”的，这一点后面会有具体介绍 。）
（3） IP报文每经过一次三层转发，它的源、目的MAC都会变化，但是源、目的IP是始终不变的 。
3.3 三层交换的其他一些技术细节在三层交换转发中，交换芯片（ASIC）起到了至关重要的作用，因此三层交换机的性能和转发特点主要取决于交换芯片的实现机制 。在4.2节中讲解的三层交换原理只是一个大致的转发流程，对于使用了不同交换芯片的三层交换机，其硬件转发过程中的一些细节内容是有所区别的 。本节主要就硬件三层表项的结构和查表方式介绍几种不同的实现 。
3.3.1 三层表项的精确匹配和最长匹配从前面的描述可以看出，三层转发是必然需要路由信息的，而转发过程中的路由选择决定了报文的最终出口如何，三层交换机只是将这种路由功能整合到交换芯片中去了 。路由选择存在精确匹配和最长匹配两种方式，精确匹配即目的IP地址与路由的地址信息必须完全吻合，而最长匹配则是选择所有包含了目的地址的路由中掩码最长的一条 。
早期的三层交换机上，其交换芯片多采用精确匹配的方式，它们的硬件三层表项中只包含具体的目的IP地址，并不带掩码信息 。比如在转发目的IP为2.1.1.2的报文时，通过软件查找匹配了非直连路由2.1.1.0/24，那么就将2.1.1.2的转发信息添加到交换芯片中去，如果继续来了目的IP为2.1.1.3的报文需要转发，则要重新进行软件查找，并在交换芯片中为2.1.1.3增加新的表项 。这样的选路方式和表项结构对交换芯片的硬件资源要求很高，因为芯片中集成的表项存储空间是很有限的，如果要转发大量目的IP地址不同的报文那么就需要添加大量的硬件表项 。曾经泛滥一时的冲击波病毒，就导致了当时大量的只支持精确匹配的三层交换机资源耗尽 。因为冲击波病毒的手段之一就是发送巨大数量的网段扫描报文，而多数三层交换机上都配置了缺省路由，这样所有的报文在CPU软件查找时都能够找到匹配路由，进而针对每一个病毒报文的目的IP都需要新增硬件表项并迅速将硬件资源占满 。这样，大部分用户的正常数据流由于转发资源耗尽而得不到高速处理了 。
由于精确匹配方式的三层交换机的这种缺陷，后期的三层交换机增加了对最长匹配方式的支持，即硬件三层表项中可同时包含IP地址和掩码，在查找时遵循最长匹配原则 。这种类型的三层交换机，一般在软件路由表建立时就将路由信息添加到硬件三层表中去，包括直连路由和非直连路由 。对于直连路由，对应的硬件三层表项的“to CPU”标志位始终置1，报文的目的IP匹配这样的表项以后被送往CPU处理，CPU软件会在直连网段发送ARP请求，并将获取的ARP信息作为主机路由添加到硬件表项中（对应的“to CPU”标志位置0），这样后续的同样目的IP的报文就直接通过新添的硬件表项转发了；对于非直连路由，当下一跳地址的对应ARP信息还未获得时，对应的硬件三层表项的“to CPU”标志位置1，报文的目的IP匹配这样的表项以后被送往CPU处理，CPU软件会在下一跳地址对应的直连网段发送ARP请求，并使用获取的ARP信息中的下一跳MAC、出口VLAN等信息更新对应的硬件三层表项，然后将其“to CPU”标志位置0，这样后续的目的IP匹配该非直连路由的报文就能够直接通过修改后的硬件表项转发了 。


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