以太網(wǎng)交換技術(shù)講解

導(dǎo)讀

當(dāng)前園區(qū)網(wǎng)大多使用交換機(jī)組網(wǎng)，使用交換機(jī)組建的網(wǎng)絡(luò)管理非常靈活，可以根據(jù)同一部門或者具有相同管理要求的需要創(chuàng)建虛擬局域網(wǎng)（Vlan）。那么園區(qū)內(nèi)的交換機(jī)是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)包交換的？不同部門之間是如何進(jìn)行隔離的？今天這篇文章，將通過對以太網(wǎng)幀、MAC地址、Vlan等的介紹來講解以太網(wǎng)交換技術(shù)。

作者：李培杰

單位：中國移動智慧家庭運(yùn)營中心

Part 01 ●以太網(wǎng)基礎(chǔ)●

1.1MAC地址

MAC地址又稱為物理地址，是制造商為網(wǎng)卡分配的地址，MAC地址是唯一的，如同我們每個人都有一個身份證號碼來標(biāo)識自己一樣，網(wǎng)卡就用MAC地址來標(biāo)識自己。一個MAC地址有48位，一般采用十六進(jìn)制數(shù)的方式來表示。如圖為MAC地址的表示方式：

圖1 MAC地址

1.2 以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)技術(shù)所使用的幀稱為以太網(wǎng)幀，簡稱以太幀，以太幀一般使用Ethernet Ⅱ格式，下圖為Ethernet Ⅱ格式的以太幀：

圖2 EthernetⅡ以太幀

（1）目標(biāo)MAC地址：該字段表示的是幀的接收者，可以是一個單播地址，也可以是組播或者廣播地址。

（2）源MAC地址：該字段表示的是該幀的發(fā)送者。源MAC地址只能是一個單播MAC地址。

（3）類型：表示載荷數(shù)據(jù)的類型，該字段2字節(jié)。若是是一個IPv4包，則為是0x0800。

（4）載荷數(shù)據(jù)：表示數(shù)據(jù)幀的有效載荷，它的長度可變。

（5）CRC字段：循環(huán)冗余校驗(yàn)，它是用來對幀進(jìn)行檢錯校驗(yàn)的。

Part 02 ●以太網(wǎng)交換機(jī)●

2.1交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)操作

交換機(jī)有一張MAC地址表，交換機(jī)會基于此表進(jìn)行幀的轉(zhuǎn)發(fā)。交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)操作一般有三種：轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄、泛洪。轉(zhuǎn)發(fā)即為收到幀之后，從另一個接口轉(zhuǎn)發(fā)出去；丟棄即為收到幀之后將其丟棄，不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；泛洪是指將從某一接口收到的幀通過其他所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。下圖為交換機(jī)的三種轉(zhuǎn)發(fā)方式示意圖：

圖3 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)操作

圖4 交換機(jī)泛洪操作

圖5 交換機(jī)丟棄操作

2.2 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)流程

前面已經(jīng)介紹，交換機(jī)是基于MAC地址表進(jìn)行幀轉(zhuǎn)發(fā)的，而一開始交換機(jī)的MAC地址表是空的，交換機(jī)能夠通過收到的幀的源MAC地址自動構(gòu)建MAC地址表。如圖所示，PC1給PC2發(fā)送一個幀x，當(dāng)幀到達(dá)交換機(jī)的時候，交換機(jī)就會在MAC地址表中添加源MAC地址和對應(yīng)接口的映射條目。交換機(jī)會在MAC地址表中查找該幀的目的MAC對應(yīng)的接口，假如在MAC地址表中查找到了就會進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，假如沒有找到，交換機(jī)就會將此幀x進(jìn)行泛洪。其中PC3收到此幀時會將其丟棄。PC2收到此幀之后就會回應(yīng)一個源MAC為PC2 MAC地址，目的地址為PC1 MAC地址的幀y，交換機(jī)收到之后，就會查詢MAC地址表，此時，會查到MAC對應(yīng)的接口，然后從此接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。同時會在MAC地址表中添加PC2 MAC地址和對應(yīng)接口的映射條目。

圖6 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)流程

Part 03 ●Vlan●

3.1什么是Vlan

一臺交換機(jī)就是一個廣播域，整臺交換機(jī)的所有端口均屬于同一個廣播域。通常一個廣播域就是一個邏輯子網(wǎng)。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)中有多個交換機(jī)的時候，網(wǎng)絡(luò)會變得特別大，此時，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有可能被大量的廣播損耗資源，而且也無法根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活的規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。虛擬局域網(wǎng)（Vlan）可以解決上述問題。通過將交換機(jī)的端口劃入特定的Vlan，可以起到隔離廣播域的作用。不同的Vlan是不同的廣播域，就算兩個Vlan之間的PC的IP地址在同一網(wǎng)段也無法進(jìn)行通信。不同的Vlan之間無法進(jìn)行二層互訪?？筛鶕?jù)業(yè)務(wù)需求靈活的進(jìn)行Vlan的規(guī)劃。如圖所示，PC1、PC2、PC3屬于Vlan 1，PC4、PC5、PC6屬于Vlan 2，當(dāng)PC1發(fā)送一幀x的時候，交換機(jī)剛開始MAC地址表查不到進(jìn)行泛洪，此時，只有同一Vlan的PC2、PC3才能收到此幀，PC4發(fā)送的幀y同理。

圖7 交換機(jī)上不同Vlan通信過程

3.2 Vlan的劃分方式

在一個支持Vlan的網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)發(fā)出的幀是不帶tag的幀，當(dāng)這個幀到達(dá)交換機(jī)的時候，交換機(jī)就會根據(jù)劃分方式將其劃分到某個Vlan中，一般主要有以下四種劃分方式：

基于接口劃分的Vlan：將Vlan id映射到交換機(jī)的物理接口上，pc發(fā)送的數(shù)據(jù)幀都是沒有tag的，都會被劃分到該接口的vlan id 所表明的Vlan。

基于MAC地址的Vlan：通過查詢并記錄端口所連PC上網(wǎng)卡的MAC地址來決定數(shù)據(jù)幀屬于哪個Vlan。

基于子網(wǎng)的Vlan：通過所連計(jì)算機(jī)的IP地址，來決定端口所屬Vlan的。

基于用戶的Vlan：根據(jù)交換機(jī)各端口所連的計(jì)算機(jī)上當(dāng)前登錄的用戶，來決定該端口屬于哪個Vlan。

3.3 交換機(jī)的接口類型

普通交換機(jī)的二層接口一般分為以下三種類型：access、trunk、hybird。一般常用的為access接口和trunk接口，下面通過對Vlan tag的處理過程分別來介紹這access和trunk端口類型：

(1)Access：通常用于直連終端，常用于連接PC、服務(wù)器或其他終端，交換機(jī)連路由器一般也用Access。Access接口只能加入一個Vlan，一旦加入特定的Vlan后，該接口所連接的設(shè)備也就加入了該Vlan。缺省的話默認(rèn)加入Vlan 1。Access接口收數(shù)據(jù)時如果收的是untag數(shù)據(jù)，會打上此接口的vlan id進(jìn)行接收，如果是tag數(shù)據(jù)，比較tag數(shù)據(jù)vlan id與此接口vlan id是否一致，一致則接收，否則丟棄。發(fā)數(shù)據(jù)時首先比較待發(fā)數(shù)據(jù)的vlan id ，如果和此接口vlan id一致，則剝離標(biāo)簽，并以untag形式發(fā)送；如果和此接口vlan id不一致，則不發(fā)。如下圖所示：A、B、C、D屬于Vlan 1, E、F、H、G屬于Vlan 2。計(jì)算機(jī)A 給 D 發(fā)送一個幀，進(jìn)入交換機(jī)接口加上Vlan 1標(biāo)記，從接口出去，去掉Vlan 1標(biāo)記。計(jì)算機(jī)發(fā)送和接收的幀不帶 Vlan標(biāo)記。

圖8 交換機(jī)access接口收發(fā)數(shù)據(jù)過程圖

(2)trunk：當(dāng)一條鏈路，需要承載多Vlan信息的時候，需要使用trunk來實(shí)現(xiàn)。trunk一般用于交換機(jī)之間或者交換機(jī)和防火墻之間。trunk端口可以屬于多個Vlan。trunk接口在收數(shù)據(jù)時如果收的是untag數(shù)據(jù)，會打上此接口的vlan id進(jìn)行接收，如果是tag數(shù)據(jù)，首先查看接口的列表是否存在此vlan id，如果存在，則接收，否則丟棄。發(fā)數(shù)據(jù)時首先查看接口的列表，如果待發(fā)數(shù)據(jù)的vlan id在此列表中，則允許發(fā)送，否則不會從此接口發(fā)送。其次如果數(shù)據(jù)允許發(fā)送，則比較此待發(fā)數(shù)據(jù)的tag是否和此接口vlan id是否一致，一致則發(fā)untag數(shù)據(jù)，否則發(fā)tag數(shù)據(jù)。如下圖所示：A、B、C、D屬于Vlan 1，E、F、H、G屬于Vlan 2，它們分別連在兩個交換機(jī)上。計(jì)算機(jī)C給D 發(fā)送一個幀，進(jìn)入交換機(jī)接口加上Vlan 1標(biāo)記，從trunk接口出去的時候仍然帶有Vlan tag。

圖9 交換機(jī)trunk接口收發(fā)數(shù)據(jù)過程圖

Part 04 ● 總結(jié)●

綜上所述，二層交換機(jī)主要通過MAC地址進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，使用交換機(jī)搭建組網(wǎng)管理非常靈活，而且可以增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，通過使用Vlan技術(shù)來隔離廣播域可以減少大量廣播帶來的資源損耗，過濾一部分不需要轉(zhuǎn)發(fā)的報文。

審核編輯：湯梓紅