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【NE探秘】一个报文的路由器之旅-(9) 二层桥接转发流程

TCP/IP
2022-10-13
1984
更新：2022-10-14 09:30:15

# **二层桥接转发基础**

二层桥接转发基础.

## **什么是二层桥接转发？**

二层所指的是数据链路层。二层桥接转发，是指数据帧在数据链路层是怎样被转发的。
数据链路层有很多不同的网络类型，Token ring（令牌环网）、Ethernet、FDDI（光纤网络）等等，其中用得最广泛的就是以太网Ethernet，本帖要介绍的是以太网的转发原理。

以太网是根据二层帧头信息，切确的说是根据MAC地址，进行转发的。MAC地址对于二层转发而言，是相当的重要。

## MAC地址简介

MAC地址是48bit二进制的地址，如：00-e0-fc-00-00-06，MAC地址是全球唯一的，由IEEE统一管理和分配。MAC地址可以分为单播地址、多播地址和广播地址：

# **二层桥接单播转发过程**

下图是个最简单的二层桥接转发场景，某局域网的主机PC-A发送报文给主机PC-B，中间经过一台二层交换机的交换。由主机PC-A向主机PC-B发送以太帧，那么该以太帧的目的MAC地址就是MAC2，源MAC就是MAC1。

二层交换机转发过程：交换机收到这个以太帧，解析发现其目的MAC为MAC2，查MAC表，发现对应的出端口为Port2，于是将这个以太帧从Port2发送出去。这样，PC-B就收到了这个以太帧。

# 二层桥接广播帧转发过程
如果上图中，PC-A初始的时候并不知道PC-B的MAC，怎么办呢？这时，PC-A会发ARP请求，这个ARP请求的目的MAC为广播地址，源MAC为自己的MAC，交换机收到这个广播帧，会发给除了Port1以外的所有端口。这样，局域网内所有主机都能收到这个广播帧。

PC-B发现请求的是咨询自己MAC，于是返回ARP响应报文，交换机对ARP响应报文进行单播转发给PC-A。

## **MAC地址学习机制**

上图中，二层交换机上的MAC地址表是MAC地址和端口的映射表，那么这个映射表是怎么得到的呢？上一贴“一个报文的路由器之旅-(8)“中介绍过，路由器通过ARP机制学习到IP和MAC的映射关系，那么，MAC表是怎么得到的呢？

**下面举个例子说明MAC地址的学习过程：**

仍然以上图为例，当二层交换机刚上电启动时，其MAC地址表是空的。假设此时PC-A要发数据给PC-B，当交换机收到PC-A发给PC-B的数据帧时：

1、交换机首先是读取该数据帧的源MAC地址，并且映射该地址和收到数据帧的端口，加入到MAC地址表。

2、接着，交换机读取数据帧中的目的MAC地址，并且在MAC地址表中查询该MAC地址对应的端口，因为此时交换机的MAC表还没有PC-B的MAC，所以交换机会向所有的端口“洪泛”该数据帧，这样PC-B就能收到这个数据帧了。

上面是交换机学习PC-A的MAC地址的过程。按此方法，当PC-B、PC-C、PC-D都向交换机发送了数据帧后，交换机就学到了所有端口所连接的设备的MAC地址。

## MAC地址表的老化机制
假设上图的PC-D被搬走，或者交换机连接PC-D和链接PC-C的端口互换了如果不及时更正过来，交换机可能会把数据帧发错地方怎么办呢？交换机的处理方式是：对每条MAC地址都设置一个计时器，如果一台主机在指定的老化时间之内没有发送数据帧到交换机，交换机就会认为它超时，把它的MAC地址从MAC地址表中清除，下次它要发数据帧，交换机再重新学习MAC。

## VLAN基础

上面过程中可知，交换机对广播帧、未知单播都进行广播泛洪，这样，局域网内就存在很多广播帧，消耗很多链路资源，还会占用主机处理广播帧的时间。实际上，广播帧是经常出现的，比如上面的未知单播的泛洪、还有ARP请求；此外，还有DHCP、RIP协议也会频繁发送广播帧。

为了减少广播帧，VLAN（Virtual Area Network，虚拟局域网）诞生了。VLAN将一个局域网在逻辑上划分成多个广播域，所有同一个VLAN的主机可以互相通信。那么VLAN是如何实现广播隔离的呢？

首先，交换机每个端口都指定了所属VLAN。交换机和交换机之间的接口可以属于多个VLAN。如下图，交换机收到VLAN10的PC-A发的广播帧，只转发给含有VLAN10的接口，这样，同一个VLAN的广播帧只有VLAN的成员才能收到，不会传输到其他VLAN中去。

### VLAN内如何实现互通？

由于交换机端口配了所属VLAN，交换机的每条转发表项指示了所属VLAN。

交换机收到报文时，根据入接口给报文加上对应VLAN，并根据VLAN和目的MAC转发。打上VLAN的以太帧格式如下：

对端交换机收到报文后，剥除其携带的VLAN，并根据VLAN和目的MAC转发。

> 注意：VLAN间是无法直接互通的，除非通过路由器中转。

上述例子中，有的交换机端口只允许一个VLAN通过，有的允许多个VLAN通过。它们的处理有什么区别吗？

实际上，VLAN端口可分为三类型：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">Hybrid端口：可以属于多个VLAN，允许接收和发送多个VLAN的报文。可以用于网络设备之间互联，也可以用于连接不支持802.1Q封装的设备。
</span>

**报文处理机制**

为了快速高效的处理，交换机内部，报文都是带VLAN转发的，而且，交换机在处理VLAN报文时，在报文入方向和出方向是分别处理的，不同类型的接口处理方式各不相同，而且不同设备处理方式也会不同。在华为高端路由器上的处理方式如下表所示：

|            | 入方向                                                       | 出方向                                             |                                                              |
| ---------- | ------------------------------------------------------------ | -------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------ |
| 端口类型   | 收到不带VLAN的报文                                           | 收到带VLAN的报文                                   | 发送报文的方式                                               |
| Access端口 | 接收并打上缺省VLAN后转发                                     | 报文带的VLAN与端口缺省VLAN相等，则转发，否则丢弃。 | 剥离VLAN后发送。                                             |
| Trunk端口  | 丢弃该报文                                                   | 报文带的VLAN在允许的VLAN列表中则转发；否则丢弃。   | 直接发送报文。                                               |
| Hybrid端口 | 接收并打上缺省VLAN，如果缺省VLAN在允许的VLAN列表中则转发；否则丢弃。 | 报文带的VLAN在允许的VLAN列表中则转发；否则丢弃。   | 报文带的VLAN与端口缺省VLAN相等，则剥离VLAN后转发，否则直接转发。 |

# 二层破环技术――生成树协议

以太网络环形组网是一种常见的组网方式，如下图所示。然而这样组网有环路，容易造成广播风暴。

广播风暴如何产生的？举个例子，假设A要与D通讯，但A不知道D的MAC地址，于是发ARP请求。由于ARP请求是MAC广播帧，SW1收到该广播帧，进行泛洪；接着，SW3和SW2也都收到了该广播帧，也进行泛洪，于是SW1和SW2收到了SW3泛洪的广播帧，同时SW1和SW3收到了SW2泛洪的广播帧；如此无限循环，造成广播风暴。

为了检测和消除二层环路，诞生了STP（Spanning-Tree Protocol，生成树协议）及其改进的技术RSTP（Rapid Spanning-Tree Protocol，快速生成树协议）和MSTP（Multiple Spanning-Tree Protocol，多生成树协议）。这些生成树协议都是用于探知链路层拓扑，并对交换机的链路层转发行为进行控制。如果发现网络中存在环路，会在环路上选择一个恰当的位置阻塞链路上的端口――阻止端口转发或接收以太网帧，通过这种方式消除二层网络中可能产生的广播风暴。

本帖关注的是数据帧的转发，因此不讨论这三种生成树协议的细节，需要关注的是生成树协议设置的端口状态及其定义的转发行为。

**STP定义了5种端口状态：**

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">Forwarding：端口既转发用户流量也转发BPDU报文（生成树协议报文被称为BPDU报文）。
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">Learning：设备会根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">Listening：确定端口角色，将选举出根桥、根端口和指定端口，不转发用户流量。
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">Blocking：端口仅仅接收并处理BPDU报文，不转发用户流量。
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">Disabled：端口不仅不转发BPDU报文，也不转发用户流量，接口状态为Down。
</span>

MSTP和RSTP中，将STP的5种端口状态精简为3种：

综上可知，只有**Forwarding状态**的端口才转发用户流量。下面介绍用户以太帧的转发流程。

# **二层桥接转发流程**

华为高端路由器上，如果以太类型的接口配置了portswitch命令变成二层接口后，该接口便支持二层桥接转发。其二层桥接转发全流程如下图所示。需要关注的地方在于查表转发和获取封装信息两个环节（其他环节在本系列的前1~6贴中已描述，不再赘述）。

**流程说明**：

步骤1、上行转发引擎PFE（NP或ASIC芯片）解析报文，根据报文VLANID，结合端口类型（Access、Trunk、Hybrid等）进行VLAN合法性检查。不合法的报文将被丢弃。处理规则上文表格已介绍，不再赘述。

步骤2、判断报文的目的MAC是否为本机MAC，如果是，则做IP或MPLS转发；不是则继续下一步骤。

步骤3、进行入接口生成树状态检查，如果接口未使能生成树，或者生成树状态为Forwarding时，报文正常转发；如果生成树状态为其他状态，则报文丢弃。

步骤4、判断目的MAC是单播、组播还是广播：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">对于单播：使用Port+VLAN查找对应的MAC表，匹配目的MAC，获取对应的出接口信息（含出接口信息和出方向VLANID，交换网需要根据出接口信息将报文交换到正确的下行接口板）；没有命中则进行广播处理；
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">对于组播：使用Port+VLAN查找对应的L2组播转发表中获取出接口信息和出方向VLANID，如果没有命中进行广播处理。
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">对于广播，则继续后续处理。
</span>

对于单播和组播，查表过程中，如果出接口为Trunk接口，会再根据Trunk负载分担哈希算法，选择Trunk成员口中的其中一个作为最终的出接口。

步骤5、在上行TM芯片处理时，如果是未知单播、未知组播、广播报文，则进行复制到所有目的单板；对于已知组播，复制到组播成员口所在的目的单板；对于单播，则无需复制。

步骤6、在下行TM，如果是未知单播、未知组播和广播报文，进行板内复制。

步骤7、如果开启了MAC地址学习功能，则会在下行转发引擎进行MAC地址学习。

步骤8、在下行获取封装信息时，根据报文VLANID，结合出端口类型（Access、Trunk、Hybric等）进行对应的处理。处理规则上文表格已介绍，不再赘述。

步骤9、在出口处理时，会再检查出接口的生成树状态，如果生成树状态为Forwarding/disable时，报文正常转发；如果生成树状态为Learning/Listening，则报文丢弃。

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