以太網交換技術講解

導讀

當前園區網大多使用交換機組網，使用交換機組建的網絡管理非常靈活，可以根據同一部門或者具有相同管理要求的需要創建虛擬局域網（Vlan）。那么園區內的交換機是如何進行數據包交換的？不同部門之間是如何進行隔離的？今天這篇文章，將通過對以太網幀、MAC地址、Vlan等的介紹來講解以太網交換技術。

作者：李培杰

單位：中國移動智慧家庭運營中心

Part 01 ●以太網基礎●

1.1MAC地址

MAC地址又稱為物理地址，是制造商為網卡分配的地址，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識自己一樣，網卡就用MAC地址來標識自己。一個MAC地址有48位，一般采用十六進制數的方式來表示。如圖為MAC地址的表示方式：

圖1 MAC地址

1.2 以太網幀格式

以太網技術所使用的幀稱為以太網幀，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送者。源MAC地址只能是一個單播MAC地址。

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

（4）載荷數據：表示數據幀的有效載荷，它的長度可變。

（5）CRC字段：循環冗余校驗，它是用來對幀進行檢錯校驗的。

Part 02 ●以太網交換機●

2.1交換機轉發操作

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

圖3 交換機轉發操作

圖4 交換機泛洪操作

圖5 交換機丟棄操作

2.2 交換機轉發流程

前面已經介紹，交換機是基于MAC地址表進行幀轉發的，而一開始交換機的MAC地址表是空的，交換機能夠通過收到的幀的源MAC地址自動構建MAC地址表。如圖所示，PC1給PC2發送一個幀x，當幀到達交換機的時候，交換機就會在MAC地址表中添加源MAC地址和對應接口的映射條目。交換機會在MAC地址表中查找該幀的目的MAC對應的接口，假如在MAC地址表中查找到了就會進行轉發，假如沒有找到，交換機就會將此幀x進行泛洪。其中PC3收到此幀時會將其丟棄。PC2收到此幀之后就會回應一個源MAC為PC2 MAC地址，目的地址為PC1 MAC地址的幀y，交換機收到之后，就會查詢MAC地址表，此時，會查到MAC對應的接口，然后從此接口轉發出去。同時會在MAC地址表中添加PC2 MAC地址和對應接口的映射條目。

圖6 交換機轉發流程

Part 03 ●Vlan●

3.1什么是Vlan

一臺交換機就是一個廣播域，整臺交換機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。當一個網絡中有多個交換機的時候，網絡會變得特別大，此時，網絡中的設備有可能被大量的廣播損耗資源，而且也無法根據業務需求靈活的規劃網絡結構。虛擬局域網（Vlan）可以解決上述問題。通過將交換機的端口劃入特定的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地址在同一網段也無法進行通信。不同的Vlan之間無法進行二層互訪?？筛鶕I務需求靈活的進行Vlan的規劃。如圖所示，PC1、PC2、PC3屬于Vlan 1，PC4、PC5、PC6屬于Vlan 2，當PC1發送一幀x的時候，交換機剛開始MAC地址表查不到進行泛洪，此時，只有同一Vlan的PC2、PC3才能收到此幀，PC4發送的幀y同理。

圖7 交換機上不同Vlan通信過程

3.2 Vlan的劃分方式

在一個支持Vlan的網絡中，計算機發出的幀是不帶tag的幀，當這個幀到達交換機的時候，交換機就會根據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映射到交換機的物理接口上，pc發送的數據幀都是沒有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上網卡的MAC地址來決定數據幀屬于哪個Vlan。

基于子網的Vlan：通過所連計算機的IP地址，來決定端口所屬Vlan的。

基于用戶的Vlan：根據交換機各端口所連的計算機上當前登錄的用戶，來決定該端口屬于哪個Vlan。

3.3 交換機的接口類型

普通交換機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、服務器或其他終端，交換機連路由器一般也用Access。Access接口只能加入一個Vlan，一旦加入特定的Vlan后，該接口所連接的設備也就加入了該Vlan。缺省的話默認加入Vlan 1。Access接口收數據時如果收的是untag數據，會打上此接口的vlan id進行接收，如果是tag數據，比較tag數據vlan id與此接口vlan id是否一致，一致則接收，否則丟棄。發數據時首先比較待發數據的vlan id ，如果和此接口vlan id一致，則剝離標簽，并以untag形式發送；如果和此接口vlan id不一致，則不發。如下圖所示：A、B、C、D屬于Vlan 1, E、F、H、G屬于Vlan 2。計算機A 給 D 發送一個幀，進入交換機接口加上Vlan 1標記，從接口出去，去掉Vlan 1標記。計算機發送和接收的幀不帶 Vlan標記。

圖8 交換機access接口收發數據過程圖

(2)trunk：當一條鏈路，需要承載多Vlan信息的時候，需要使用trunk來實現。trunk一般用于交換機之間或者交換機和防火墻之間。trunk端口可以屬于多個Vlan。trunk接口在收數據時如果收的是untag數據，會打上此接口的vlan id進行接收，如果是tag數據，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。發數據時首先查看接口的列表，如果待發數據的vlan id在此列表中，則允許發送，否則不會從此接口發送。其次如果數據允許發送，則比較此待發數據的tag是否和此接口vlan id是否一致，一致則發untag數據，否則發tag數據。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上。計算機C給D 發送一個幀，進入交換機接口加上Vlan 1標記，從trunk接口出去的時候仍然帶有Vlan tag。

圖9 交換機trunk接口收發數據過程圖

Part 04 ● 總結●

綜上所述，二層交換機主要通過MAC地址進行數據幀的轉發，使用交換機搭建組網管理非常靈活，而且可以增加網絡的吞吐量，通過使用Vlan技術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發的報文。

審核編輯：湯梓紅