交换机开发（二）—— 三层交换机报文转发过程
如圖所示，假如主機A想訪問主機B，首先主機A會將自己的IP地址和子網掩碼做與操作,得出網路地址(如:Host-A的IP地址100.1.1.2與自身掩碼255.255.255.0做與操作后,得到的網絡號是100.1.1.0).然后判斷目的IP地址(即Host-B的IP地址)與自己的網絡地址是不是在同一個子網.因為圖中主機A和主機B不在同一子網內,所以需要進行三層轉發.
1、主機A發送ARP廣播獲取網關MAC地址
主機A想訪問主機B首先要有主機B的MAC地址，由于主機A和主機B不在同一子網，所以主機A首先會向缺省網關發送ARP廣播報文來獲取網關的MAC地址。ARP報文格式如下：
| Ethernet頭 | ARP頭 | ||||
| D-MAC | S-MAC | S-MAC | S-IP | D-MAC | D-IP |
| ff:ff:ff:ff:ff:ff | 00e0-d26b-8121 | 00e0-d26b-8121 | 100.1.1.2 | 00:00:00:00:00:00 | 100.1.1.1 |
2、交換機形成主機A的MAC表項，并用網關MAC地址回應主機A的ARP請求
交換機收到ARP廣播報文后,首先學習ARP報文Ethernet頭部的源MAC地址，交換機芯片將自動記錄主機A的MAC地址(00e0-d26b-8121)、接收該ARP報文的交換機接口號(E1/0/0)及此接口所屬的VLAN(VLAN 10)等信息,并形成一條MAC表項放入交換機MAC表中.同時，交換機也會通過軟件把主機A的IP、MAC、上連到交換機的接口等信息保存到交換機的硬件轉發表里（三層硬件表項,MAC表是沒有IP的）。
由于主機A發送的ARP廣播報文中的目的IP地址(100.1.1.1)就是交換機上接收該ARP廣播報文的接口(E1/0/0)所屬VLAN(VLAN 10)的IP地址，所以交換機將使用vlan10的MAC地址回復主機A的ARP請求。ARP回復報文如下：
| Ethernet頭 | ARP頭 | ||||
| D-MAC | S-MAC | S-MAC | S-IP | D-MAC | D-IP |
| 00e0-d26b-8121 | 00e0-d26b-8111 | 00e0-d26b-8111 | 100.1.1.1 | 00e0-d26b-8121 | 100.1.1.2 |
3、主機A把網關MAC當作主機B的MAC訪問主機B
主機A收到網關的ARP回應報文后，會把網關的MAC地址當成是主機B的MAC地址，這樣主機A發送數據給主機B時就會使用網關MAC作為目的MAC來封裝數據偵,偵格式如下：
| Ethernet頭 | IP頭 | 數據 | ||
| D-MAC | S-MAC | S-IP | D-IP | DATA |
| 00e0-d26b-8111 | 00e0-d26b-8121 | 100.1.1.2 | 200.1.1.2 | …… |
4、交換機查找硬件轉發表/路由表進行三層轉發
交換機收到主機A發來的數據報文后，仍然會首先學習數據報文Ethernet頭部的源MAC地址，然后根據Ethernet頭部的目的MAC查找交換機的MAC表，此時發現目的MAC地址就是本地VLAN的MAC地址，這種情況下交換機會把該報文上送到交換芯片的三層引擎處理。三層引擎將首先查找硬件轉發表。
⑴?如果硬件轉發表中有匹配項，則根據報文目的IP地址作相應處理：
①、目的IP地址就是本地的IP地址，則交相應模塊處理。
②、目的IP是其他設備IP地址,本地只是轉發，則根據硬件轉發表項使用出接口MAC替換報文的源MAC地址，用下一跳MAC替換報文的目的MAC地址，同時TTL值減1，繼續轉發。（此處與二層的區別在于需要對報文進行源、目的MAC進行替換）
⑵??如果不匹配則查找路由表，有匹配項則按照上面（2）中的操作進行，同時把相應的目的IP、下一跳MAC、出接口等信息存儲到硬件轉發表項中，下次就不需要查路由表了，這就是所謂的一次路由多次交換。
⑶??如果路由表也沒有匹配項，則丟棄報文。
此處，由于主機A數據報文的目的IP是主機B的地址，并且主機B和交換機直連，交換機的硬件轉發表/路由表已經有主機B的路由表項，所以交換機將主機A發來的報文中的源、目的MAC地址作替換，同時TTL值減1，然后發給主機B。經過MAC替換后的報文格式如下：
| Ethernet頭 | IP頭 | 數據 | ||
| D-MAC | S-MAC | S-IP | D-IP | DATA |
| 00e0-d26b-8212 | 00e0-d26b-8222 | 100.1.1.2 | 200.1.1.2 | …… |
這樣主機A就把數據報文發到了不同網段的主機B。同時交換機上也保存了關于主機A和主機B的硬件轉發表項，以后主機A和主機B互訪，以及其他網段主機訪問主機A或主機B交換機就可以根據硬件轉發表項直接轉發，而不需要查找路由表。
如圖所示，假如主機A想訪問主機B，首先主機A會將自己的IP地址和子網掩碼做與操作,得出網路地址(如:Host-A的IP地址100.1.1.2與自身掩碼255.255.255.0做與操作后,得到的網絡號是100.1.1.0).然后判斷目的IP地址(即Host-B的IP地址)與自己的網絡地址是不是在同一個子網.因為圖中主機A和主機B不在同一子網內,所以需要進行三層轉發.
1、主機A發送ARP廣播獲取網關MAC地址
主機A想訪問主機B首先要有主機B的MAC地址，由于主機A和主機B不在同一子網，所以主機A首先會向缺省網關發送ARP廣播報文來獲取網關的MAC地址。ARP報文格式如下：
| Ethernet頭 | ARP頭 | ||||
| D-MAC | S-MAC | S-MAC | S-IP | D-MAC | D-IP |
| ff:ff:ff:ff:ff:ff | 00e0-d26b-8121 | 00e0-d26b-8121 | 100.1.1.2 | 00:00:00:00:00:00 | 100.1.1.1 |
2、交換機形成主機A的MAC表項，并用網關MAC地址回應主機A的ARP請求
交換機收到ARP廣播報文后,首先學習ARP報文Ethernet頭部的源MAC地址，交換機芯片將自動記錄主機A的MAC地址(00e0-d26b-8121)、接收該ARP報文的交換機接口號(E1/0/0)及此接口所屬的VLAN(VLAN 10)等信息,并形成一條MAC表項放入交換機MAC表中.同時，交換機也會通過軟件把主機A的IP、MAC、上連到交換機的接口等信息保存到交換機的硬件轉發表里（三層硬件表項,MAC表是沒有IP的）。
由于主機A發送的ARP廣播報文中的目的IP地址(100.1.1.1)就是交換機上接收該ARP廣播報文的接口(E1/0/0)所屬VLAN(VLAN 10)的IP地址，所以交換機將使用vlan10的MAC地址回復主機A的ARP請求。ARP回復報文如下：
| Ethernet頭 | ARP頭 | ||||
| D-MAC | S-MAC | S-MAC | S-IP | D-MAC | D-IP |
| 00e0-d26b-8121 | 00e0-d26b-8111 | 00e0-d26b-8111 | 100.1.1.1 | 00e0-d26b-8121 | 100.1.1.2 |
3、主機A把網關MAC當作主機B的MAC訪問主機B
主機A收到網關的ARP回應報文后，會把網關的MAC地址當成是主機B的MAC地址，這樣主機A發送數據給主機B時就會使用網關MAC作為目的MAC來封裝數據偵,偵格式如下：
| Ethernet頭 | IP頭 | 數據 | ||
| D-MAC | S-MAC | S-IP | D-IP | DATA |
| 00e0-d26b-8111 | 00e0-d26b-8121 | 100.1.1.2 | 200.1.1.2 | …… |
4、交換機查找硬件轉發表/路由表進行三層轉發
交換機收到主機A發來的數據報文后，仍然會首先學習數據報文Ethernet頭部的源MAC地址，然后根據Ethernet頭部的目的MAC查找交換機的MAC表，此時發現目的MAC地址就是本地VLAN的MAC地址，這種情況下交換機會把該報文上送到交換芯片的三層引擎處理。三層引擎將首先查找硬件轉發表。
⑴?如果硬件轉發表中有匹配項，則根據報文目的IP地址作相應處理：
①、目的IP地址就是本地的IP地址，則交相應模塊處理。
②、目的IP是其他設備IP地址,本地只是轉發，則根據硬件轉發表項使用出接口MAC替換報文的源MAC地址，用下一跳MAC替換報文的目的MAC地址，同時TTL值減1，繼續轉發。（此處與二層的區別在于需要對報文進行源、目的MAC進行替換）
⑵??如果不匹配則查找路由表，有匹配項則按照上面（2）中的操作進行，同時把相應的目的IP、下一跳MAC、出接口等信息存儲到硬件轉發表項中，下次就不需要查路由表了，這就是所謂的一次路由多次交換。
⑶??如果路由表也沒有匹配項，則丟棄報文。
此處，由于主機A數據報文的目的IP是主機B的地址，并且主機B和交換機直連，交換機的硬件轉發表/路由表已經有主機B的路由表項，所以交換機將主機A發來的報文中的源、目的MAC地址作替換，同時TTL值減1，然后發給主機B。經過MAC替換后的報文格式如下：
| Ethernet頭 | IP頭 | 數據 | ||
| D-MAC | S-MAC | S-IP | D-IP | DATA |
| 00e0-d26b-8212 | 00e0-d26b-8222 | 100.1.1.2 | 200.1.1.2 | …… |
這樣主機A就把數據報文發到了不同網段的主機B。同時交換機上也保存了關于主機A和主機B的硬件轉發表項，以后主機A和主機B互訪，以及其他網段主機訪問主機A或主機B交換機就可以根據硬件轉發表項直接轉發，而不需要查找路由表。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的交换机开发（二）—— 三层交换机报文转发过程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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