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4.4 基于VLAN的转发与路由 Vlan内通信的主机同属一个广播域，主机之间的流量通过二层网络直接转发；Vlan间通信的主机位于不同广播域，主机无法直接通过ARP广播请求到对方的地址，此时必须借助三层路由器来完成通信。 路由器可视为各个Vlan的网关，因此通过路由器来互相通信的主机必须知道路由器的存在及其在本Vlan上的接口地址(默认网关)。在主机上配置默认网关后，对于跨Vlan的通信，主机会自动寻找默认网关，并把报文交给默认网关转发而不是直接发给目的主机。 可见，当报文的目的MAC地址是网关地址(路由器或三层交换机MAC地址)时，该报文为三层报文。 4.4.1 二层转发 基于Vlan的二层转发流程主要包括：确定和查找Vlan、查找和学习源MAC、查找目的MAC并转发数据帧。 1) 确定和查找Vlan：交换机端口接收到一个数据帧时，首先通过TPID值判断该帧是否带标签[1]。 - 若是tagged帧，且Vid≠0，则在端口所属的Vlan表中查找该帧标签中的Vid是否存在，若存在，则进入下一步，否则丢弃该帧(或提交CPU处理)；
- 若是tagged帧，且Vid=0(即priority帧[2])，则对该帧附加端口PVid使之成为tagged帧；
- 若是untagged帧，则对该帧附加端口PVid并指定优先级使之成为tagged帧。
注：①为提高处理效率，交换机内部所有数据帧均携带Vlan标签，以统一方式处理。故需对输入交换机的数据帧进行标签检查并按需加上标签。 ②802.1Q Vlan环境下，帧可分为tagged、untagged和priority-tagged三种。Tagged帧根据其携带的标签Vid进行MAC学习转发。Untagged和Priority-tagged帧进入交换机端口后根据PVid进行MAC学习转发。 2) 查找和学习源MAC：交换机在MAC转发表(Mac+Vid+Port)中查找收帧Vid对应的源MAC表项，未找到则学习收帧源MAC (将“源MAC+Vid+Port”添加到MAC表中)；若找到则更新该表项的老化时间。 注：MAC地址学习只学习单播地址，对于广播和组播地址不进行学习。组播MAC表项通过CPU配置建立。 3) 查找目的MAC：若目的MAC是广播或组播，则在所属的Vlan中广播或组播；否则在MAC表中查找是否存在Vid对应的目的MAC表项。 4) 转发数据帧：若在MAC表中查找到完全匹配的DMAC+Vid表项，则将该帧转发到表项中的相应端口(若相应端口为收帧端口，则应丢弃该帧)；否则向所属Vlan内除收包端口外的其他所有端口洪泛该帧(洪泛广播的是未知单播帧而不是广播帧)。 图13所示为二层转发的一般流程。 图13 二层转发流程 【例】数据帧从PC1经过一台交换机转发到与另一台交换机相连的PC2并得到响应，如下图所示。 图14 PC1向PC2发送信息 假设两台交换机刚刚开机(此时MAC地址表为空)，其具体的转发过程如下： ①PC1发出的数据帧进入交换机SW1的Access端口后，按照端口PVid加上Vid=100的标签。交换机将该帧源MAC地址存入MAC地址表(学习)，并将该帧洪泛到Vid=100的所有端口(除入端口外)； ②SW1的Trunk端口属于Vid=100的Vlan，故接受这个标记为100的Tagged数据帧；而该端口在Vid=100上为Tagged port，因此在发送数据帧出交换机SW1时，不改变Tagged帧的结构； ③Tagged帧到达交换机SW2的Trunk端口，由于Trunk端口拥有VID=100的Vlan，故接受该帧；该Trunk端口不改变Tagged帧的结构，而是学习源MAC地址后把该数据帧洪泛给所有Vid=100的端口(除入端口外)； ④SW2的Access端口接收到该帧，剥除该帧的Tag标签后发送给PC2。 ⑤PC2收到PC1发送的数据帧，并发送响应帧给PC1。 ⑥经过与前述过程类似的转发，响应帧到达交换机SW1。交换机发现该帧的目的MAC地址已在MAC地址表中，则仅转发给PC1。 可见，收发双方同属一个Vlan的通信，一切处理均在二层网络内完成。 4.4.2 三层路由4.4.2.1 路由器路由 使用路由器进行Vlan间路由时，大致有以下两种： 1) 用多个路由器端口分别与每个Vlan相连接。 2) 单个路由器接口与交换机的Trunk端口相连(称为dot1Q连接)，使多个Vlan共享同一条物理连接到路由器。 方式1将交换机上用于和路由器互联的每个端口设为接入链路，再分别用网线与路由器上的独立端口互联。如下图所示，交换机上有两个Vlan，需在交换机上预留两个端口用于与路由器互联；路由器上同样需要有两个端口；两者之间用两条网线分别连接。 图15 每个Vlan一个物理连接 如图，每个Vlan都要独占一个交换机端口和一个路由器端口，并需重新布设一条网线。而路由器上通常LAN接口有限，这无疑带来扩展性问题。 方式2将用于连接路由器的交换机端口设为汇聚端口，而路由器上的端口也必须支持汇聚链路。双方用于汇聚链路的协议也必须相同。接着在路由器上定义对应各Vlan的“子接口(Sub Interface)”。尽管实际与交换机连接的物理端口只有一个，但在理论上可将其分割为多个虚拟端口。如下图所示。 图16 Vlan Trunking 使用这种Vlan Trunking技术，可使多个Vlan的业务流共享相同的物理连接，通过在汇聚链路上传递带标签的帧来区分各Vlan的流量。通常情况下，Vlan间路由的流量不足以达到链路的线速度，使用Vlan Trunking的配置，可提高链路的带宽利用率，节省端口资源以及简化管理(网络新增Vlan时只需在路由器上新设一个对应新Vlan的子接口，无需重新布线) 【例】不同Vlan间通信时数据的流程，如下图所示。 图17 不同Vlan间通信流程 主机PC1通过通信目标IP地址(192.168.2.1) 与子网掩码计算比较发现PC2与本机不属于同一网段，不能直接访问。根据IP通信规则，PC1查找本机路由表寻找相应的网关。在实际网络中，主机通常只配置默认网关(Default Gateway，GW)，故PC1找到默认网关。然后，PC1在本机ARP高速缓存中查找默认网关(即路由器)的MAC地址，若没有则向外广播发送一个ARP请求帧，其目的MAC地址为全1，源MAC地址为本机MAC地址，请求的IP地址为网关192.168.1.100。从路由器返回的ARP单播应答帧中得到路由器MAC地址R后，接下来就按图中所示的步骤向PC2发送数据帧①，其目的MAC地址是路由器地址R、但目的IP地址仍是最终要通信的对象PC2的地址。 交换机在端口1上收到数据帧①后，检索MAC地址表中与端口1同属一个Vlan的表项。汇聚链路被视为属于所有的Vlan，因此端口6也属于检索对象。检索后交换机得知往MAC地址R发送数据帧时，需经过端口6转发。 从汇聚端口6发送数据帧时，会附加Vlan识别信息。图中数据帧②被加上原属的红色Vlan标签后，进入汇聚链路。路由器收到数据帧②后，确认其Vlan标签，交由负责红色Vlan的子接口接收。 接着，根据路由器内部的路由表，判断该向哪里转发。由于目标网络192.168.2.0/24属于蓝色Vlan，且该网络通过子接口与路由器直连，因此只需从负责蓝色Vlan的子接口转发即可。此时数据帧的目的MAC地址被改成PC2的MAC地址；由于需要经过汇聚链路转发，故附加属于蓝色Vlan的识别信息(数据帧③)。 交换机收到数据帧③后，根据Vlan标签从MAC地址表中检索属于蓝色Vlan的表项。由于通信目标PC2连接在端口3上且该端口为接入端口，因此交换机剥除数据帧的Vlan标签后(数据帧④)转发给端口3，最终PC2成功收到PC1发来的数据帧。 可见，Vlan间通信时，即使双方都连接在同一台交换机上，也必须经过“发送方→交换机→路由器→交换机→接收方”这样一个流程。在进行三层路由转发时，数据包IP地址保持不变，MAC地址则在每个节点都会改变。 4.4.2.2 三层交换机路由 使用VLAN Trunking后，用传统路由器进行Vlan间路由在性能上存在一定的不足：由于路由器采用通用CPU，转发完全依靠软件处理，同时支持各种通信接口，给软件带来较大负担。软件要处理包括报文接收、校验、查找路由、选项处理、报文分片等，导致性能不可能很高。就Vlan间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，该部分容易成为速度瓶颈。 由于Vlan间通信比较简单，只需查下路由表，所以可将交换机集成查路由表的专用芯片(ASIC)，实现二层交换和三层路由的功能集成，即三层交换机(Layer 3 Switch)。 三层交换机的设计基于对IP路由的仔细分析，提取出IP路由中每个报文都必经的简化过程： - IP路由中绝大多数报文不包含IP选项，因此多数情况下无需处理报文IP选项；
- 不同的网络报文长度不同，为支持各种异构网络的互连，IP实现了报文分片功能，但在全以太网环境中，数据帧(报文)长度固定，因此可裁减报文分片功能；
- 三层交换机采用与路由器最长地址掩码匹配不同的方法，使用精确地址匹配的方式处理，有利于硬件实现快速查找；
- 三层交换机采用Cache方法，将最近经常使用的主机路由放入硬件查找表。只有在该Cache中无法匹配到的条项才通过软件转发。这样，只有每个流的第一个报文通过软件转发，其后的大量数据流则在硬件中得以完成，极大提升转发性能。
三层交换机的内部结构可参照下面的简图。 图18 三层交换机内部结构简图 如图，内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。因此，与传统的路由器相比，可实现高速路由。并且，路由与交换模块由内部汇聚链路连接，可确保相当大的带宽。 对应到IP网络模型中，每个Vlan对应一个IP网段，三层交换机中的三层转发引擎在各网段(Vlan)间转发报文，实现Vlan之间的互通，因此三层交换机的路由功能通常叫做Vlan间路由(Inter-VLAN Routing)。 使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各Vlan的子接口；三层交换机则是在内部生成“VLAN接口(VLAN Interface)”，用于各Vlan收发数据。在Cisco的Catalyst系列交换机上，VLAN接口被称为SVI(Switched Virtual Interface，交换虚拟接口)。三层交换机每创建一个Vlan就会自动生成一个SVI。在SVI接口设置默认网关后，并将主机网关配置成与交换机SVI相同，即可实现不同Vlan间的路由。 使用三层交换机进行Vlan间路由与使用汇聚链路连接路由器与交换机相似，即需经过“发送方→交换模块→路由模块→交换模块→接收方”的流程。 【例】假设网络按图19连接好后，所有设备均为初始状态，也未向外发送过任何报文。若PC1已知PC2的IP地址，则可通过ping命令发送ICMP报文来获知PC1能否到达PC2。以下分析该过程。 图19 ping流程网络拓扑 ⑴ PC1将自身IP和子网掩码255.255.255.0相与得到网络号1.1.1.0，将PC2的IP与子网掩码相与得到网络号2.2.2.0，得知PC2与自己不在同一网段。于是PC1检索路由表得到默认网关。PC1欲向网关传递信息，但此时PC1中ARP表为空，所以向默认网关(交换机三层接口)发出ARP请求帧，请求网关MAC地址。该帧目的MAC地址为全1，源MAC地址为本机MAC地址，请求的IP地址为网关1.1.1.1； ⑵ SW收到ARP请求帧，对其附加端口PVid(10)的标签； ⑶ SW用ARP请求帧的Mac1和Vid10查找MAC转发表，发现没有该项，则进行学习，即在表中添加“Mac1—Vid10—Port1”的记录；并将源IP和MAC的对应关系(“1.1.1.2—Mac1”)记录到ARP表，表明目的IP为1.1.1.2的数据帧转发时目的MAC为Mac1，同时需路由到端口Port1； ⑷ ARP请求的目的地址是广播地址，SW将其洪泛到该Vlan的每个端口(除入端口)；同时SW自身截获一份上送CPU(网关)，发现是询问自己的MAC，于是回复ARP单播应答帧，目的MAC为PC1的Mac1，源MAC为网关的MAC地址GwMac1，源IP为1.1.1.1，目的IP为PC1的1.1.1.2； ⑸ PC1收到SW发来的ARP应答帧，得到SW三层网关MAC地址，将“1.1.1.1—GwMac1”记录到ARP表。PC1向SW发送ICMP请求帧，目的IP为PC2的IP(2.2.2.2)，目的MAC为网关MAC，源IP和源MAC为PC1的； ⑹ SW收到ICMP请求帧，对其附加端口PVid(10)的标签，然后进行源MAC地址学习，发现二层转发表有该条目，更新老化时间。因该帧目的MAC地址是网关，SW送交三层路由处理。 ⑺ 在三层首先检查IP报文的版本、IP首部检验和TTL是否正确，若不正确则标记丢弃并交由CPU处理；正确则在三层主机路由表(又称L3表)中查找目的IP(即PC2的IP 2.2.2.2)。此时L3表中只包含与自己直连的32位地址(包括自身接口)及步骤⑶中ARP表学习后下发的PC1信息，而找不到PC2的信息。进而按最长前缀匹配算法查找子网路由表(又称Longest Prefix Match即LPM表)得到2.2.2.1目的网段的条目，下一跳的IP地址为 2.2.2.1； ⑻ 索引回L3表查找2.2.2.1，得到该条目，发现要提交CPU处理(CPU也需要看作是一个端口)； ⑼ CPU没有到PC2的路由，但PC2的目的IP属于自己接口地址2.2.2.1的网段，故向接口Vlan20所包含的所有物理端口广播一个ARP请求帧，源MAC地址为交换机接口的三层MAC地址GwMac2，源IP地址为2.2.2.1，请求IP地址2.2.2.2的MAC地址； ⑽ PC2收到ARP请求，学习“2.2.2.1—GwMac2”加入ARP表；并回复ARP应答帧，目的IP为交换机接口Vlan20的IP地址2.2.2.1，目的MAC为交换机接口Vlan20的MAC地址GwMac2； ⑾ SW收到PC2发送的ARP应答帧，附加端口PVid(20)后在MAC表中查找“Mac2+Vid20”，没找到则学习源地址，在MAC转发表中添加PC2相关记录。因该帧目的MAC为网关地址，故提交三层处理； ⑿ 三层首先检查报文正确性，无误则在L3表中查找目的IP。由于目的IP为本机，故上送CPU处理。CPU对报文处理后得到“2.2.2.2—Mac2”将相关信息加入ARP表(CPU下发给L3表进行记录)。 ⒀ PC1向SW发送的第一个ICMP请求帧存储在内存中，此时交由CPU进行IP报文头部修改(TTL减1,FCS重新计算封装)和MAC封装(目的MAC地址改为PC2的MAC地址，源MAC地址改为SW三层MAC地址)并发送给PC2，如果超时则丢弃，CPU发送ICMP超时给PC1； ⒁ PC2收到PC1发来的ICMP请求后，回复ICMP应答帧，目的IP为PC1的IP 1.1.1.2，同样PC2发现该地址和自己不在同一子网，需要网关进行转发。之前PC2已学习到交换机接口Vlan20的ARP，此时根据该ARP将ICMP应答帧目的MAC地址填为网关MAC地址GwMac2发送出去。交换机收到帧后，发现目的MAC地址是网关地址，取出帧中的目的IP地址1.1.1.1查找路由。之前交换机已学习到该IP的路由，所以会查找到主机路由表中相应的路由并将帧目的MAC地址换成Mac1，源MAC地址换成网关MAC地址GwMac2，发送到端口Port1上。最终，PC1就收到PC2的ICMP应答。 ⒂ 经过以上流程后，PC1和PC2分别学到各自网关接口的ARP，交换机也有了分别到达PC1和PC2的路由。后续的报文不再通过路由，而直接由L3表中对应的表项进行硬件转发。 注意，此例步骤说明相比“路由器路由”一节稍为详细，所补充的部分并非差异。
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