交换机三层转发原理

交换机是网络通信中的核心设备之一，其三层转发原理是数据通信的重要基础。交换机三层是通过 IP 路由表进行数据转发的。

知识点

1. IP 路由表：

   • 路由表存储了网络的路由信息，包括目的网络、下一跳地址、出接口等，用于指导数据包的转发。
   • 三层交换机在转发数据时依赖路由表完成路径选择。

2. MAC 地址与 IP 地址的关系：

   • MAC 地址用于二层通信，主要解决设备间的直接物理通信。
   • IP 地址用于三层通信，主要解决跨子网的数据传输。
   • 在三层转发中，MAC 地址与 IP 地址的映射关系通常通过 ARP（地址解析协议）建立。

3. ARP 协议：

   • 主机通过 ARP 协议获取目标设备的 MAC 地址。
   • 在跨子网通信中，主机会向网关发送 ARP 请求以获取网关的 MAC 地址。

二层通信与三层通信

在网络通信中，PC（主机）根据目标设备的 IP 地址来决定是进行二层通信还是三层通信。这一过程基于 IP 地址和子网掩码的运算：

• 与运算：主机将自身 IP 地址与子网掩码进行“与”运算，得到自己的网络位；同时将目标 IP 地址与子网掩码进行“与”运算，得到目标网络位。
  • 如果网络位相同：表示目标设备在同一子网，主机通过二层通信（基于 MAC 地址）进行直接通信。
  • 如果网络位不同：表示目标设备在不同子网，通信需要通过网关（通常是三层交换机或路由器）进行三层通信。

三层交换的转发流程

当需要进行三层通信时，三层交换机通过以下步骤完成数据包的转发：

1. 封装目的 MAC 地址为网关 MAC：

   • 主机将目标设备的 IP 地址作为目的 IP，但将目的 MAC 地址设置为网关的 MAC 地址，以便数据包可以被发送到网关处理。

2. 网关接收数据包：

   • 网关（三层交换机或路由器）接收到数据包后，首先解封 MAC 帧头。
   • 检查 IP 包头中的目的 IP 地址：
     • 如果目的 IP 为网关自身的 IP 地址：网关将解封 IP 包头，获取其中的数据信息。
     • 如果目的 IP 不是网关自身的 IP 地址：网关依据 IP 路由表查找最佳路由，决定如何转发数据包。

3. 路由转发与重新封装：

   • 网关根据路由表找到下一跳的信息：
     • 源 MAC 地址：更新为出接口的 MAC 地址。
     • 目的 MAC 地址：更新为下一跳设备的 MAC 地址。
   • 重新封装数据包后，通过对应的出接口将数据发送至下一跳。

注意事项

• 路由与转发的区别：

  • 路由：是查找最佳路径的过程，通过查询路由表完成。
  • 转发：是将数据包实际发送到下一跳的过程。

• 三层交换机与传统路由器的差异：

  • 三层交换机在硬件层面加速了路由与转发过程，具备更高的性能，适用于高流量的局域网环境。
  • 传统路由器更多应用于广域网环境中。