37张图详解MAC地址、以太网、二层转发、VLAN

 Docker君   2021-04-14 20:01   103 人阅读  0 条评论

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MAC 地址

每个网卡或三层网口都有一个 MAC 地址, MAC 地址是烧录到硬件上,因此也称为硬件地址。MAC 地址作为数据链路设备的地址标识符,需要保证网络中的每个 MAC 地址都是唯一的,才能正确识别到数据链路上的设备。

MAC 地址由 6 个字节组成。前 3 个字节表示厂商识别码,每个网卡厂商都有特定唯一的识别数字。后 3 个字节由厂商给每个网卡进行分配。厂商可以保证生产出来的网卡不会有相同 MAC 地址的网卡。

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MAC地址

现在可以通过软件修改 MAC 地址,虚拟机使用物理机网卡的 MAC 地址,并不能保证 MAC 地址是唯一的。但是只要 MAC 地址相同的设备不在同一个数据链路上就没问题。

为了查看方便, 6 个字节的 MAC 地址使用十六进制来表示。每个字节的 8 位二进制数分别用 2 个十六进制数来表示,例如我的网卡 MAC 地址是 E0-06-E6-39-86-31

什么是字节?什么是比特?

比特,英文名 bit ,也叫。二进制中最小单位,一个比特的值要么是 0 要么是 1 。

字节,英文名 Byte 。一个字节由八个比特构成。

MAC 地址怎么使用?

最常用的以太网和无线局域网,都是使用 MAC 地址作为地址标识符进行通信的。

以太网

有线局域网中普遍使用以太网,以太网标准简单,传输速率高。常见的网络拓扑结构如下图。

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以太网

什么是网络拓扑?

网络的连接和构成的形态称为网络拓扑。它不仅可以直观的看到网络物理连接方式,还可以表示网络的逻辑结构。

以太网数据格式

当今最常用的以太网协议标准是 ETHERNET II 标准。ETHERNET II 标准定义的数据帧格式如下图。

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以太网帧格式

  • 前导码( Preamble )

前导码由 7 个字节组成,每个字节固定为 10101010 。之后的 1 个字节称为帧起始定界符,这个字节固定为 10101011 。这 8 个字节表示以太网帧的开始,也是对端网卡能够确保与其同步的标志。帧起始定界符的最后两位比特被定义为 11 ,之后就是以太网数据帧的本体。

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前导码

  • 目的地址( Destination Address )

    目的地址由 6 个字节组成,用来标识数据帧的目的设备,类似于快递的收件人地址。

  • 源地址( Source Address )

    源地址由 6 个字节组成,用来标识数据帧的始发设备,类似于快递的发件人地址。

  • 类型( Type )

    类型字段由 2 个字节组成。类型字段是表明上一层(即网络层)的协议类型,可以让接收方使用相同的协议进行数据帧的解封装。

  • 数据( Data )

    帧头后就是数据。一个数据帧所能容纳的最大数据范围是 46 ~ 1500 个字节。如果数据部分不足 46 个字节,则填充这个数据帧,让它的长度可以满足最小长度的要求。

  • FCS( Frame Check Sequence )

    FCS 由 4 个字节组成,位于数据帧的尾部,用来检查帧是否有所损坏。通过检查 FCS 字段的值将受到噪声干扰的错误帧丢弃。

最小的数据帧是多少字节?

数据帧的各字段加起来一共是 64 字节,其中数据是 46 字节。再加上前导码就是 72 字节。因此最小的数据帧是 72 字节。在传输过程中,每个数据帧还有 12 字节的数据帧间隙,所以最小的可传输数据帧长度是 84 字节,即 672 比特。

交换机二层转发原理

交换机有多个网络端口,它通过识别数据帧的目标 MAC 地址,根据 MAC 地址表决定从哪个端口发送数据。MAC 地址表不需要在交换机上手工设置,而是可以自动生成的。

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交换机二层转发

交换机是如何添加、更新、删除 MAC 地址表条目的?

在初始状态下,交换机的 MAC 地址表是空的,不包含任何条目。当交换机的某个端口接收到一个数据帧时,它就会将这个数据帧的源 MAC 地址、接收数据帧的端口号作为一个条目保存在自己的 MAC 地址表中,同时在接收到这个数据帧时重置这个条目的老化计时器时间。这就是交换机自动添加 MAC 地址表条目的方式。

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自动添加MAC地址表条目

在新增这一条 MAC 地址条目后,如果交换机再次从同一个端口收到相同 MAC 地址为源 MAC 地址的数据帧时,交换机就会更新这个条目的老化计时器,确保活跃的的条目不会老化。但是如果在老化时间内都没收到匹配这个条目的数据帧,交换机就会将这个老化的条目从自己的 MAC 地址表中删除

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老化条目被删除

还可以手动在交换机的 MAC 地址表中添加静态条目。静态添加的 MAC 地址条目优先动态学习的条目进行转发,而且静态条目没有老化时间,会一直保存在交换机的 MAC 地址表中。

如何使用 MAC 地址表条目进行转发?

当交换机的某个端口收到一个单播数据帧时,它会查看这个数据帧的二层头部信息,并进行两个操作。一个操作是根据源 MAC 地址和端口信息添加或更新 MAC 地址表。另一个操作是查看数据帧的目的 MAC 地址,并根据数据帧的目的 MAC 地址查找自己的 MAC 地址表。在查找 MAC 地址表后,交换机会根据查找结果对数据帧进行处理,这里有 3 中情况:

  1. 交换机没有在 MAC 地址表中找到这个数据帧的目的 MAC 地址,因此交换机不知道自己的端口是否有连接这个 MAC 地址的设备。于是,交换机将这个数据帧从除了接收端口之外的所有端口泛洪出去。

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泛洪

  1. 交换机的 MAC 地址表中有这个数据帧的目的 MAC 地址,且对应端口不是接收到这个数据帧的端口,交换机知道目的设备连接在哪个端口上,因此交换机会根据 MAC 地址表中的条目将数据帧从对应端口单播转发出去,而其它与交换机相连的设备则不会收到这个数据帧。

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转发

  1. 交换机的 MAC 地址表中有这个数据帧的目的 MAC 地址,且对应端口就是接收到这个数据帧的端口。这种情况下,交换机会认为数据帧的目的地址就在这个端口所连接的范围内,因此目的设备应该已经收到数据帧。这个数据帧与其它端口的设备无关,不会将数据帧从其它端口转发出去。于是,交换机会丢弃数据帧。

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丢弃

单播:主机一对一的发送数据。单播地址是主机的 MAC 地址。
广播:向局域网内所有设备发送数据。只有全 1 的 MAC 地址为广播 MAC 地址,即 FF-FF-FF-FF-FF-FF 。
泛洪:将某个端口收到的数据从除该端口之外的所有端口发送出去。泛洪操作广播的是普通数据帧而不是广播帧。

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单播
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广播

VLAN

广播域是广播帧可以到达的区域。换句话说,由多个交换机和主机组成的网络就是一个广播域。

网络规模越大,广播域就越大,泛洪流量也越来越大,降低通信效率。在一个广播域内的任意两台主机之间可以任意通信,通信数据有被窃取的风险。

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泛洪攻击

为了解决广播域扩大带来的性能问题和安全性降低问题, VLAN 技术应运而生。VLAN 技术能够在逻辑上把一个物理局域网分隔为多个广播域,每个广播域称为一个虚拟局域网(即 VLAN )。每台主机只能属于一个 VLAN ,同属一个 VLAN 的主机通过二层直接通信,属于不同 VLAN 的主机只能通过 IP 路由功能才能实现通信。通过划分多个 VLAN ,从而减小广播域传播的范围,过滤多余的包,提高网络的传输效率,同时提高了网络的安全性。

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VLAN

VLAN 原理

VLAN 技术通过给数据帧插入 VLAN 标签(又叫 VLAN TAG)的方式,让交换机能够分辨出各个数据帧所属的 VLAN 。

VLAN 标签是用来区分数据帧所属 VLAN 的,是 4 个字节长度的字段,插入到以太网帧头部上。VLAN 标签会插入到源 MAC 地址后面, IEEE 802.1Q 标准有这个格式定义和字段构成说明。

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VLAN TAG

  • TPID (标签协议标识符):
    长度 2 个字节,值为 0x8100 ,用来表示这个数据帧携带了 802.1Q 标签。不支持 802.1Q 标准的设备收到这类数据帧,会把它丢弃。

  • TCI (标签控制信息):
    长度 2 个字节,又分为三个子字段,用来表示数据帧的控制信息:

  • 优先级( Priority ):长度为 3 比特,取值范围 0 ~ 7 ,用来表示数据帧的优先级。取值越大,优先级越高。当交换机发送拥塞是,优先转发优先级高的数据帧。

  • CFI (规范格式指示器):长度为 1 比特,取值非 0 即 1 。

  • VLAN ID ( VLAN 标识符):长度为 12 比特,用来表示 VLAN 标签的数值。取值范围是 1 ~ 4094 。

划分 VLAN 后,交换机如何处理广播报文?

交换机上划分了多个 VLAN 时,在交换机接收到广播数据帧时,只会将这个数据帧在相同 VLAN 的端口进行广播

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广播帧在相同VLAN内广播

划分 VLAN 后,交换机如何处理目的 MAC 地址不在 MAC 地址表中的单播数据帧?

交换机上划分了多个 VLAN 时,当交换机接收到一个目的 MAC 地址不存在于自己 MAC 地址表中的单播数据帧时,只会将这个数据帧在相同 VLAN 的端口进行泛洪

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单播帧在相同VLAN内泛洪

划分 VLAN 后,不同 VLAN 的主机能否通信?

划分多 VLAN 的环境中,即使交换机 MAC 地址表里保存了某个数据帧的目的 MAC 地址条目,若这个目的 MAC 地址所对应的端口与数据帧的入端口在不同的 VLAN 中,交换机也不会通过 MAC 地址表中的端口发送数据帧。

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不同VLAN的主机不能通信

小结:在不使用路由转发的前提下,交换机不会从一个 VLAN 的端口中接收到的数据帧,转发给其它 VLAN 的端口。

怎么区分不同的 VLAN ?

通过 VLAN ID 进行区分,例如 VLAN 10 和 VLAN 20 就是不同的 VLAN 。

VLAN 技术有哪些好处?

  • 增加了广播域的数量,减小了每个广播域的规模,也减少了每个广播域中终端设备的数量;

  • 增强了网络安全性,保障网络安全的方法增加了;

  • 提高了网络设计的逻辑性,可以规避地理、物理等因素对于网络设计的限制。

划分 VLAN

我们可以使用不同的方法,把交换机上的每个端口划分到某个 VLAN 中,以此在逻辑上分隔广播域。

交换机通常会使用基于端口划分 VLAN 的方法。在交换机上手动配置,绑定交换机端口和 VLAN ID 的关系。

优点:配置简单。想要把某个端口划分到某个 VLAN 中,只需要把端口的 PVID (端口 VLAN ID )配置到相应的 VLAN ID 即可。

缺点:当终端设备移动位置是,可能需要为终端设备连接的新端口重新划分 VLAN 。

除了这种方法外,还可以使用基于 MAC 地址划分 VLAN 、基于 IP 地址划分 VLAN 、基于协议划分 VLAN 、基于策略划分 VLAN 等方法来划分 VLAN。

PVID :接口默认 VLAN ID ,是交换机端口配置的参数,默认值是 1 。

跨交换机 VLAN 原理

终端设备不会生成带 VLAN 标签的数据帧,它们发出的数据帧叫做无标记帧( Untagged )。它们连接的交换机会给无标记帧打上 VLAN 标签。交换机通过每个端口的 PVID ,判断从这个接口收到的无标记帧属于哪个 VLAN ,并在转发时,插入相应的 VLAN 标签,从而将无标记帧变为标记帧( Tagged )。

当两台交换机通过端口连接时,收到的数据帧是标记帧还是无标记帧?交换机端口会如何处理呢?

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跨交换机的VLAN

交换机根据连接的设备类型,判断各个接口收到的数据帧是否打标,来配置交换机接口的类型。

  • 如果交换机接口收到无标记帧,由交换机根据这个接口所在 VLAN 为数据帧打上 VLAN 标签;同时接口发送数据帧时,也不携带 VLAN 标签。应该把这类接口配置为 Access (接入)接口, Access 接口连接的链路称为 Access 链路。

  • 如果交换机接口收到多个 VLAN 的流量,也就是收到了标记帧;同时为了让对端设备能够区分不同 VLAN 的流量,通过接口发出的流量会打上 VLAN 标签。应该把这类接口配置为 Trunk (干道)接口,相应的链路称为 Trunk 链路。

跨交换机发送数据

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跨交换机VLAN实例

主机 A 以主机 F 的 MAC 地址作为目的 MAC 地址封装了一个数据帧,从网卡发送出去。

交换机 A 在 Access 接口收到数据帧。查询 MAC 地址表,发现数据帧的目的地址是与交换机 B 相连的 Trunk 接口。于是交换机给数据帧打上 Access 接口的 PVID 配置,即给数据帧打上 VLAN 10 的标签,并从 Trunk 接口转发给交换机 B 。

交换机 B 在 trunk 接口收到数据帧。查看 MAC 地址表,发现是 VLAN 10 的数据帧,目的地址设备是连接在 VLAN 10 的一个 Access 接口上。于是去掉数据帧的 VLAN 标签,并从这个 Access 接口转发给主机 F 。

模拟实验

Access 接口和 Trunk 接口的配置

实验拓扑图

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Access接口和Trunk接口配置的拓扑图

实验要求

  • 将 SW 1 (即交换机 1)和 SW 2 (即交换机 2)相连的接口配置为 Trunk 接口,允许传输 VLAN 5 的数据;

  • 将 PC (即主机) 与 SW 相连接口配置为 Access 接口,接口的 PVID 配置为 VLAN 5 。

实验步骤

  1. SW 1 上的配置如下:

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SW1配置

  1. 检查 SW 1 的接口配置,使用命令 display vlan 查看接口 VLAN 情况。

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检查VLAN配置

Hybrid 接口的配置

三种接口类型特点:

  • Access 接口:这种接口只能属于一个 VLAN,只能接收和发送一个 VLAN 的数据。通常用于连接终端设备,比如主机或服务器等。

  • Trunk 接口:这种接口能够接收和发送多个 VLAN 的数据,通常用于连接交换机。

  • Hybrid 接口:这种接口能够接收和发送多个 VLAN 的数据,可用于交换机的链路,也可用于终端设备。与 Trunk 接口的区别是,发送数据时 Trunk 接口只会摘掉 PVID 标签,而 Hybrid 接口能够不携带 VLAN 标签发送多个 VLAN 数据。

实验拓扑图

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Hybrid接口配置的拓扑图

实验要求

  • 新建 3 个 VLAN ,PC 1 属于 VLAN 2 ,PC 2 属于 VLAN 3 ,Server 1 (即服务器 1)属于 VLAN 10 ;

  • 通过 Hybrid 接口实现 VLAN 2 和 VLAN 3 不能互通,但 VLAN 2 和 VLAN 3 都能与 VLAN 10 进行通信。

实验步骤

  1. SW 1 的 E0/0/2 接口,只允许通过 VLAN 2 , PC 1 又需要访问 VLAN 10 ,但是无法识别 VLAN 标签信息,因此配置 Hybrid 的 PVID 为 VLAN 2 ,同时放通 VLAN 2 和 VLAN 10 。E0/0/3 接口配置同理。E0/0/1 接口需要放通 VLAN 2 、 VLAN 3 和 VLAN 10 的流量,对端交换机又需要识别 VLAN 标签,因此以带 VLAN 标签的形式放通 VLAN 2 、 VLAN 3 和 VLAN 10 的流量。SW 1 上的配置如下:

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SW1配置

  1. SW 2 的 E0/0/1 接口配置和 SW 1 的 E0/0/1 接口同理。SW 2 的 E0/0/10 接口,只允许通过 VLAN 10 , Server 1 又需要放通 VLAN 2 和 VLAN 3 的流量,因此配置 Hybrid 的 PVID 为 VLAN 10 ,同时放通 VLAN 2 、 VLAN 3 和 VLAN 10 。SW2 上的配置如下:

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SW2配置

  1. 检查 VLAN 10 信息,分别在 SW 1 和 SW 2 上使用命令 display vlan 10 查看配置是否正确。

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查看SW1的VLAN 10信息
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查看SW2的VLAN 10信息

结尾

Access 接口接收数据帧处理过程

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Access接口接收数据帧流程图

Access 接口发送数据帧处理过程

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Access接口发送数据帧流程图

Trunk 接口接收数据帧处理过程

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Trunk接口接收数据帧流程图

Trunk 接口发送数据帧处理过程

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Trunk接口发送数据帧流程图


参考资料:

图解TCP/IP - 竹下隆史

网络基础 - 田果

路由与交换技术 - 刘丹宁


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