【通信网络】二层基础：03 二层转发基础

1. 二层转发概述

数据链路层，位于OSI模型中的第二层，所以称之为二层。本文我们讨论的转发过程，就是在数据链路层上的转发过程，即二层转发。

1.1 MAC地址

为了唯一的表示一台网络设备，网络设备都有自己的MAC地址。IEEE 802.3标准中，MAC地址被定义为48位（6字节）的地址。MAC地址的前24位称为组织唯一标识符（OUI），由IEEE分配给厂商，剩下的24位是网络接口标识符，表示厂商生产的网络设备的序列号。在前面的文章中，我们已经讲述过MAC地址，此处不再赘述。

1.2 帧

数据链路层上转发的数据叫帧，帧中包含了源设备的MAC地址（源MAC，SMAC）和目的设备的MAC地址（目的MAC，DMAC）。根据数据帧中DMAC的差异，分为单播帧、多播帧和广播帧，这里我们只分析单播帧和广播帧。在前面的文章中，我们已经讲述过帧，此处不再赘述。

了解完这些基础概念后，我们来分析二层转发过程。

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2. 基于MAC的二层转发

假设设备A~C在同一个局域网，他们三者的MAC地址已经列出来了，那么A和B之间的数据转发过程如何呢？下面，我们在设备C的内部详细分析一下。

2.1 已知单播的二层转发

如果设备A已经知道设备B的MAC地址，那么发出的数据帧中的DMAC填的就是设备B的MAC地址，源MAC地址填的是自己的地址，那么具体的转发流程如下所示。

（1）源MAC学习。设备C从PORT 1收到设备A发送的数据帧，根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）

（2）目的MAC转发。设备C根据数据帧的DMAC去MAC地址表中查找，找到对应的出端口是PORT 2，上图中绿色虚线框中的条目。那么就会将该数据帧从PORT 2转发出去，这样就完成了转发过程。

2.2 ARP协议

在上文中，我们描述的是设备A已知设备B的MAC地址的场景下的转发过程，那么我们怎么能知道设备B的MAC地址呢？这时候就需要请出我们的ARP协议了。

ARP报文的格式如下：

报文中的各个字段的含义如下：

字段	长度	含义
DMAC	6字节	目的MAC地址
SMAC	6字节	源MAC地址
Type	2字节	Type：指链路直接封装的上层协议类型，对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0x0806。
802.1Q Tag	4字节	802.1Q Tag
Hardware Type	16比特	表示硬件地址的类型。对于以太网，该类型的值为“1”。
Protocol Type	16比特	表示发送方要映射的协议地址类型。对于IP地址，该值为0x0800。
Hardware Length	8比特	表示硬件地址的长度，单位是字节。对于ARP请求或应答来说，该值为6。
Protocol Length	8比特	表示协议地址的长度，单位是字节。对于ARP请求或应答来说，该值为4。
OP	16比特	操作类型: 1 ARP请求 2 ARP应答 3 RARP请求 4 RARP应答
Ethernet Address of Sender	48比特	发送方以太网地址。这个字段和ARP报文首部的源以太网地址字段是重复信息。
IP Address of Sender	32比特	发送方的IP地址。
Ethernet Address of Destination	48比特	接收方的以太网地址。发送ARP请求时，该处填充值为0x00.00.00.00.00.00。
IP Address of Destination	32比特	接收方的IP地址。
FCS	4字节	帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收者提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。 FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。

如下图，A~J在同一个局域网，这时候A要和B通信，但是A不知道B的MAC地址，那么该怎么办呢？

这时，A可以发送ARP请求广播报文到整个广播域去扩散，等待B的应答，具体过程如下。（ARP报文中包含了发送方和接收方的MAC地址和IP地址，ARP请求报文中，接收方的MAC地址填全0。）

（1）A发送ARP请求广播报文到C和D，图中的橙色箭头。这时，C和D会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。（这里只列出了D，C与之类似。）

（2）D收到ARP请求广播报文，检查目的IP不是自己，将ARP请求广播报文泛洪到E和H，图中的橙色箭头。这时，E和H会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。（这里只列出了H，E与之类似。）

（3）E收到ARP请求广播报文，检查目的IP不是自己，将ARP请求广播报文泛洪到F；H收到ARP请求广播报文，检查目的IP不是自己，将ARP请求广播报文泛洪到B、G和I，图中的橙色箭头。这时，F、B、G和I会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。（这里只列出了B，F、G和I与之类似。）

（4）B收到ARP请求广播报文，检查目的IP是自己，查询MAC地址表，将ARP应答报文发送到H，图中的绿色箭头。同样的，这时，B会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。

（5）H收到ARP应答报文，检查目的IP不是自己，查询MAC地址表，将ARP应答报文发送到D，图中的绿色箭头。同样的，这时，H会进行源MAC学习，图中绿色的MAC地址表条目。

（6）D收到ARP应答报文，检查目的IP不是自己，查询MAC地址表，将ARP应答报文发送到A，图中的绿色箭头。同样的，这时，D会进行源MAC学习，图中绿色的MAC地址表条目。

（7）A收到ARP应答报文，检查目的IP是自己，这样A就知道了B的MAC地址。同样的，这时，A会进行源MAC学习，图中绿色的MAC地址表条目。

2.3 未知单播的二层转发

如果设备C上收到的报文是未知单播，又是怎样的转发过程呢？

（2）泛洪转发。设备C根据数据帧的DMAC去MAC地址表中查找，发现并没有找到对应的MAC地址表条目。那么就会将该数据帧从除源端口外的其他所有端口转发出去，即泛洪转发。

2.4 广播的二层转发

如果设备C上收到的报文是广播帧，又是怎样的转发过程呢？

（2）泛洪转发。设备C发现数据帧的DMAC是全F，说明是广播帧，那么就会将该数据帧从除源端口外的其他所有端口转发出去。

3. 基于VLAN的二层转发

根据前面的文章，我们知道，早期的局域网存在广播帧泛滥，信息安全等问题。而VLAN技术可以将物理局域网划分为一个一个的逻辑子网（每个逻辑子网是一个广播域），一定程度上解决了这些问题。下文，我们还是以上文的拓扑为基础（设备A~C在同一个VLAN广播域），基于VLAN内的不同类型的端口，来讲述VLAN的二层转发。