IP网络基础4--三层交换机

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#网络 #tcp/ip #服务器

为解决单臂路由存在的问题，引入了交换和路由集成形成三层交换机。

1.三层交换机的功能

二层交换机和路由器在功能上的集成构成了三层交换机；

三层交换机在功能上实现了VLAN的划分、VLAN内部的二层交换和VLAN间路由的功能。

2.三层交换机的接口介绍

三层交换机上的接口

二层接口（switchport：Access、Trunk）

三层接口（no switchport）：关闭了二层转发功能而开启了路由转发功能的物理接口。

VLAN路由接口（SVI）虚接口：三层交换机的内部路由接口，它将特定VLAN连接到三层转发引擎。

3.三层交换机的报文处理

3.1三层交换机的二层接口

交换机二层接口（Access/Trunk 模式）处理接收数据帧的逻辑流程，按目的 MAC 地址分类，决定如何转发 / 处理帧。

（1）目的 MAC 是 “接口 VLAN 的 MAC”

场景：比如 VLAN 10 的 SVI 接口（虚接口）有自己的 MAC，数据帧目的 MAC 匹配它时，触发三层交换逻辑。
本质：把帧当 “三层报文”（如 IP 包），交给 VLAN 虚接口做路由转发，和物理三层接口处理逻辑一致（拆帧、查路由表、重新封装转发）。

（2）目的 MAC 是 “二层协议组播 MAC / 背板 MAC”

需处理的情况：
协议帧是交换机 “需要识别” 的控制报文，比如：
- STP 的 BPDU（生成树协议，维护拓扑防环）
- Dot1x 的 EAPoL（802.1x 认证，端口准入控制）
  → 这些帧不上送转发，直接交给交换机控制层面（CPU）处理协议逻辑。
不需处理的情况：
- 二层协议组播帧（如某些组播地址但无对应协议处理）→ 在本 VLAN 内洪泛（除入接口外，所有同 VLAN 接口广播）。
- 背板 MAC 帧（一般是交换机内部维护、无需转发的地址）→ 直接丢弃，不处理 / 转发。

（3）目的 MAC 是 “其他单播 MAC”

核心逻辑：查MAC 地址表做二层转发（类似 “查表找出口”）。
关键规则：如果查出来的出接口 = 入接口（同进同出），直接丢弃帧 → 避免 “自己发自己” 导致环路、资源浪费。

（4）目的 MAC 是 “广播 MAC / 其他组播 MAC”

基础行为：在本 VLAN 内洪泛（除入接口外，所有同 VLAN 接口转发该帧）。
三层关联：如果是三层报文（比如带 IP 的组播帧），会额外复制一份给 SVI 接口（VLAN 虚接口），由 SVI 按三层逻辑处理（如查组播路由、做 IP 转发等），和物理三层接口流程一致。

总结：
交换机二层接口通过 “识别目的 MAC 类型”，区分「协议控制帧（给 CPU）」「普通数据帧（查 MAC 表转发）」「广播 / 组播帧（洪泛 + 三层关联）」，既保证协议正常运行，又实现数据转发，还通过 “同进同出丢弃” 防环，是交换机组网的核心转发逻辑。

3.2三层接口

交换机三层接口（no switchport 模式，纯三层转发） 处理接收帧的逻辑，和路由器物理接口转发逻辑类似，核心是按 “目的 MAC + 报文类型” 决定如何处理：

（1）目的 MAC 是 “三层接口自身 MAC”

场景：帧的目的 MAC 匹配三层接口的 MAC（比如路由器物理口 MAC、交换机三层口 MAC ），说明是 “发给自己” 的帧。
处理逻辑：
- 如果是三层报文（带 IP 头的数据包）→ 执行三层交换 / 路由转发：
  - 查转发表（路由表 / CEF 表），即使 “出接口 = 入接口”（同进同出），也会像路由器一样正常转发（比如环路测试场景，允许数据包 “绕一圈回来” 再处理）。
  - 特殊情况：如果是协议报文（如 OSPF、BGP），或目标 IP 是接口自身 IP（比如 Ping 接口 IP）→ 不上送转发，直接交给交换机控制层面（CPU） 处理协议逻辑。

（2）目的 MAC 是 “其他单播 MAC / 二层组播 MAC”

核心规则：直接丢弃。
原因：三层接口工作在 “纯三层”，不处理二层单播 / 无关组播（这些属于二层转发逻辑，三层口已剥离二层功能）。

3. 目的 MAC 是 “广播 MAC / 三层组播 MAC”

需处理的情况：
帧是三层协议相关的广播 / 组播，比如：
- ARP（地址解析，IP→MAC 映射）
- RIP（路由信息协议，交换路由条目）
  → 这些属于 “需要三层接口识别” 的控制报文，交给交换机控制层面（CPU） 处理协议逻辑。
不需处理的情况：
无关的广播 / 三层组播（无对应协议处理）→ 直接丢弃。

（4）目的 MAC 是 “其他组播 MAC”

条件：交换机开启了组播路由功能（如 PIM、IGMP）。
处理：查组播路由表（MRIB、MFIB），按组播转发规则（如 RPF 检查、出接口列表）转发帧。

（5）与路由器物理接口的关联

特性相同：三层接口转发逻辑（路由查表、协议处理）和路由器物理接口一致，本质是 “交换机上的三层转发点”。
线序差异：虽然功能像路由器，但物理层线序仍遵循交换机接口标准（比如以太网接口的 MDI/MDIX 自动协商），不需要手动调整线序适配。

总结：
三层接口（no switchport）是交换机实现 “路由转发” 的入口，专注处理三层及以上逻辑（IP 路由、协议报文），剥离了二层转发（除必要协议交互），转发行为向路由器对齐，同时保留交换机物理接口的线序特性，是 “交换机组网 + 路由功能” 融合的关键配置。

4.模拟实验

4.1搭建实验拓扑图

4.2配置交换机端口及划分vlan

Switch(config)#vlan 10
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#vlan 20
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#interface f0/2
Switch(config-if)#switchport mode access
Switch(config-if)#switchport access vlan 10
Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface f0/3
Switch(config-if)#switchport mode access
Switch(config-if)#switchport access vlan 20
Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface f0/1
Switch(config-if)#switchport mode trunk
Switch(config-if)#switchport trunk allowed vlan 10,20

4.3配置三层交换机

Switch(config)#vlan 10
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#vlan 20
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#exit
Switch(config)#interface range f0/1-2	
Switch(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
Switch(config-if-range)#switchport mode trunk
Switch(config-if-range)#exit
Switch(config)#interface vlan 10
Switch(config-if)#ip address 192.168.10.254 255.255.255.0
Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface vlan 20
Switch(config-if)#ip address 192.168.20.254 255.255.255.0

开启三层交换机路由转发功能：

Switch#conf t	
Switch(config)#ip routing