网桥的原理

网桥的原理

1.1 桥接的概念

简单来说,++桥接就是把一台机器上的若干个网络接口"连接"起来++ 。其结果是,其中一个网口收到的报文会被复制给其他网口并发送出去。以使得网口之间的报++文能够互相转发。++

++交换机就是这样一个设备,它有若干个网口,并且这些网口是桥接起来的。++于是,与交换机相连的若干主机就能够通过交换机的报文转发而互相通信。

交换机在报文转发的过程中并不会篡改报文数据,只是做原样复制。然而桥接却并不是在物理层实现的,而是在数据链路层。交换机能够理解数据链路层的报文,所以实际上桥接不是单纯的报文转发。

交换机会关心填写在报文的数据链路层头部中的Mac地址信息(包括源地址和目的地址),以便了解每个Mac地址所代表的主机都在什么位置(与本交换机的哪个网口相连)。在报文转发时,交换机就只需要向特定的网口转发即可,从而避免不必要的网络交互。这个就是交换机的"地址学习"。但是如果交换机遇到一个自己未学习到的地址,就不会知道这个报文应该从哪个网口转发,则只好将报文转发给所有网口(接收报文的那个网口除外)。

比如主机C向主机A发送一个报文,报文来到了交换机S1的eth2网口上。假设S1刚刚启动,还没有学习到任何地址,则它会将报文转发给eth0和 eth1。同时,S1会根据报文的源Mac地址,记录下"主机C是通过eth2网口接入的"。于是当主机A向C发送报文时,S1只需要将报文转发到 eth2网口即可。而当主机D向C发送报文时,假设交换机S2将报文转发到了S1的eth2网口(实际上S2也多半会因为地址学习而不这么做),则S1会直接将报文丢弃而不做转发(因为主机C就是从eth2接入的)。

然而,网络拓扑不可能是永不改变的。假设我们将主机B和主机C换个位置,当主机C发出报文时(不管发给谁),交换机S1的eth1口收到报文,于是交换机 S1会更新其学习到的地址,将原来的"主机C是通过eth2网口接入的"改为"主机C是通过eth1网口接入的"。

但是如果主机C一直不发送报文呢?S1将一直认为"主机C是通过eth2网口接入的",于是将其他主机发送给C的报文都从eth2转发出去,结果报文就发 丢了。所以交换机的地址学习需要有超时策略。对于交换机S1来说,如果距离最后一次收到主机C的报文已经过去一定时间了(默认为5分钟),则S1需要忘记 "主机C是通过eth2网口接入的"这件事情。这样一来,发往主机C的报文又会被转发到所有网口上去,而其中从eth1转发出去的报文将被主机C收到。

1.2 linux的桥接实现

linux内核支持网口的桥接(目前只支持以太网接口)。但是与单纯的交换机不同,交换机只是一个二层设备,对于接收到的报文,要么转发、要么丢弃。小型 的交换机里面只需要一块交换芯片即可,并不需要CPU。而运行着linux内核的机器本身就是一台主机,有可能就是网络报文的目的地。其收到的报文除了转 发和丢弃,还可能被送到网络协议栈的上层(网络层),从而被自己消化。

linux内核是通过一个虚拟的网桥设备来实现桥接的。这个虚拟设备可以绑定若干个以太网接口设备,从而将它们桥接起来。

网桥设备br0绑定了eth0和eth1。对于网络协议栈的上层来说,只看得到br0,因为桥接是在数据链路层实现的,上层不需要关心桥接的细节。于是协议栈上层需要发送的报文被送到br0,网桥设备的处理代码再来判断报文该被转发到eth0或是eth1,或者两者皆是;反过来,从eth0或从eth1接 收到的报文被提交给网桥的处理代码,在这里会判断报文该转发、丢弃、或提交到协议栈上层。

而有时候eth0、eth1也可能会作为报文的源地址或目的地址,直接参与报文的发送与接收(从而绕过网桥)。

1.3 网桥的功能

概括来说,网桥实现最重要的两点:

1. MAC学习:学习MAC地址,起初,网桥是没有任何地址与端口的对应关系的,它发送数据,还是得想HUB一样,但是每发送一个数据,它都会关心数据包的来源MAC是从自己的哪个端口来的,由于学习,建立地址-端口的对照表(CAM表)。

2. 报文转发:每发送一个数据包,网桥都会提取其目的MAC地址,从自己的地址-端口对照表(CAM表)中查找由哪个端口把数据包发送出去。

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