Microsoft PowerPoint - CCNA： LAN SwitchingRouting [兼容模式]

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璋左奚
5 years ago
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1 LAN Switching/Routing 华信咨询设计研究院有限公司二 O 一八年一月 1 分享提高成长

2 课件目标及简介课件目标学完本课程后, 您应该可以了解静态 / 动态路由协议 IGP(OSPF ISIS) BGP(IBGP EBGP) MPLS/MPLS VPN 了解交换机工作原理 MAC 地址 VLAN VXLAN 课件简介介绍路由交换基础知识, 介绍常用的 IGP BGP 协议, 介绍交换机工作原理 MAC 地址概念及 VLAN VXLAN 2 分享提高成长

3 课件提纲 Routing 路由协议 IGP BGP MPLS/MPLS VPN Switching 3 分享提高成长

4 路由协议路由协议用于路由器选择路径和管理路由表一旦选择了一条路径后, 路由器将路由可路由协议静态路由 : 管理员手动添加的路条目当网络发生变化时, 不会改变, 需要管路员再次手动修改动态路由 : 路由通过路由协议 (rip,ospf,eigrp,bgp 等 ) 学习到路由条目并自动保存路由表中网络发生变化时, 根据路由协议的特性, 路由器会自动收敛, 路由表里会保存最新, 最优的路由条目 E0 Network Protocol Connected RIP IGRP S0 Destination Network Exit Interface E0 S0 S 可路由协议 : IP 路由协议 : RIP, IGRP,EIGRP,OSPF,BGP 分享提高成长

5 IGP/BGP IGP(interior Gateway Protocols) 在同一个自治系统内交换路由信息,RIP,OSPF 和 IS-IS 都属于 IGP IGP 的主要目的是发现和计算自治域内的路由信息 BGP(Border GatewayProtocol) 是一种在自治系统之间动态交换路由信息的路由协议一个自治系统的经典定义是在一个管理机构控制之下的一组路由器, 它使用 IGP 和普通度量值向其他自治系统转发报文 5 分享提高成长

6 链路状态协议 B C A 拓补结构数据 D LSA(link state advertisement) 数据包链路状态公告 SPF 运算路由表最佳路由信息传递最佳的路径信息给其它的路由器 6 分享提高成长

7 拓扑结构数据及路由表 7 分享提高成长

8 IS-IS IS 表示中间系统, 是路由器的 OSI 语言 IS-IS 是一种链路状态协议 IS-IS 网络能划分成多个子域 IS-IS 在 1992 年 ISO/IEC10589 建议中定义 8 分享提高成长

9 IS-IS Area L1 L1/L2 Level 1 区域 Area L1/L2 Level 2 主干 L1/L2 Area Level 1 区域 Level 1 区域 L1 L1 9 分享提高成长

10 IS-IS 路由器 A Down Init Up Up Up Up Hello (DR= ) Hello (DR= ) Hello (DR is selected) LSP CSNP PSNP 路由器 B Down Init Up Up Up Up 10 分享提高成长

11 OSPF 链路状态路由协议 (vs. 距离矢量 ), 最短路径优先 (SPF Shortest Path First) 算法 OSPF 通告链路状态信息而不是路由表更新信息. LSA( 链路状态通告 ) 被泛洪道到区域内的所有 OSPF 路由器. OSPF 使用 SPF 算法计算到目的地的最短路径. 11 分享提高成长

12 OSPF 12 分享提高成长

13 BGP n3,n4 ISP-1 ISP-2 n5,n6 (n3,n4) (n5,n6) ISP-3 n1,n2 (n1,n2,n3,n4) EBGP IBGP 路由数据

14 BGP 在自治系统 (AS) 之间传递路由信息使用 TCP 协议保证信息传递的可靠性 (179) 使用 OPEN 信息建立邻居关系使用 UPDATE 信息传递路由信息使用 KEEPALIVE 信息保持邻居关系使用 NOTIFICATION 报告错误, 中止邻居关系维护一张带有版本号的 BGP 表, 在路由更新时增加版本号路由器根据 BGP 表中各表项的值计算到接邻 AS 的路由 14 分享提高成长

15 BGP BGP 邻居关系的建立 - 邻居 n3,n4 AS 3 AS 56 n5,n6 R1 R5 AS 251 R3 R2 EBGP IBGP n1,n2 R4 EBGP AS 自治域的标号两个字节的无符号整数 (0~65535) 64512~65535 是私有自治域号具有相同 AS 号的邻居建立 IBGP 关系具有不同 AS 号的邻居建立 EBGP 关系 15 分享提高成长

16 MPLS MPLS Multi-Protocol Label Switching Multi-Protocol: 支持多种三层协议, 如 IP IPv6 IPX 等, 它通常处于二层和三层之间, 俗称 2.5 层 Label: 是一种短的等长的易于处理的不包含拓扑信息只具有局部意义的信息内容 Switching: MPLS 报文交换和转发是基于标签的针对 IP 业务,IP 包在进入 MPLS 网络时, 入口的路由器分析 IP 包的内容并且为这些 IP 包选择合适的标签, 然后所有 MPLS 网络中节点都是依据这个简短标签来作为转发依据当该 IP 包最终离开 MPLS 网络时, 标签被出口的边缘路由器分离 16 分享提高成长

17 MPLS 基本概念 LER MPLS 域 IP LER LSR LSR LER LSP MPLS LSR LSR:Label Switch Router LER:Label Edge Router LSP:Label Switch Path LER 17 分享提高成长

18 MPLS 基本工作过程 18 分享提高成长

19 为什么使用 MPLS MPLS 结合了网络层的灵活连接和可扩展性, 以及 ATM 的标签转发的可靠传输和 QoS 支持多种标准的路由协议, 如 BGP OSPF 支持多种标签生成协议, 如 LDP RSVP 支持多种网络层协议, 包括 IPv4 IPv6 IPX 等有效解决 QoS 问题具有标签转发的高性能支持二层和三层的 MPLS VPN VPN 的控制在 PE 上实现, 管理和扩展非常方便每个 VPN 单独构成一个独立的地址空间, 即 VPN 之间可以重用地址方便的控制 VPN 各业务之间的隔离和互通 19 分享提高成长

20 MPLS 封装格式与标签 Label COS S TTL 32 bits L2 Header MPLS Header IP Header Data MPLS 包头有 32Bit(4 字节 ), 其中包括 : 20Bit 用作标签 (Label) 3 个 Bit 的 Experimental, 协议中没有明确, 通常用作 CoS(Class of Service) 1 个 Bit 的 S, 用于标识是否是栈底, 用来做标签的嵌套, 这样可以使标签无限扩展 8 个 Bit 的 TTL MPLS 包头处于 IP(3 层 ) 头部前,2 层头部后, 不同封装类型 MPLS 头部所处位置不同其他 ATM/FR 中的标签 (VPI/VCI) 目前也是 MPLS 协议栈的一部分 20 分享提高成长

21 标签栈 L2 Header MPLS Header MPLS Header IP Header Data 理论上, 标签栈可以无限嵌套, 从而提供无限的业务支持能力这是 MPLS 技术最大的魅力所在 21 分享提高成长

22 MPLS VPN 网络结构 VPN_A CE VPN_B CE VPN_A CE VPN_B CE PE PE P P ibgp sessions P PE P PE CE CE CE VPN_A VPN_A VPN_B CE(Custom Edge): 直接与服务提供商相连的用户设备 PE(Provider Edge Router): 指骨干网上的边缘路由器, 与 CE 相连, 主要负责 VPN 业务的接入 P(Provider Router): 指骨干网上的核心路由器, 主要完成路由和快速转发功能 22 分享提高成长

23 与传统 VPN 模型的比较与传统的 Overlay VPN 模型相比,MPLS VPN 可以提供一种动态建立的隧道技术 MPLS 中的 LSP 正是一种天然的隧道, 而且这种隧道的建立是基于 LDP 协议, 又恰恰是一种动态的标签生成协议与传统的 Peer to Peer VPN 模型相比,MPLS VPN 可以解决不同 VPN 共享相同地址空间的问题, 即解决地址冲突的问题通过动态路由协议来解决 23 分享提高成长

24 MPLS/VPN 报文转发 ( 一 ) In Label FEC Out Label /32 41 PE-1 VPN-A /24, NH= Label=(28) 北京 /24 上海入口 PE 收到 CE 的普通 IP 报文后,PE 根据入接口所属的 VPN 实例加入到相应的 VPN 转发表, 查找下一跳和标签 24 分享提高成长

25 MPLS/VPN 报文转发 ( 二 ) In Label FEC Out Label 28(V) /24 - In Label FEC Out Label /32 POP VPN-A /24, NH= 北京 PE /30 VPN-A /24, NH= Label=(28) 北京 /24 上海倒数第二跳路由器弹出外层标签, 根据下一跳发送至出口 PE 出口 PE 路由器根据内层标签判断报文是去向哪个 CE 弹出内层标签, 用普通 IP 报文向目的 CE 进行转发 25 分享提高成长

26 课件提纲 Routing Switching 交换机工作原理 /MAC 地址 VLAN VXLAN 26 分享提高成长

27 交换机的功能学习 MAC 地址转发 / 过滤 Frame 防止回路 27 分享提高成长

28 交换机学习主机地址 MAC 地址表 A B c E0 E c C E2 E3 D c c 开机时 MAC 地址表是空的 28 分享提高成长

29 交换机学习主机地址 ARP 是根据 IP 地址获取物理地址的一个 TCP/IP 协议主机发送信息时将包含目标 IP 地址的 ARP 请求广播到网络上的所有主机, 并接收返回消息, 以此确定目标的物理地址 A MAC 地址表 E0: c B c E0 E c C E2 E3 D c c 主机 A 发送数据帧给主机 C 交换机记录下主机 A 的 MAC 地址对应端口 E0 帧被转发到除端口 E0 以外的其它所有端口 29 分享提高成长

30 交换机学习主机地址 A MAC 地址表 E0: c E3: c B c E0 E c C c E2 E3 D c 主机 D 发送数据帧给主机 C 交换机记录下主机 D 的 MAC 地址对应端口 E03 帧被转发到除端口 E3 以外的其它所有端口 30 分享提高成长

31 交换机确定转发 / 过滤帧 A c C c E0: c E2: c E1: c E3: c E0 E2 MAC 地址表 X X E1 E3 B c D c host A 发送数据帧给主机 C 在地址表中有目标主机, 数据帧不再泛洪而直接转发 31 分享提高成长

32 广播风暴服务器 / 主机 X 路由器 Y 交换机 A 交换机 B 广播交换机不停地发出广播信息 32 分享提高成长

33 生成树协议 Port 2 d Port 1 d Switch Z Mac 0c Default priority Switch X MAC 0c Default priority Port 1 Port 2 r d Port 2 Port 1 r Switch Y MAC 0c Default priority base T 33 分享提高成长

34 VLAN Each logical VLAN is like a separate physical bridge. VLANs can span across multiple switches. Trunks carry traffic for multiple VLANs. Trunks use special encapsulation to distinguish between different VLANs. 34 分享提高成长

35 不同 VLAN 间主机的通信 - 用三层实现 SW3550 Fa0/1 Fa0/2 vla n2 vla n3 vlan2 vlan / /24 35 分享提高成长

36 VXLAN 引入背景 Overlay 是一种将 ( 业务的 ) 二层网络构架在 ( 传统网络的 ) 三层 / 四层报文中进行传递的网络技术 1 大二层的问题由于 Overlay 网络隧道两端一般是在虚拟交换机上, 而虚拟交换机之间的 ( 物理 ) 网络只需要三层互通就可网络接入层以上完全可以跑路由协议, 通过路由协议 ECMP 等方式实现多路径无环路的网络通道这样大二层只需要 Overlay 网络支持, 接入层以上的物理网络只需要支持传统三层的网络协议就可以 2 网络感知的问题传统方案中网络首先要感知服务器, 然后要感知服务器的变迁操作, 最后是根据服务器的变迁进行自动的策略跟随在 Overlay 网络中, 接入设备是建立 Overlay 隧道的虚拟交换机, 这样只要隧道两端的虚拟交换机能够区分不同虚拟机流量, 就可以设置不同的服务器策略当虚拟服务器迁移时, 和虚拟服务器同根同源的虚拟交换机可以天然地在网管平台上获得迁移的详细信息, 从而轻易实现虚拟服务的自动跟随 3 网络自跟随问题原来服务器在迁移时, 需要迁就于物理网络的网关和地址在 Overlay 网络引入后, 业务的 IP 地址和网络的 IP 地址可分离 Overlay 封装内的 IP 地址为业务 IP 地址, 可以根据用户业务自行定义 ;Overlay 封装外的 IP 地址为网络地址, 由网络管理员定义 Overlay 网络内层的业务 IP 地址只有 Overlay 网络隧道两端可以感知, 外层物理网络不感知, 不会引起冲突 36 分享提高成长

VXLAN: 概念 VXLAN can be implemented on both Hypervisor-based Virtual Switches to allow for scalable VM deployments, as well as on Physical switches, which provides the ability to bridge VXLAN segments

37 VXLAN: 概念 VXLAN can be implemented on both Hypervisor-based Virtual Switches to allow for scalable VM deployments, as well as on Physical switches, which provides the ability to bridge VXLAN segments back into VLAN segments. In these cases, the Physical Switch instantiates a VTEP, and function as a VXLAN Gateway MAC-in-UDP 封装利用底层传输网络的组播能力仿真二层网络中的 BUM 帧利用 ECMP 实现底层网络之上的路径优化 VXLAN 允许跨越物理子网边界的移动性, 使得业务负载与物理网络脱离, 负载向云环境的迁移成为可能一个 24-bit VXLAN Segment ID 或者 VXLAN Network Identifier (VNI) 包含在数据帧头提供达到 16M VXLAN 分段, 相比 VLAN 只能提供 4K 个分段每个分段代表一个唯一的二层广播域, 子网或租户地址 37 分享提高成长

38 VXLAN 报文 : 组成 VXLAN: virtual Extensible LAN 虚拟可扩展局域网, 是一种 overlay 的网络技术, 使用 MAC in UDP 的方法进行封装, 共 50 字节的封装报文头 38 分享提高成长

39 VXLAN 实现原理 : 主要术语 VNI(VXLAN Network Identifier ) VTEP(VXLAN Tunnel End Point) VXLAN 隧道 VSI(Virtual Switching Instance) VXLAN Segment 等 VNI 作为软资源, 主要标识不同的 VXLAN 域 VTEP 可由支持 VXLAN 的硬件设备或软件来实现,VTEP 可以是一台独立的物理设备, 也可以是虚拟机所在的服务器, 主要负责对 VXLAN 报文进行封装 / 解封装, 包括 ARP 请求报文和正常的 VXLAN 数据报文, 在一段封装报文后通过隧道向另一端 VTEP 发送封装报文, 另一端 VTEP 接收到封装的报文解封装后根据封装的 MAC 地址进行转发 VXLAN 隧道 : 两个 VTEP 之间的点到点逻辑隧道 VTEP 为数据帧封装 VXLAN 头 UDP 头 IP 头后, 通过 VXLAN 隧道将封装后报文转发给远端 VTEP, 远端 VTEP 对其进行解封装 VSI( 虚拟交换实例 ):VTEP 上为一个 VXLAN 提供二层交换服务的虚拟交换实例, 具有源 MAC 地址学习 MAC 地址老化泛洪等功能,VSI 与 VXLAN 一一对应 VXLAN Segment 表示实现 VM 间通信的 VXLAN 二层 overlay 网络, 在这网络内 VM 可以互相通信并实现灵活迁移所有 VM 加入 VXLAN 实际上是通过 VTEP 加入一个 VXLAN 关联组播组的方式来实现的每个 VTEP 上会维护一张表, 记录属于同一个 VXLAN ( 二层网 )VM 的 MAC 地址, 其所属主机的 VTEP 的 IP 地址, 如下表所示 NetID MAC IP 100 MAC2 IP_vtep2 当一个 VM1 和一个二层内的其他 VM( 比如 VM2) 通信时, 当且仅当 VM1 所在主机没有记录 VM2 所属的主机 VTEP 地址时候, VM1 所在主机需要通过主机发送一个组播来查找 VM2 的 MAC, 以及 VM2 所在主机的 VTEP IP. 39 分享提高成长

40 VXLAN 实现原理 : 运行机制 VXLAN 运行机制 : (1) 发现远端 VTEP, 在 VTEP 之间建立 VXLAN 隧道, 并将 VXLAN 隧道与 VXLAN 关联 (2) 识别接收到的报文所属的 VXLAN, 以便将报文的源 MAC 地址学习到 VXLAN 对应的 VSI, 并在该 VSI 内转发该报文 (3) 学习虚拟机的 MAC 地址 (4) 根据学习到的 MAC 地址表项转发报文 40 分享提高成长

41 VXLAN 实现原理 :ARP 请求 VM1 MAC1 VM2 MAC2 ESX1 1 VTEP1 BCAST MAC1 ARP Req NetID MAC IP 5 BCAS MAC1 4 Learn inner src MAC/ outer src IP mapping T NetID MAC IP 100 MAC1 IP1_vtep1 ESX 2 VTEP2 ARP Req 2 For original bcast, encap w/ ip mcast 3 Encapped pkt comes in via mcast MAC Hdr IP Hdr DA: SA:IP_vtep1 UDP Hdr VXLAN Hdr VXLAN ID: 100 BCAST MAC1 ARP Req MAC Hdr L2/L3 network infra IP Hdr DA: SA:IP_vtep1 UDP Hdr VXLAN Hdr VXLAN ID: 100 BCAST MAC1 ARP Req 41 分享提高成长 VM1 通过组播在其所属的 vxlan 对应的组播组中发送 ARP request (BCAST IN MULTICAST) 1) VM1 以广播的形式发送 ARP 请求 ; 2) VTEP1 封装报文打上 VXLAN 标识为 100, 外层 IP 头 DA 为 IP 多播组 ( ),SA 为 IP_VTEP1. 3) VTEP1 在多播组内进行多播 ; 4) VTEP2 解析接收到多播报文填写流表 (VNI, 内层 MAC 地址, 外层 IP 地址 ), 并在本地 VXLAN 标识为 100 的范围内广播 5) VM2 对接收到的 ARP 请求进行响应

42 VXLAN 实现原理 :ARP 响应 VM1 MAC1 VM2 MAC2 ESX1 4 VTEP1 MA C1 MA C2 ARP Resp 3 Learn inner src MAC/ outer src IP mapping NetID MAC IP NetID MAC IP 100 MAC1 IP_vtep1 100 MAC2 IP_vtep2 1 ESX 2 MA C1 VTEP2 MA C2 ARP Resp 2 MAC1 is learnt, encap w/ IP unicast MAC Hdr IP Hdr DA:IP_vtep1 SA:IP_vtep2 UDP Hdr VXLAN Hdr VXLAN ID: 100 MAC1 MAC2 ARP Resp MAC Hdr IP Hdr DA:IP_vtep1 SA:IP_vtep2 UDP Hdr VXLAN Hdr VXLAN ID: 100 MAC1 MAC2 ARP Resp L2/L3 network infra VM2 通过单播向 VM 1 发送 ARP 应答 1)VM2 准备 ARP 响应报文后向 VM1 发送响应报文 2)VTEP2 接收到 VM2 的响应报文后把它封装在 IP 单播报文中 (VXLAN 标识依然为 100), 然后向 VM1 发送单播 3)VTEP1 接收到单播报文后, 学习内层 MAC 到外层 IP 地址的映射, 解封装并根据被封装内容的目的 MAC 地址转发给 VM1 4)VM1 接收到 ARP 应答报文,ARP 交互结束 42 分享提高成长

VXLAN 实现原理 : 数据传输 VM1 MAC1 1 MAC2 MAC1 Data 4 VM2 MAC2 MAC2 MAC1 Data ESX1 VTEP1 NetID MAC IP 100 MAC2 IP_vtep2 NetID MAC IP 100 MAC1 IP1_vtep1 ESX 2 VTEP2 2 3 MAC Hdr IP Hdr DA:IP_vtep2 SA:IP_vtep1

43 VXLAN 实现原理 : 数据传输 VM1 MAC1 1 MAC2 MAC1 Data 4 VM2 MAC2 MAC2 MAC1 Data ESX1 VTEP1 NetID MAC IP 100 MAC2 IP_vtep2 NetID MAC IP 100 MAC1 IP1_vtep1 ESX 2 VTEP2 2 3 MAC Hdr IP Hdr DA:IP_vtep2 SA:IP_vtep1 UDP Hdr VXLAN Hdr VXLAN ID: 100 MAC2 MAC1 Data MAC Hdr IP Hdr DA:IP_vtep2 SA:IP_vtep1 UDP Hdr VXLAN Hdr VXLAN ID: 100 MAC2 MAC1 Data L2/L3 network infra VM1 通过单播向 VM2 发送数据 (1) ARP 请求应答之后,VM1 知道了 VM2 的 Mac 地址, 并且要向 VM2 通信 ( 注意,VM1 是以 TCP 的方法向 VM2 发送数据的 ) VTEP1 收到 VM1 发送数据包, 用 MAC 地址从流表中检查 VM1 与 VM2 是否属于用一个 VNI 两个 VM 不但位于同一个 VNI 中 ( 不在同一个 VNI 中出网关 ), 并且 VTEP1 已经知道了 VM2 的所有地址信息 (MAC 和 VTEP2_IP) VTEP1 封装新的数据包, 然后交给上联交换机 (2) 上联交换机收到服务器发来的 UDP 包, 对比目的 IP 地址和自己的路由表, 然后将数据报转发给相应的端口 (3) 目的 VTEP 收到数据包后检查器 VNI, 如果 UDP 报中 VNI 与 VM2 的 VNI 一致, 则将数据包解封装后交给 VM2 进一步处理至此一个数据包传输完成 43 分享提高成长

44 VXLAN 举例

1 1 2 OSPF RIP 2

MPLS VPN 1. TCP/IP IP IP IP IP 1 1 2 OSPF RIP 2 2 RIP OSPF BGP DVMRP IS- IS IP 1. Unicast Routing Protocol Multicast Routing Protocol RIP OSPF BGP IS-IS DVMRP PIM-SM PIM-DM 2. IGP EGP IGPRIP OSPF IS-ISEGP