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路由器mac地址是什么(通过mac码获取定位)

程序员文章站 2023-02-18 10:46:29
前言mac(media access control)地址用来定义网络设备的位置。mac地址由48比特长、12位的16进制数字组成,其中从左到右开始,0到23bit是厂商向ietf等机构申请用来标识厂...

前言

mac(media access control)地址用来定义网络设备的位置。mac地址由48比特长、12位的16进制数字组成,其中从左到右开始,0到23bit是厂商向ietf等机构申请用来标识厂商的代码,24到47bit由厂商自行分派,是各个厂商制造的所有网卡的一个唯一编号。

mac地址可以分为3种类型:

  • 物理mac地址:这种类型的mac地址唯一的标识了以太网上的一个终端,该地址为全球唯一的硬件地址;
  • 广播mac地址:全1的mac地址为广播地址(ff-ff-ff-ff-ff-ff),用来表示lan上的所有终端设备;
  • 组播mac地址:除广播地址外,第8bit为1的mac地址为组播mac地址(例如01-00-00-00-00-00),用来代表lan上的一组终端。其中以01-80-c2开头的组播mac地址叫bpdu mac,一般作为协议报文的目的mac地址标示某种协议报文。

01 认识mac地址

交换机上面的mac地址分为系统mac接口mac两种。

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其中接口mac又包括管理网口mac、vlanif接口mac、二层物理接口mac、三层路由主接口mac、子接口mac、二层eth-trunk接口mac、三层eth-trunk接口mac。

系统mac也就是我们所说的设备mac,可以通过命令display bridge mac-address查看。管理网口mac、子接口mac、二层物理接口mac和二层eth-trunk接口mac是相同的,使用的就是系统mac。其他接口mac与系统mac不一致,具体mac地址可以通过display interface查看。

1.1 mac原理

mac地址的定义和分类

mac地址表的定义

mac地址表记录了交换机学习到的其他设备的mac地址与接口的对应关系,以及接口所属vlan等信息。设备在转发报文时,根据报文的目的mac地址查询mac地址表,如果mac地址表中包含与报文目的mac地址对应的表项,则直接通过该表项中的出接口转发该报文;如果mac地址表中没有包含报文目的mac地址对应的表项时,设备将采取广播方式在所属vlan内除接收接口外的所有接口转发该报文。

mac地址表的分类

mac地址表中的表项分为:动态表项、静态表项和黑洞表项。另外交换机的mac地址表中还存在一种业务类型的mac地址表项,譬如:安全mac、mux mac、authen mac、guest mac等。该类mac地址表项是由对应业务维护的,一般是通过动态表项转换来的。

路由器mac地址是什么(通过mac码获取定位)

表2-1 不同mac地址表的特点和作用

mac地址表的组成和作用

mac地址表的组成

mac地址表是以mac地址和vlan id或vsi为索引来唯一标识。当一台目的主机属于多个vlan或vsi时,在mac地址表中就会存在相同mac地址拥有多个不同vlan id或vsi的情况。表2-2中是四条不同的mac地址表项。如第一条mac地址表项的作用是:从设备任意接口进入的目的mac为0011-0022-0034,vlan id为10的报文,都会从ge3/0/1接口转发出去。

路由器mac地址是什么(通过mac码获取定位)

表2-2 mac地址表项

mac地址表的作用

mac地址表用于指导报文进行单播转发。如图2-1中,pc1发往pc3的报文,在到达交换机switch时,根据报文中的目的mac地址mac3和vlan10查询交换机的mac地址表,获取出接口port3,然后报文直接从接口port3转发到pc3,完成数据的转发。

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图2-1 基于mac地址表的转发流程图

mac地址学习和老化

mac地址学习过程

一般情况下,mac地址表是设备根据收到的数据帧里的源mac地址自动学习而建立的。

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图2-2 mac地址学习示意图

如图2-2,hosta向switcha发送数据时,switcha从数据帧中解析出源mac地址(即hosta的mac地址)和vlan id。

  • 如果mac地址表中不存在该mac地址表项,设备则将这个新mac地址以及该mac地址对应的porta和vlan id作为一个新的表项加入到mac地址表中。
  • 如果mac地址表中已经存在该mac地址表项,设备将通过重置该表项的老化时间,对该表项进行更新。

所以设备在收到数据帧时,才会触发mac地址的学习和刷新。当设备有多块接口板时,为了避免不必要的广播报文以及提高报文转发的速度,每个接口板学习到的mac地址表项,都会自动同步到其他单板。

mac地址老化过程

为适应网络的变化,mac表需要不断更新。mac表中自动生成的表项(即动态表项)并非永远有效,每一条表项都有一个生存周期,到达生存周期仍得不到更新的表项将被删除,这个生存周期被称作老化时间。如果在到达生存周期前记录被更新,则该表项的老化时间重新计算。

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图2-3 mac地址老化过程示意图

如图2-3所示,设备mac地址老化时间设置为t。在t1时刻有源mac地址为00e0-fc00-0001、vlan为1的报文从某接口进入。假定该接口已加入vlan 1。如果之前mac地址表不存在关于(mac: 00e0-fc00-0001,vlan: 1)的任何种类表项,那么这个地址就会作为动态mac地址表项学习到地址表里,同时该表项的命中标志位被置1。

设备周期性(每经过t时间)地对所有学习到的动态mac地址表项进行检查。

  1. 在t2时刻,检查到动态表项(mac: 00e0-fc00-0001,vlan: 1)的命中标志位为1,则将该表项的命中标志位置为0,但不删除这条表项。
  2. 在t2时刻和t3时刻之间没有这种报文进入设备,那么该表项的命中标志位会一直保持为0。
  3. 在t3时刻,设备检查到该表项的命中标志位为0,认为该表项的老化时间到达,将删除此条表项。

如上所述,通过自动老化,一条动态表项在mac地址表存在的最短时间是设备所配置的老化时间t到2t之间。

设备mac地址老化时间可手动设置。通过设置此时间,可以灵活控制动态学习到的mac表项在mac地址表存在的时间。

mac地址学习控制

由于mac地址表的容量是有限的,当黑客伪造大量源mac地址不同的报文发送到设备后,设备上的mac地址表项资源可能会被耗尽。当mac表被填满后,即使它再收到正常的报文,也无法学习到报文中的源mac地址,导致报文广播转发,浪费带宽资源。

为了解决以上问题,设备提供了两种方式对mac地址学习进行控制:

  • 基于vlan或接口关闭学习mac能力
  • 基于vlan或接口限制mac地址数
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表2-3 mac地址学习控制方式说明

mac地址漂移

什么是mac地址漂移

mac地址漂移是指设备上一个vlan内有两个端口学习到同一个mac地址,后学习到的mac地址表项覆盖原mac地址表项的现象。图2-4所示,mac地址为0011-0022-0034,vlan id为2的表项,出接口由ge1/0/1刷新为ge1/0/2,这就是mac地址漂移。设备出现mac地址漂移时,设备cpu占用率会有不同程度的升高。

正常情况下,网络中不会在短时间内出现大量mac地址漂移的情况。出现这种现象一般都意味着网络中存在环路,可以通过查看告警信息和漂移记录,快速定位和排除环路。

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图2-4 mac地址漂移示意图

如何进行mac地址漂移检测

mac地址漂移检测是利用mac地址出接口跳变的现象,检测mac地址是否发生漂移的功能。

配置mac地址漂移检测功能后,在发生mac地址漂移时,可以上报包括mac地址、vlan,以及跳变的接口等信息的告警。其中跳变的接口即为可能出现环路的接口。网络管理员可以根据告警信息,手工排查网络中环路的源头,也可以使用mac漂移检测提供的后续动作,使跳变的端口down或者vlan从端口中退出,实现自动破环。

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图2-5 mac地址漂移检测组网图

如图2-5网络中,若switchc和switchd之间误接网线,则switchb、switchc、switchd之间形成环路。当switcha上port1接口从网络中收到一个广播报文后转发给switchb,该报文经过环路,会被switcha上port2接口收到。配置mac地址漂移检测功能,switcha就会感知到mac地址出接口跳变的现象。若连续出现此现象,switcha就会上报mac漂移告警,提醒管理员进行维护。

如何防止mac地址漂移

网络中产生环路或非法用户进行网络攻击都会造成mac地址发生漂移,导致mac地址不稳定。

在规划网络时,可以通过下面两种方式来避免这种情况:

  • 提高接口mac地址学习优先级。当不同接口学到相同的mac地址表项时,高优先级接口学到的mac地址表项可以覆盖低优先级接口学到的mac地址表项,防止mac地址在接口间发生漂移。
  • 不允许相同优先级的接口发生mac地址表项覆盖。当伪造网络设备所连接口的优先级与安全的网络设备相同时,后学习到的伪造网络设备的mac地址表项不会覆盖之前正确的表项。但如果网络设备下电,仍会学习到伪造网络设备的mac地址,当网络设备再次上电时将无法学习到正确的mac地址。

如图2-6所示,为防止非法用户伪造服务器mac地址入侵switch,可以提高服务器侧接口port1的mac地址学习优先级。

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图2-6 mac防漂移应用组网图

mac刷新arp

在以太网中,主机设备是根据mac地址来发送、接收以太网数据帧。arp用于提供ip地址到mac地址的映射。当不同网段间通信时,需要使用arp表项来将ip地址映射到正确的mac地址及相应的出接口上。

一般来说设备上的mac表项和arp表项的出接口是一致的。如图2-7所示,在t1时间点,mac地址表项和arp表项的出接口是一致的,都是ge1/0/1。当端口切换后,在t2时间点,mac地址表项的出接口在收到报文时立即刷新为ge1/0/2,但是arp表项的出接口还是ge1/0/1,需要等待t3时间点即arp表项的老化时间到达后,通过arp老化探测,才会刷新为ge1/0/2。这样就在t2时间点和t3时间点之间,arp表项的出接口是不可用的,会导致不同网段间设备的通信中断。

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图2-7 配置mac刷新arp功能之前

mac刷新arp可以实现在mac出接口更新时,直接刷新arp表项的出接口的功能。如图2-8所示,在配置mac刷新arp功能后,在t2时间点,mac地址表项出接口刷新为ge1/0/2后,直接把arp表项的出接口刷新为ge1/0/2。解决了t2时间点和t3时间点之间,arp表项出接口不可用的问题,避免了业务通信的中断。

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图2-8 配置mac刷新arp功能之后

mac刷新arp功能多用在vrrp主备环境下挂服务器的组网中(通过mac刷新arp加快vrrp流量切换),也可以用在二层破环协议stp、smartlink等进行三层流量切换的场景。

02 mac应用场景

2.1 通过mac防漂移防止用户攻击

在部署二层网络时,可以使用mac地址防漂移的功能,防止非法用户的攻击。

如图2-9所示,某企业网络中,用户需要访问企业的服务器。如果某些非法用户从其他接口假冒服务器的mac地址发送报文,则服务器的mac地址将在其他接口学习到。这样用户发往服务器的报文就会发往非法用户,不仅会导致用户与服务器不能正常通信,还会导致一些重要用户信息被窃取。为防止非法用户伪造服务器mac地址入侵switch,在switch上可配置mac防漂移功能,设置合法用户的mac学习优先级高于非法用户的mac学习优先级,在非法用户攻击时就不会触发mac地址出接口漂移。

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图2-9 mac地址防漂移组网图

2.2 通过mac漂移检测快速发现环路

在组网发生环路时,环路上的故障点一定存在mac地址漂移现象。利用这一现象,可以快速的判断网络中是否存在环路。

当设备出现如下现象时,可以开启mac漂移检测功能,判断是否是环路导致的。

  • mac地址表项时有时无
  • ping操作时通时不通
  • cpu使用率升高,出现超过阈值的告警

mac漂移检测功能相比其他环路检测功能的优点是配置简单。各类环路检测特性对比如表2-4所示。

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表2-4 环路检测特性比较

2.3 通过mac刷新arp加快vrrp流量切换

vrrp备份组下挂的设备是服务器时,使用mac刷新arp的功能,可以加快vrrp主备切换的性能,减少业务中断时间。

虚拟路由冗余协议vrrp(virtual router redundancy protocol)通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备,将虚拟网关设备的ip地址作为用户的默认网关实现与外部网络通信。当网关设备发生故障时,vrrp机制能够选举新的网关设备承担数据流量,从而保障网络的可靠通信。

一般情况下,如图2-10所示用户hosta通过switch双归属到switcha和switchb。在switcha和switchb上配置vrrp备份组,实现链路冗余备份。当switcha和switch之间的连线坏掉时,mac和arp表项可以及时切换到switch和switchb的连线上。

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图2-10 vrrp典型组网图

而在有些情况下如图2-11,vrrp备份组下挂的设备,不是交换机而是服务器server。server发送报文时,一般情况下只会选择一个网口发包,当检测到网络故障或者流量异常时,切换到另外一个网口发包。

  • switcha为vrrp主设备,一开始服务器使用port2发送报文,此时switcha学习到的服务器arp表项和mac表项都在port2接口上,switchb学习的服务器mac在port1接口;
  • 当服务器检测到port2故障时,服务器切换至port1继续发送业务报文,这时switcha学习到的服务器mac地址会刷新到port1,但如果服务器切换转发接口后不主动发送arp请求报文的话,arp表项还是在port2接口上。这样switcha发往服务器的报文就会从接口port2接口发出去,而不能被正确转发,直到该arp表项老化。

这种情况下就可以在switch上配置mac刷新arp功能,当mac表项的出接口变化时,会即时更新arp表项的出接口,从而保证mac表项和arp表项的一致性。

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图2-11 vrrp下挂服务器组网图

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关于mac地址配置示例,请期待下期内容:

  • 1. 配置静态mac地址示例
  • 2. 配置黑洞mac地址示例
  • 3. 配置基于接口的mac地址学习限制示例
  • 4. 配置基于vlan的mac地址学习限制示例
  • 5. 配置基于vsi的mac地址学习限制示例
  • 6. 配置mac防漂移示例
  • 7. 配置mac地址漂移检测示例