注：我没在参与过，生产场景下，交换机的开发和维护，所以有点纸上谈兵。当年的计算机网络课程，也学的稀烂，就当补补课吧。
交换机简介
二层交换机
找 AI，抄抄答案。
二层交换机是工作在OSI模型第二层（数据链路层）的网络设备，其核心功能是基于MAC地址，在局域网内进行以太网帧的快速交换。其工作原理可以概括为三个核心机制：学习、转发/过滤、泛洪，并辅以MAC地址表老化机制和防止环路的生成树协议。
为了直观展示数据帧在二层交换机内的处理逻辑，下图描绘了其完整的工作流程：
下面，我们详细解析这一流程中的关键步骤与技术特点。
MAC地址学习：
- 当交换机从一个端口收到一个以太网帧时，会解析出该帧的源MAC地址。
- 随后，它会将这对“MAC地址-端口”的映射关系，作为一个条目记录在内部的MAC地址表（也称转发表）中。
- 如果该MAC地址已存在于表中，交换机则会刷新其老化时间。这个过程是动态和自动的。
转发/过滤与泛洪：
- 完成源地址学习后，交换机在 MAC地址表中，查询目的MAC地址对应的端口。
- 已知单播帧：若在地址表中找到对应的端口，交换机会将数据帧仅转发到该特定端口。(目的MAC地址，所对应的端口，正是这个数据帧进入交换机的那个端口)
- 未知单播帧：若目的MAC地址在地址表中没有对应条目，交换机会执行泛洪，将帧发送到（同一VLAN内的）所有其他端口（接收端口除外），以确保目标设备能收到此帧。
- 广播/组播帧：处理过程，和未知单播帧相同。
VLAN 介绍
下面部分图文，来自链接：
- 图文并茂VLAN详解，让你看一遍就理解VLAN-腾讯云开发者社区-腾讯云
- IEEE 802.1Q封装的VLAN数据帧格式 – 华为
- 配置子接口实现VLAN间通信的示例 – NetEngine AR600, AR6100, AR6200, AR6300 典型配置案例（命令行） – 华为
为什么要有 VLAN
VLAN 的核心作用，是通过逻辑（而非物理）方式，将一个大的物理局域网，划分为多个独立的广播域。
如果整个网络只有一个广播域，那么一旦发出广播信息，就会传遍整个网络，并且对网络中的主机带来额外的负担。
VLAN的划分依据：VLAN的创建非常灵活，可以根据不同策略划分：
- 基于端口：最常用、最简单的方式。将交换机的特定端口静态地分配给一个VLAN。连接在该端口上的所有设备都属于这个VLAN
- 基于MAC地址：根据设备的MAC地址动态划分。即使设备更换了物理端口，只要连接到交换机，仍会自动归属到其VLAN，安全性高但初期配置复杂。
- 基于IP子网：根据设备的IP地址进行划分。适用于对管理简便性要求较高的场景，当用户切换IP地址时，其VLAN成员身份可能随之改变
VLAN 报文格式
要使交换机能够分辨不同VLAN的报文，需要在报文中添加标识VLAN信息的字段。IEEE 802.1Q协议规定，在以太网数据帧的目的MAC地址和源MAC地址字段之后、协议类型字段之前加入4个字节的VLAN标签（又称VLAN Tag，简称Tag），用于标识数据帧所属的VLAN。VLAN标签在VLAN数据帧中的位置如图所示。
不同 VLAN 之间如何通信
在交换机二层层面，为了避免广播风暴，不同 VLAN 之间的数据相互隔离了。
那，不同 VLAN 之间，如何通信？
交换机的 Trunk 和 Access 端口
Access端口是终端设备的“专属网关”，其数据处理流程非常明确：
- 接收方向：当从连接的电脑收到一个不带VLAN标签的“原始”数据帧（Untagged Frame）时，交换机会强制给这个帧打上该Access端口所属VLAN的标签（即端口的PVID）。如果意外收到一个带标签的帧，且其VLAN ID与端口的PVID不一致，则该帧通常会被丢弃。
- 发送方向：当需要将数据帧发送给电脑时，交换机会将VLAN标签撕掉，还原成一个标准的以太网帧。因为普通电脑的网卡无法识别带VLAN标签的帧。
Trunk端口是网络设备间的“信息高速公路”，其核心在于识别和承载多个VLAN的流量：
- 接收方向：它会检查所有到来的数据帧。对于无标记帧，会打上Native VLAN（默认为VLAN 1）的标签。对于有标记的帧，则会检查该VLAN ID是否在允许通过的列表上，是则放行，否则丢弃。
- 发送方向：在发送数据帧前，会判断帧的VLAN ID是否与Native VLAN相同。如果相同，就剥离标签发送（确保对端设备能正确处理）；如果不同，就带着标签直接发送，以便对端交换机识别该帧属于哪个VLAN。
VLAN 子接口
VLAN子接口是一个重要的网络虚拟化技术，它允许你在单个物理接口上配置多个逻辑接口，每个逻辑接口可以独立处理特定VLAN的流。
VLAN子接口，最经典的应用，是单臂路由。让一台Linux服务器充当路由器，通过一个物理接口，连接交换机Trunk口，利用多个VLAN子接口，实现不同VLAN之间的通信。
没有 VLAN 子接口的话，路由器无法处理，交换机 Trunk 口来的流量。路由器物理接口的设计是面向三层IP数据包的，默认期望收到的是标准的、不带VLAN标签的以太网帧。
- 从交换机的Trunk链路发送来的数据帧，都带有 VLAN标签。路由器的物理接口无法解析这个额外的4字节标签，它会将这个带Tag的帧视为不符合标准格式的帧，通常选择直接丢弃。
- 一个路由器物理接口只能配置一个IP地址。这意味着它只能作为一个广播域（或子网）的网关。而Trunk链路上承载着多个VLAN，每个VLAN都是一个独立的广播域，需要各自独立的网关IP地址。一个物理接口无法满足这个“一对多”的网关需求。
比如，我们可以在 Linux 中，使用 ip 命令，创建临时的 vlan 子接口。
sudo ip link add link eth0 name eth0.100 type vlan id 100三层交换机
上面，我们介绍二层交换机的时候，不同 VLAN 之间的通信，不得不接入一个单臂的路由器。
三层交换机就比较厉害，借助 SVI(交换机的虚拟接口)， 不同 VLAN 之间，即可通信。
这其中的内部处理逻辑，可能如下：
我们考虑下，PC1 访问 PC4 的流程：
- PC1(10.0.0.2) 和 PC4(10.0.1.4) 在不同网段，所以 PC1 需走默认路由(10.0.0.1)。
- PC1 需要先获取 10.0.0.1 对应的 mac，所以它给交换机发送了一个 arp 请求数据包。
- 交换机，查看 VLAN1 对应的 mac 表，返回表中 SVI 的 mac 地址。这个 SVI 地址是静态插入的，不是动态学习来的。
- 交换机可以选择，不进行洪泛，因为以及找到了对应的 mac 地址了。交换机对 PC1 发送 arp 应答包。
- PC1 收到 arp 应答包后，构造发送数据包。数据包的头部是 [PC1_src_mac, SVI-1_dst_mac, PC1_src_ip, PC4_dst_ip]
- 交换机收到 PC1 来的数据包后，提取 dst mac，查找 VLAN1 对应的 mac 表。一查，dmac 是 SVI-1。将这个二层的包，脱去 mac 层，送入三层查找路由表。此时，数据包的头部是 [PC1_src_ip, PC4_dst_ip]
- 三层交换机，根据 dst_ip，查询路由表，决断这个包应该从 SVI-2 出去。但是，注意，SVI-2 只是一个虚拟接口，它没法直接往真实世界发包。
- 三层交换机，在 VLAN2 对应的 mac 表中，广播 arp 报文，获取到 PC4 ip 对应的 mac。
- 三层交换机，给数据包添加 mac 层后，将包送回到二层的。数据包头部是 [SVI-2_src_mac, PC-4_dst_mac, PC1_src_ip, PC4_dst_ip]
- 交换机，根据此时包的 dmac，将包送到了 PC4 机器上。
- 至此，三层交换机，使用自身的路由功能，将数据包跨 vlan 传送。
vpp switch 实验
了解交换机的基本原理，还是得看软件层面，虚拟交换机的实现。因为软件角度，我们能看到具体的实现过程。交换机的硬件实现，我们只能配置配置，感受不到内在的机制。
本次实验来自：Switching — The Vector Packet Processor
实验过程
网络拓扑非常简单：两个相同网段的机器，通过交换机，互相访问。
vppctl 进行最简单基础的配置。
set interface state ens161 up
set interface state ens224 up
create bridge-domain 1
set interface l2 bridge ens161 1
set interface l2 bridge ens224 1vpp 启动前，两台机器无法通信。 vpp switch 配置后，两台机器即可通信。挺有意思的。
vpp switch 原理简单分析
trace 下，可以看到它的 graph node 转发流程是：
# 未知的dmac，有flood
dpdk-input -> ethernet-input -> l2-input -> l2-learn -> l2-fwd -> l2-flood -> l2-output -> ens224-output -> ens224-tx
# 已知mac情况下，直接转发
dpdk-input -> ethernet-input -> l2-input -> l2-learn -> l2-fwd -> l2-output -> ens224-output -> ens161-tx这些 node 内部的具体实现，没有去看。
但是，注意到，mac 学习表，使用了 Bounded-index Extensible Hashing (bihash) — The Vector Packet Processor 来存储。
这个 bihash ，是一个无锁的，线程安全的 hash 表。所以 mac 表老化时，可以不用考虑线程安全问题。
真是，数据结构选的好，代码烦恼少。
其他
上面是简单的二层交换机实验。
vpp switch 可能可以实现三层交换机的功能：vpp 提供了 bvi create 命令，来创建虚拟接口。并且，这个接口，可以加入到 bridge domain 中。