基础概念
都在说二三层转发，那这二层和三层是什么呢？
三层指的是网络层，二层指的是数据链路层
可见，二层转发指的是同一个网段下的设备进行通信的过程，而三层转发指的是跨网段设备之间的通讯过程。
如图，主机1和主机2之间的通讯属于二层转发，但主机1要与主机A通讯时，它们并不在同一个子网，因此他俩之间的通讯属于三层转发流程。
二层转发流程
普通的转发流程
一般的二层转发流程是比较好理解的，主要有以下几个步骤：
- 已知单播-转发：交换机在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到，就将该数据帧发送到相应的端口
- 未知单播-泛洪：如果找不到，就向入端口以外的其它所有端口发送；
- 同端口-不转发：如果交换机收到的报文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同，则丢弃该报文；
- 组播和广播-泛洪：交换机向入端口以外的其它所有端口转发广播报文。
基于VLAN的转发流程
VLAN是什么？
每种技术的出现都是为了解决一个实际的问题，那vlan的出现是为了解决哪一类问题呢？首先我们从理解它的名字开始，VLAN（Virtual Local Area Network）中的LAN特指的是由路由器分割而成的广播域。既然已经有了广播域，那为什么还要“虚拟”它呢？
举个例子，假设一个广播域（局域网）下有1000台电脑，每台主机都可以通过IP协议进行通信，其中一个主机1要向主机2通信，假设主机1尚未学习到主机2的mac地址，那主机1就要向整个广播域发送ARP报文，如图：
当主机1一直没有找到主机2的mac地址时，ARP请求可能会被转发到同一网络中的所有电脑，这既消耗了带宽，又会对接收请求的主机CPU产生负担，造成了广播泛滥和性能下降。
在这种情况下出现了VLAN技术。这种技术可以把一个LAN划分成多个逻辑的VLAN，每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间通信就和在一个LAN内一样，而VLAN间则不能直接互通，广播报文就被限制在一个VLAN内。
VLAN是如何划分的？
为了让交换机能够区分不同VLAN的报文，需要在报文中添加一些特殊字段：VLAN标签。
TPID：用于标记该帧是否带有VLAN标签。
如上图所示，VID就标明了VLAN的ID，其范围是0～4095，其中0和4095保留，也就是说同一个广播域下可以分成4094个VLAN。这些标记的存在，意味着但VLAN要与外部网络通讯时，交换机需要能够剥离和插入VLAN标签。
VLAN端口
要想知道VLAN是如何工作的，我们还需要了解一下些额外的知识
上文提到了交换机需要能够剥离和插入VLAN标签，执行哪些操作都根据其端口的类型（工作模式）确定。这些工作模式具体包括：Access、Trunk和Hybrid。
Access 端口：交换机上连接用户主机的端口，只能连接接入链路。Access 端口只属于一个 VLAN，且仅向该 VLAN 转发数据帧。该 VLAN 的 Vid = 端口 PVid，故 VLAN 内所有端口都处于 untagged 状态。Access 端口在从主机接收帧时，给帧加上 Tag 标签; 在向主机发送帧时，将帧中的 Tag 标签剥掉。
Trunk 端口：交换机上与其他交换机或路由器连接的端口，只能连接汇聚链路。Trunk 端口允许多个 VLAN 的带标签帧通过，在收发帧时保留 Tag 标签。在它所属的这些 VLAN 中，对于 Vid = 端口 PVid 的 VLAN，它处于 Untagged port 状态; 对于 Vid ≠ 端口 PVid 的 VLAN，它处于 Tagged port 状态。
Hybrid 端口：交换机上既可连接用户主机又可连接其他交换机的端口，它既可连接接入链路又可连接汇聚链路。Hybrid 端口允许多个 VLAN 的帧通过，并可在出端口方向将某些 VLAN 帧的 Tag 标签剥掉。
这张表虽然不太清晰，但是清晰地说明了三种端口的区别：
基于VLAN的二层转发
基于VLAN的二层转发主要可以分为三个步骤，首先确定和查找VLAN，再查找和学习源MAC，最后查找目的MAC并转发数据帧
1) 确定和查找VLAN：
交换机端口接收到一个数据帧时，首先通过TPID值判断该帧是否带标签。
若是tagged帧，且Vid≠0，则在端口所属的VLAN表中查找该帧标签中的Vid是否存在，若存在，则进入下一步，否则丢弃该帧(或提交CPU处理);
若是tagged帧，且Vid=0(即priority帧)，则对该帧附加端口PVid使之成为tagged帧;
若是untagged帧，则对该帧附加端口PVid并指定优先级使之成为tagged帧。
注：802.1Q VLAN环境下，帧可分为tagged、untagged和priority-tagged三种。Tagged帧根据其携带的标签Vid进行MAC学习转发。Untagged和Priority-tagged帧进入交换机端口后根据PVid进行MAC学习转发。
2) 查找和学习源MAC
交换机在MAC转发表(Mac+Vid+Port)中查找收帧Vid对应的源MAC表项，未找到则学习收帧源MAC (将“源MAC+Vid+Port”添加到MAC表中)；若找到则更新该表项的老化时间。
注：MAC地址学习只学习单播地址，对于广播和组播地址不进行学习。组播MAC表项通过CPU配置建立。
3) 查找目的MAC
若目的MAC是广播或组播，则在所属的VLAN中广播或组播；否则在MAC表中查找是否存在Vid对应的目的MAC表项。
4) 转发数据帧
若在MAC表中查找到完全匹配的DMAC+Vid表项，则将该帧转发到表项中的相应端口(若相应端口为收帧端口，则应丢弃该帧)；否则向所属VLAN内除收包端口外的其他所有端口洪泛该帧(洪泛广播的是未知单播帧而不是广播帧)。
基于VLAN的二层转发实例
假设交换机1和2刚断电重启，现在两台机器的mac地址表都为空，现在主机A要和主机C通讯，也就是跨交换机的通讯，其具体过程为：
A发送的数据帧进入到1的Access端口，根据该端口的工作模式，将该帧标记上PVid并进行转发。
交换机1将A的mac地址记入mac地址表，并将该帧泛洪到所有Vid=100的端口（除了入端口）。
这里就体现了VLAN的作用
交换机1的Trunk端口属于Vid=100的VLAN，故该端口会接收到上述数据帧。同时，该端口在Vid=100上为Tagged port，因此在发送数据帧出交换机1时，不改变Tagged帧的结构。
Tagged帧到达Vid=100的Trunk端口，被接收，同样不改变帧结构。
交换机2学习到源mac地址，并将其泛洪给所有Vid=100的端口（入口除外）。
交换机2的Access端口接收到Tagged帧，剥除其标签后查找目的mac（泛洪），在找到C的mac地址后，学习并记录，将数据帧发送给C。
这里参考网页出错了，重启之后没有mac地址表，故不能之间将数据帧转发给C
C收到A发送的数据帧，并发送响应帧给PC1。
响应帧经过类似的过程发送给A，由于A的mac记录已经被记录在了mac地址表中，故响应帧仅转发给A。
三层转发流程
ARP
三层转发的一个重要基础设施是ARP，即地址解析协议，实现通过IP地址到物理地址的映射。在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址，而在TCP/IP协议栈中网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。
三层转发实例
再看这个拓扑，主机1和主机A通讯的过程，就属于三层转发。还原一下1和A通讯的过程：
主机1将数据封装到一个网络层包中，包源地址是主机1的ip
192.168.1.1，目的地址是主机A的ip192.168.2.1，两者处于不同的网段之中。在IP包封装完成之后，主机通过查询路由表，得知发往192.168.2.x网段的包要通过192.168.1.1转发。
路由表是如何生成并且维护的呢？
主机1将ip包作为数据封装在数据帧中，通过数据链路层协议转发给转发设备R。帧源地址是1的mac地址，目的地址是转发设备的mac地址。目的mac地址通过查询主机内部ARP表获取。
转发设备接收到来自主机1的数据帧，从中取出ip包，检查包目的地址知道该包需要转发给主机 A。
转发设备将ip包封装到数据帧中，通过数据链路层转发给主机A，源地址为转发设备的mac地址，目的地址为主机A的mac地址。同样的，目的mac地址通过查询主机内部ARP表获取。
主机A收到数据帧，从中解析出ip包，从而获取相应的数据。
含有VLAN的三层转发
上面说了基于VLAN的二层转发，不同VLAN下的设备之间是相互隔离的，那当两个处于不同VLAN的设备之间需要通信时，如何进行转发呢？这个时候就需要用到路由器了，看下面这张拓扑图：
交换机端口的基本信息如下：
| PORT | MAC | VLAN |
|---|---|---|
| 1 | a | 1 |
| 2 | b | 1 |
| 3 | c | 2 |
| 4 | d | 2 |
| 5 | — | — |
| 6 | f | 汇聚（TRUNK） |
主机A要主机C通讯，发现两者并不属于同一个网段。
和一般的二层转发一样，此时主机A要借助路由表和ARP表将IP包封装到数据帧通过数据链路层转发出去。
端口1收到数据帧，要将其转发给所有端口中同属于VLAN_1的表现，因为端口6属于汇聚端口，因此它也会收到来自1的数据帧。
检索后得知，要去往ip地址192.168.2.2的数据帧需要经由路由器R进行转发。
端口1转发时会给数据帧加上其PVid，也就是1。路由器通过检查数据帧的VID，来确认该帧需要由负责VLAN_1的接口接收。
路由器查询路由表来确定该数据帧应当向哪里转发，由于目标IP属于VLAN_2，只需要交给负责VLAN_2的接口转发即可。该接口转发时会将数据帧打上其PVid，也就是2。
交换机收到数据帧后，根据VLAN标签从MAC地址表中检索VLAN_2的表项。由于通信目标C连接在端口3上且该端口为接入端口，因此交换机剥除数据帧的VLAN标签后转发给端口3，最终PC2成功收到PC1发来的数据帧。
以上仅仅是本人学习笔记，可能存在纰漏。
参考
https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/VLAN.html
https://blog.csdn.net/jj1130050965/article/details/122463302
https://www.likecs.com/show-203734139.html
