鲁达 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和接口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。
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。
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。
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。
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。
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。
- 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。
- 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。
- 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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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