1. 二层转发概述
数据链路层，位于OSI模型中的第二层，所以称之为二层。本文我们讨论的转发过程，就是在数据链路层上的转发过程，即二层转发。
1.1 MAC地址
为了唯一的表示一台网络设备，网络设备都有自己的MAC地址。IEEE 802.3标准中，MAC地址被定义为48位（6字节）的地址。MAC地址的前24位称为组织唯一标识符（OUI），由IEEE分配给厂商，剩下的24位是网络接口标识符，表示厂商生产的网络设备的序列号。在前面的文章中，我们已经讲述过MAC地址，此处不再赘述。
1.2 帧
数据链路层上转发的数据叫帧，帧中包含了源设备的MAC地址（源MAC，SMAC）和目的设备的MAC地址（目的MAC，DMAC）。根据数据帧中DMAC的差异，分为单播帧、多播帧和广播帧，这里我们只分析单播帧和广播帧。在前面的文章中，我们已经讲述过帧，此处不再赘述。
了解完这些基础概念后，我们来分析二层转发过程。
更多文章也可以参看：
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2. 基于MAC的二层转发
假设设备A~C在同一个局域网，他们三者的MAC地址已经列出来了，那么A和B之间的数据转发过程如何呢？下面，我们在设备C的内部详细分析一下。
2.1 已知单播的二层转发
如果设备A已经知道设备B的MAC地址，那么发出的数据帧中的DMAC填的就是设备B的MAC地址，源MAC地址填的是自己的地址，那么具体的转发流程如下所示。
（1）源MAC学习。设备C从PORT 1收到设备A发送的数据帧，根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（2）目的MAC转发。设备C根据数据帧的DMAC去MAC地址表中查找，找到对应的出端口是PORT 2，上图中绿色虚线框中的条目。那么就会将该数据帧从PORT 2转发出去，这样就完成了转发过程。
2.2 ARP协议
在上文中，我们描述的是设备A已知设备B的MAC地址的场景下的转发过程，那么我们怎么能知道设备B的MAC地址呢？这时候就需要请出我们的ARP协议了。
ARP报文的格式如下：
报文中的各个字段的含义如下：
| 字段 | 长度 | 含义 |
| DMAC | 6字节 | 目的MAC地址 |
| SMAC | 6字节 | 源MAC地址 |
| Type | 2字节 | Type：指链路直接封装的上层协议类型，对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0x0806。 |
| 802.1Q Tag | 4字节 | 802.1Q Tag |
| Hardware Type | 16比特 | 表示硬件地址的类型。对于以太网，该类型的值为“1”。 |
| Protocol Type | 16比特 | 表示发送方要映射的协议地址类型。对于IP地址，该值为0x0800。 |
| Hardware Length | 8比特 | 表示硬件地址的长度，单位是字节。对于ARP请求或应答来说，该值为6。 |
| Protocol Length | 8比特 | 表示协议地址的长度，单位是字节。对于ARP请求或应答来说，该值为4。 |
| OP | 16比特 | 操作类型: 1 ARP请求 2 ARP应答 3 RARP请求 4 RARP应答 |
| Ethernet Address of Sender | 48比特 | 发送方以太网地址。这个字段和ARP报文首部的源以太网地址字段是重复信息。 |
| IP Address of Sender | 32比特 | 发送方的IP地址。 |
| Ethernet Address of Destination | 48比特 | 接收方的以太网地址。发送ARP请求时，该处填充值为0x00.00.00.00.00.00。 |
| IP Address of Destination | 32比特 | 接收方的IP地址。 |
| FCS | 4字节 | 帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收者提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。 FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。 |
如下图，A~J在同一个局域网，这时候A要和B通信，但是A不知道B的MAC地址，那么该怎么办呢？
这时，A可以发送ARP请求广播报文到整个广播域去扩散，等待B的应答，具体过程如下。（ARP报文中包含了发送方和接收方的MAC地址和IP地址，ARP请求报文中，接收方的MAC地址填全0。）
（1）A发送ARP请求广播报文到C和D，图中的橙色箭头。这时，C和D会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。（这里只列出了D，C与之类似。）
（2）D收到ARP请求广播报文，检查目的IP不是自己，将ARP请求广播报文泛洪到E和H，图中的橙色箭头。这时，E和H会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。（这里只列出了H，E与之类似。）
（3）E收到ARP请求广播报文，检查目的IP不是自己，将ARP请求广播报文泛洪到F；H收到ARP请求广播报文，检查目的IP不是自己，将ARP请求广播报文泛洪到B、G和I，图中的橙色箭头。这时，F、B、G和I会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。（这里只列出了B，F、G和I与之类似。）
（4）B收到ARP请求广播报文，检查目的IP是自己，查询MAC地址表，将ARP应答报文发送到H，图中的绿色箭头。同样的，这时，B会进行源MAC学习，图中橙色的MAC地址表条目。
（5）H收到ARP应答报文，检查目的IP不是自己，查询MAC地址表，将ARP应答报文发送到D，图中的绿色箭头。同样的，这时，H会进行源MAC学习，图中绿色的MAC地址表条目。
（6）D收到ARP应答报文，检查目的IP不是自己，查询MAC地址表，将ARP应答报文发送到A，图中的绿色箭头。同样的，这时，D会进行源MAC学习，图中绿色的MAC地址表条目。
（7）A收到ARP应答报文，检查目的IP是自己，这样A就知道了B的MAC地址。同样的，这时，A会进行源MAC学习，图中绿色的MAC地址表条目。
2.3 未知单播的二层转发
如果设备C上收到的报文是未知单播，又是怎样的转发过程呢？
（1）源MAC学习。设备C从PORT 1收到设备A发送的数据帧，根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（2）泛洪转发。设备C根据数据帧的DMAC去MAC地址表中查找，发现并没有找到对应的MAC地址表条目。那么就会将该数据帧从除源端口外的其他所有端口转发出去，即泛洪转发。
2.4 广播的二层转发
如果设备C上收到的报文是广播帧，又是怎样的转发过程呢？
（1）源MAC学习。设备C从PORT 1收到设备A发送的数据帧，根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（2）泛洪转发。设备C发现数据帧的DMAC是全F，说明是广播帧，那么就会将该数据帧从除源端口外的其他所有端口转发出去。
3. 基于VLAN的二层转发
根据前面的文章，我们知道，早期的局域网存在广播帧泛滥，信息安全等问题。而VLAN技术可以将物理局域网划分为一个一个的逻辑子网（每个逻辑子网是一个广播域），一定程度上解决了这些问题。下文，我们还是以上文的拓扑为基础（设备A~C在同一个VLAN广播域），基于VLAN内的不同类型的端口，来讲述VLAN的二层转发。
3.1 Access口的二层转发
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Access口，PVID配置成10。
（1）如果设备C收到的是Untagged帧，需要先插入一层802.1Q Tag，Tag中的VID值是10。如果设备C收到的Tagged帧中VID值是10，则可以接收且不需要插入802.1Q Tag。
（2）源MAC学习。设备C根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目，MAC地址表也保存了VLAN信息。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（3）目的MAC转发。设备C根据数据帧的DMAC+VLAN去MAC地址表中查找，找到对应的出端口是PORT 2，上图中绿色虚线框中的条目，那么就会将该数据帧从PORT 2转发。
（4）设备C在出口将数据帧的802.1Q Tag剥除掉，这样就完成了转发过程。
3.2 Trunk口的二层转发
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Trunk口，PVID配置成10，Allowed VLAN配置成20。
3.2.1 Trunk口PVID的二层转发
Trunk口PVID的二层转发与Access口PVID的二层转发一致，此处不再赘述，只简单以图片说明。
3.2.2 Trunk口Allowed VLAN的二层转发
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Trunk口，Allowed VLAN配置成20。
（1）如果设备C收到的Tagged帧中VID值是20，则可以接收且不需要插入802.1Q Tag。
（2）源MAC学习。设备C根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目，MAC地址表也保存了VLAN信息。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（3）目的MAC转发。设备C根据数据帧的DMAC+VLAN去MAC地址表中查找，找到对应的出端口是PORT 2，上图中绿色虚线框中的条目，那么就会将该数据帧从PORT 2转发。
（4）设备C在出口不需要剥除数据帧中的802.1Q Tag即可转发，这样就完成了转发过程。
3.3 Hybrid口的二层转发
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Hybrid口，PVID配置成10，Untagged VLAN配置成20，Tagged VLAN配置成30。
3.3.1 Hybrid口PVID的二层转发
Hybrid口PVID的二层转发与Access口PVID的二层转发一致，此处不再赘述，只简单以图片说明。
3.3.2 Hybrid口Untagged VLAN的二层转发
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Hybrid口，Untagged VLAN配置成20。
（1）如果设备C收到的Tagged帧中VID值是20，则可以接收且不需要插入802.1Q Tag。
（2）源MAC学习。设备C根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目，MAC地址表也保存了VLAN信息。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（3）目的MAC转发。设备C根据数据帧的DMAC+VLAN去MAC地址表中查找，找到对应的出端口是PORT 2，上图中绿色虚线框中的条目，那么就会将该数据帧从PORT 2转发。
（4）设备C在出口将数据帧的802.1Q Tag剥除掉，这样就完成了转发过程。
3.3.3 Hybrid口Tagged VLAN的二层转发
Hybrid口Tagged VLAN的二层转发与Trunk口Allowed VLAN的二层转发一致，此处不再赘述，只简单以图片说明。
3.4 VLAN的泛洪转发
VLAN的泛洪转发和MAC的泛洪转发差异不大，未知单播和广播都会泛洪，主要区别是只在VLAN域内泛洪。如下图中的PORT 4，因为不在VLAN 10内，所以不会泛洪到这个端口。整体实现原理差异不大，此处不再赘述，只简单以图片说明。
4. VLAN的二层转发方式（扩展介绍）
4.1 独立式VLAN学习
通过上文，我们可以看出，设备在查MAC地址表转发的时候，索引是MAC+VLAN，这样的转发方式称为独立式VLAN学习（Independent VLAN Learning，IVL）。这种方式的VLAN学习，VLAN之间不会互相影响，目前实际应用中的二层交换机大多也都采用这种方式。
4.2 共享式VLAN学习
此外，我们也可以将MAC作为索引，去查表转发，这样的转发方式称为共享式VLAN学习（Shared VLAN Learning，SVL）。具体的转发过程如下所示。
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Trunk口，PVID配置成10。
（1）如果设备C收到的是Untagged帧，需要先插入一层802.1Q Tag，Tag中的VID值是10。如果设备C收到的Tagged帧中VID值是10，则可以接收且不需要插入802.1Q Tag。
（2）源MAC学习。设备C根据数据帧的SMAC学习到一条MAC地址表的条目，上图中紫色虚线所指的条目，MAC地址表也保存了VLAN信息。（同理，如果从PORT 2收到设备B发送的数据帧，也会学习到相应的MAC地址表条目。）
（3）目的MAC转发。设备C根据数据帧的DMAC去MAC地址表中查找，找到之后，检查该条目的VLAN是10，满足要求。所以对应的出端口是PORT 2，上图中绿色虚线框中的条目，那么就会将该数据帧从PORT 2转发。
（4）设备C在出口将数据帧的802.1Q Tag剥除掉，这样就完成了转发过程。
看起来，这样的转发方式似乎也没有什么问题，真的是这样的吗？我们继续分析。
设备C的PORT 1和PORT 2均配置成Trunk口，Allowed VLAN配置成20，30。
如果此时，设备C从PORT 1同时收到Tagged 20和Tagged 30的数据帧，那么此时MAC地址表就会不停地变化，即00-0C-88-00-00-0A这一条MAC地址表条目的VLAN在20和30之间不断地变化。同理，00-0C-88-00-00-0B这一条目也是类似的。
如果在某一时刻下，00-0C-88-00-00-0B这一MAC地址表条目的VLAN变成了30，那么此时就只有Tagged 30的报文能够从PORT 2转发出去，而Tagged 20的就会被丢弃掉。所以，在实际的应用中，SVL方式的二层交换机已经比较少见了。