不在同一网络上报文转发流程

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介绍

以太网交换机工作在第二层即数据链路层，用于在同一网络内部转发以太网帧。但是，当源和目的IP地址位于不同网络时，以太网帧必须发送给路由器。路由器负责在不同网络间传输报文，通过路由表来决定最佳转发路径。当主机将报文发送至不同IP地址时，由于主机无法直接与本地网络以外的设备通信，报文被转发至默认网关。默认网关就是数据流从本地网络路由至远端设备的目的地。它通常用来连接本地网与公共网。

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报文转发过程:

路由器在一个接口接收报文并将它从另一个接口转发出去，这一过程的关键步骤是为输出链路将报文封装在适当的数据链路帧中。路由器主要执行以下三个步骤：

1. 将第二层的帧头和帧尾移除，解析出第三层报文。

2. 检查IP报文的目的IP地址，在路由表中查找最佳路由。

3. 如果路由器找到一条最佳路径，则将三层报文封装到新的二层帧中，并将帧转发到输出端口。

如下图所示：设备有三层IPv4地址，以太网接口有二层数据链路地址。例如PC 1的IPv4地址192.168.1.10，示例MAC地址0A-10。在报文从原设备传输至目的设备的过程中，三层IP地址不会改变。但是，每一跳随着报文在路由器中被解封装和重新封装，二层数据链路地址都会改变。很可能报文被封装成与接收时不同的另一种类型的二层帧。

发送报文：

PC 1发送报文给PC 2时，首先必须确定目的IPv4地址是否位于同一网络。PC 1通过将自己的IPv4地址与子网掩码做与操作，来判断PC 1所属的网段。接下来，PC 1对目的IPv4地址与PC 1的子网掩码做同样的与操作。如果目的网络地址与PC 1网络相同，则PC 1不使用默认网关，而是在ARP缓存中查找目的IPv4地址的设备MAC地址。如果MAC地址不在缓存中，则PC 1产生一个ARP请求来获取地址并将报文发给目的地址。如果目的网络地址位于另一网络，则PC 1将报文转发至默认网关。

要确定默认网关的MAC地址，PC 1在它的ARP表中查找默认网关的IPv4地址以及相应的MAC地址。如果ARP表中没有默认网关的对应表项，则PC 1发送ARP请求。路由器R1回复ARP响应。之后PC 1将报文转发至默认网关的MAC地址，即路由器R1的Fa0/0接口。

转发至下一跳：

R1从PC 1接收到以太网帧后执行以下步骤：

1. R1检查目的MAC地址，与接收端口FastEthernet 0/0相匹配，因此，将帧复制到buffer。

2. R1识别以太网类型为0x800，意味着以太网帧的数据部分包含IPv4报文。

3. R1解封装该以太网帧。

4. 由于目的IPv4地址与R1直连的任何网络都不相符，R1在路由表中查找包含该目的IPv4地址主机的网络地址。本例中，路由表中有192.168.4.0/24网络的路由。目的IPv4地址为192.168.4.10，即该网络上的主机IPv4地址。

R1找到192.168.4.0/24路由的下一条IPv4地址为192.168.2.2以及输出端口FastEthernet 0/1，这意味着IPv4报文封装到一个新的以太网帧中，目标MAC地址是下一跳路由器的MAC地址。

由于下一个接口是在以太网上，所以R1必须用ARP解析出下一跳IPv4地址的MAC地址。

1. R1在ARP cache中查找下一跳IPv4地址192.168.2.2。如果表项不在ARP cache中，R1会从FastEthernet 0/1 接口发送ARP请求，R2会返回ARP响应。R1之后在ARP cache中更新192.168.2.2的MAC地址。

2. IPv4报文封装到新的以太网帧中并从R1的FastEthernet 0/1 接口转发出去。

到达目的地：

当帧到达R3时执行以下步骤：

1. R3将数据链路帧复制到它的buffer。

2. R3解封装该数据链路帧。

3. R3在路由表中查找该目的IPv4地址。R3路由表中有直接连接到该网络的路由。这表示报文可直接发送到目的设备而无需发送至路由器。

由于输出接口是一个直连以太网，所以R3必须用ARP解析出目的IPv4地址的MAC地址。

1. R3在它的ARP cache中查找目的IPv4地址，如果此ARP cache中没有此表项，R3会从FastEthernet 0/0 接口发送ARP请求。PC 2回复ARP响应告知它的MAC地址。R3之后在ARP cache中更新192.168.4.10的MAC地址。

2. IPv4报文封装到新的以太网帧中并从R3的FastEthernet 0/0 接口发出。

3. 当PC 2接收到该帧，检查帧的目的MAC地址，与网卡接收端口的MAC地址相匹配，PC 2于是将帧的剩余部分复制到自己的buffer。

4. PC 2识别到以太网类型为0x800，也就是帧的数据部分包含IPv4报文。

5. PC 2解封装以太网帧，将IPv4报文传递给操作系统的IPv4进程。

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