二三层转发原理介绍

一、什么是二层转发：

         当正常情况下，我们需要访问某个地址时，必然需要知道对方的IP地址，这个是必然条件，比如我们访问www.baidu.com这个网址，其实访问的也只是百度的IP地址，只不过期间经过了DNS域名解析，将这个域名地址解析成一个IP地址这个过程。

         这就像是我们发快递，必然要知道收件人的姓名（这也就相当于收件人=目的IP，发件人=源IP）然后我们还需要知道对方的目的地址在哪。（目的地址和源地址就像是IP地址的掩码），如果我跟对方在同一个城市，那么我们就不需要使用快递，直接本地把快递给别人即可。这个就是二层转发，也就是当源IP和目的IP在同一个网段时，这时候只需要进行二层转发即可。

二、什么是三层转发：

         当我们发送报文时，发现源IP和目的IP不在同网段，那这时候就需要网关这个参数。

         网关的作用就像是快递员，当我们发快递需要发往其他城市时，肯定不会为了一个小东西就直接开车前往其他城市，那这时候比较方便的做法就是寄快递，将东西（报文）交给快递员，然后由快递员在各个城市之间转发，直至最后到达收件人的手上。

         所以在这个过程中，我们的源IP和目的IP肯定是不能变化的。这就像是收件人和寄件人姓名和地址，必然不能发生变化，而变化的在于快递是在谁手上，比如一开始报文从我的手上发给快递员A，那这时候源MAC则是我，目的MAC则是快递员A，然后当快递到达了快递员A手上后，可能需要发往其他城市的其他快递员手上，那这时候报文在到达快递员A后，会重新进行封装，将源MAC修改成快递员A，目的MAC修改成快递员B。直至最后，当快递员B找到收件人，则将报文的源MAC修改成快递员B，目的MAC修改成收件人本人。

三、为什么需要区分二层和三层的转发区别：

         当报文需要进行二层转发时，是不需要查找三层的路由表信息的，而且二层转发的时候也不会对报文里面的某些字段进行修改，这样，二层转发的速度和效率必然远远高于三层转发。

         当报文需要进行三层转发时，需要将目的MAC，目的IP字段进行识别，然后在根据目的IP地址的网段在自己的路由表中进行查找，匹配，然后对应ARP里面的信息，进行转发。

这个过程毋庸置疑是比二层转发要慢的。

若还是有些不懂的。可以继续看下去，后续以实验用例介绍：

实际拓扑以及报文的变化介绍：

假设以这个拓扑图来演示实验：

二层转发过程：

当PC1想访问PC2时（以ping为例），

首先，PC1会开始封装报文：

按照封装顺序，是从上到下封装---应用层----传输层----网络层----网络接口层（TCP/IP模型，这里只讲网络层和网络接口层的封装-网络接口层分数据链路层和物理层）

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC1的MAC    目的MAC：暂时未知           |

|  网络层封装：源IP：10.0.0.1        目的IP：10.0.0.2   协议：ICMP   |

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         但是在这个报文的封装过程中，我们首先需要判断源IP和目的IP是否在同一个网段，如果不是同一个网段则需要提交给网关，由网关去查找转发。若是在同一网段则根据目的IP在ARP表中找到对应的目的MAC,然后进行封装， 但是正常来说，刚开始的时候肯定是没有目的MAC这个字段的。所以在目的MAC字段，应暂时未空，然后通过ARP信息去找到目的IP对应的MAC地址。

那这时候，我们PC1会先发送一个ARP的请求报文，作用是用于请求10.0.0.2这个地址的MAC地址信息。ARP的请求报文如下：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC1的MAC    目的MAC：FFFF-FFFF-FFFF      |

|  ARP报文头：ARP的操作位：1（请求-Request）                                      |

|                        发送站的协议地址：10.0.0.1                           |

|                        接收站的协议地址：10.0.0.2                                           |  

|                        发送站的硬件地址：PC1的MAC                                         |  

|                        接受站的硬件地址：FFFF-FFFF-FFFF                                    |  

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由于ARP的请求报文是以广播形式发送的，所以其中的目的MAC和接收站的硬件地址都是为12个F，代表的是所有设备都会接受。这个报文从PC1的接口发出去，会先到达SW1这个二层交换机，所以交换机的处理方式是：收到二层报文，会将其中的源MAC和接受的端口记录起来，形成MAC地址表，然后根据报文目的MAC按照MAC地址表进行转发，若MAC地址表中有的则直接转发对应端口，若MAC地址表中没有的则跟广播数据帧的转发一样，从除了接收端口以外所有端口发送出去。此时报文会从SW1的1口和2口发送出去，该报文到达路由器时，路由器从下到上解封装，发现目的MAC是广播可以接受，但是接收站的协议地址不是自己，但是路由器本身默认是拒绝转发广播包的，所以会直接丢弃。PC2收到该报文后，同样进行从下到上解封装，发现报文源MAC是自己，于是解封装ARP报文，发现是个请求包，于是就其中的源MAC和源IP记录在本地的ARP表中，然后以该地址重新封装报文。发送给PC1，封装格式如下：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC2的MAC    目的MAC：PC1的MAC        |

|  ARP报文头：ARP的操作位：2（请求-Reply）                                          |

|                        发送站的协议地址：10.0.0.2                           |

|                        接收站的协议地址：10.0.0.1                                           |  

|                        发送站的硬件地址：PC2的MAC                                         |  

|                        接受站的硬件地址：PC1的MAC                                       |  

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         报文中发送站协议地址和源MAC都是PC2本身的，而接收站的协议地址和硬件地址和目的MAC则是从之前收到的ARP请求报文中获得的，然后以这个地址单播的形式发送出去。

         SW1交换机收到了这个报文后，会根据报文的源MAC和接收的端口记录在本地MAC地址表，然后在根据目的MAC查找MAC地址表，找到对应的项进行转发，由于之前PC1发送过一次包，所以SW1里面有关于PC1的MAC和接受的端口，然后将报文从MAC地址表中对应的端口发出去，发到PC1的链路上。

         当PC1收到了该报文后，从下到上解封装，发现目的MAC是自己，于是继续向上解封装，到ARP报文时，发现是个ARP的响应包，然后将发送站的协议地址和发送站的硬件地址进行捆绑，记录在本地形成ARP表，然后在回到刚开始的时候，将报文圆满的补充完成并且发出：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC1的MAC    目的MAC：PC2的MAC         |

|  网络层封装：源IP：10.0.0.1        目的IP：10.0.0.2   协议：ICMP   |

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当这个报文发送到交换机后，同理根据源MAC和接受的端口进行刷新MAC地址表，然后在根据目的MAC查找MAC地址表，从对应的接口转发出去，然后PC2收到后，同样进行从下到上解封装，并且对ICMP的回包和交互。

         至此，二层转发过程结束。下面我们看三层转发。

三层转发过程：

         当PC1想和PC3互相进行访问时，我们首先需要判断源IP和目的IP是否在同一个网段，如果不是同一个网段则需要提交给网关，由网关去查找转发。而在上图实验拓扑中，PC1和PC3肯定是不在同一网段的，那这时候肯定就需要在PC1上设置个网关参数。

         网关：一般来说就是数据报文直接出口的三层设备的接口地址，如在这个例子当中，离PC1最近的三层设备就是R1，那网关地址一般也就是R1的G0/0/0口的IP地址。

         这样一样对于PC1来说，所有不认识的数据包只需要丢给网关，然后由网关发出去就行了。所以R1的报文封装如下：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC1的MAC    目的MAC：网关的MAC          |

|  网络层封装：源IP：10.0.0.1        目的IP：20.0.0.1   协议：ICMP   |

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         其中源IP和源MAC肯定是自己，目的IP肯定得是PC3本身，不然这个报文也就失去了原本的含义，而目的MAC字段则是需要将报文交给的设备，也就是网关的接口MAC。一般来说三层设备的每个三层接口都有个单独的MAC地址。

         这样一来报文的封装就会以这样的形式封装了，PC1需要根据ARP表找到网关IP地址所对应的MAC地址，然后进行封装，但是刚开始的时候，可能PC并没有网关的MAC，所以可能还得需要发送ARP报文进行MAC地址的学习。

         ARP报文参数如下：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC1的MAC    目的MAC：FFFF-FFFF-FFFF      |

|  ARP报文头：ARP的操作位：1（请求-Request）                                      |

|                        发送站的协议地址：10.0.0.1                           |

|                        接收站的协议地址：10.0.0.254                                       |  

|                        发送站的硬件地址：PC1的MAC                                         |  

|                        接受站的硬件地址：FFFF-FFFF-FFFF                                    |  

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         整个ARP的报文流程同上二层转发流程一样。这里就不多叙述了。

         当PC1收到了ARP响应包后，就知道了网关-R1的G0/0/0口的IP地址，然后根据正常的报文封装进行封装发出：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                               |

|  数据链路层：源MAC：PC1的MAC    目的MAC：网关的MAC          |

|  网络层封装：源IP：10.0.0.1        目的IP：20.0.0.1   协议：ICMP   |

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         这个报文从PC1发出，到达交换机后，交换机会将这个报文按照MAC地址表进行转发，从对应的关联接口发出，发到R1的G0/0/0口，然后R1收到了这个报文后会进行解封装，匹配目的MAC是否是自己，是的话接受，然后看目的IP，如果是自己则继续接收解封装，如果不是自己则进行查表转发。查的表为路由表。

         路由表中如果有该目的IP的路由项，则从对应的出接口和下一跳转发，若没有这个地址则会进行丢弃。

         假设在R1的路由表中有该路由项，那R1会进行匹配出接口和下一跳地址，若下一跳地址不是本地的直连路由，则再以下一跳地址进行再次查表操作，如果下一跳地址是自己的直连路由则根据ARP表找到对端接口的MAC地址直接报文封装进行转发。

         这个过程中报文的封装如下：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                                  |
|  数据链路层：源MAC：R1的G1口MAC   目的MAC：R2的G0口MAC    |

|  网络层封装：源IP：10.0.0.1        目的IP：20.0.0.1   协议：ICMP      |   

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         在这个报文地址中源MAC变成了R1的G0/0/1出接口，而目的MAC则变成了对端G0/0/0口的MAC地址，然后进行报文封装发送，当这个报文到达R2时，R2同样会对报文进行目的MAC匹配，是否是自己或者是否能接收。然后收了之后在判断目的IP是否是自己决定下一步操作。如果是自己则接收，如果不是自己则进行查表转发，当发现目的IP是自己的直连接口，那就会直接以目的IP的MAC地址进行报文封装发出，整个过程还是得需要依靠ARP表项进行封装。当报文从R2发出时，封装如下：

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|  物理层：网线的封装标准和格式                                                                  |
|  数据链路层：源MAC：R2的G1口MAC   目的MAC：PC3的MAC        |

|  网络层封装：源IP：10.0.0.1        目的IP：20.0.0.1   协议：ICMP      |   

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         如此一来，该报文就能正常的发送到PC3上，然后PC3进行接收，判断目的MAC和目的IP是否是自己，是则接收，不是则丢弃。接收后发现是个ICMP的报文，于是需要回应一个响应包，这个报文的转发流程同PC1发送给PC3的流程一样。