网络数据包在链路层、网络层转发过程（转发）

网络数据包在链路层、网络层转发过程_51CTO博客_数据链路层转发流程

网络数据包在链路层、网络层转发过程

一、链路层转发

　　交换机：根据Mac地址转发数据帧。交换机内有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，交换机就是根据这张表负责将数据帧传输到指定的主机上的。

　　工作原理：交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源MAC地址和对应的接口到MAC表中，接着、会检查自己的MAC表中是否有数据帧中目标MAC地址的信息，如果有则会根据MAC表中记录的对应接口将数据帧发送出去(单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去(广播)。

　　单个交换机传输数据帧过程：

1. 在pc1上ping pc2的ip，在构造icmp报文前，需要知道目标主机的mac地址，由于此时pc1上没有匹配的mac地址条目，pc1将会先发送广播报文。
2. 交换机收到此数据帧后，首先将数据帧中的源MAC地址和对应的接口(接口为feth26) 记录到MAC地址表中。
3. 然后交换机会检查自己的MAC地址表中是否有数据帧中的目标MAC地址的信息，如果有，则从MAC地址表中记录的接口发送出去，如果没有，则会将此数据帧从非接收接口的所有接口发送出去(也就是除了feth26接口)。
4. 这时，局域网的所有主机都会收到此数据帧，但是只有主机B收到此数据帧时会响应这个广播，并回应一个数据帧，此数据帧中包括主机B的MAC地址。
5. 当交换机收到主机B回应的数据帧后，也会记录数据帧中的源MAC地址(也就是主机B的MAC地址)，这时，再当主机A和主机B通信时，交换机根据MAC地址表中的记录，实现单播了。

　　多个交换机互联传输数据帧过程：

1. 主机A将一个源MAC地址为自己，目标MAC地址主机C的数据帧发送给交换机。
2. 交换机1收到此数据帧后，会学习源MAC地址，并检查MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会将数据帧广播出去，主机B和交换机2都会收到此数据帧。
3. 交换机2收到此数据帧后也会将数据帧中的源MAC地址和对应的接口记录到MAC地址表中，并检查自己的MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会广播此数据帧。
4. 主机C收到数据帧后，会响应这个数据帧，并回复一个源MAC地址为自己的数据帧，这时交换机1和交换机1都会将主机C的MAC地址记录到自己的MAC地址表中，并且以单播的形式将此数据帧发送给主机A。
5. 这时，主机A和主机C通信就是一单播的形式传输数据帧了，主机B和主机C通信如上述过程一样，因此交换机2的MAC地址表中记录着主机A和主机B的MAC地址都对应接口feth26。

　　总的来说就是如果交换机上没有相应记录的Mac关系，就广播，所有与该交换机相连的交换机都能收到该数据帧，匹配不成功依次广播...匹配成功响应该数据帧并回复源MAC地址为自己的数据帧。

总结：

1. 交换机具有动态学习源MAC地址的功能，并且交换机的一个接口可以对应多个MAC地址，但是一个MAC地址只能对应一个接口。
2. 交换机动态学习的MAC地址默认只有300S的有效期，如果300S内记录的MAC地址没有通信，则会删除此记录。

ARP缓存表

　　在每台主机中都有一张ARP表，它记录着主机的IP地址和MAC地址的对应关系。

　　ARP协议：ARP协议是工作在网络层的协议，它负责将IP地址解析为MAC地址。

　　1.如果主机A想发送数据给主机B，主机A首先会检查自己的ARP缓存表，查看是否有主机B的IP地址和MAC地址的对应关系，如果有，则会将主机B的MAC地址作为源MAC地址封装到数据帧中。如果没有，主机A则会发送一个ARP请求信息，请求的目标IP地址是主机B的IP地址，目标MAC地址是MAC地址的广播帧(即FF-FF-FF-FF-FF-FF)，源IP地址和MAC地址是主机A的IP地址和MAC地址，主机A发送的广播报文如下。其中二层报文头中目的mac为全F的广播mac地址，arp报文中封装的目的mac地址为全0的mac地址。

　　2.当交换机接受到此数据帧之后，发现此数据帧是广播帧，因此，会将此数据帧从非接收的所有接口发送出去。

　　3.当主机B接受到此数据帧后，发现目的IP地址是否是自己的，并将主机A的IP地址和MAC地址的对应关系记录到自己的ARP缓存表中，同时会发送一个单播响应报文（ARP应答），其中包括自己的MAC地址。

　　4.主机A在收到这个回应的数据帧之后，在自己的ARP缓存表中记录主机B的IP地址和MAC地址的对应关系。而此时交换机已经学习到了主机A和主机B的MAC地址了。

 二、网络层转发

　　路由器负责不同网络之间的通信。在路由器中也有一张表，这张表叫路由表，记录着到不同网段的信息。路由表中的信息分为直连路由和非直连路由。

1. 直连路由：是直接连接在路由器接口的网段，由路由器自动生成。
2. 非直连路由：就是不是直接连接在路由器接口上的网段，此记录需要手动添加或者是使用动态路由。

　　路由表中记录的条目有的需要手动添加(称为静态路由)，有的测试动态获取的(称为动态路由)。直连路由属于静态路由。

　　路由工作原理：路由器是工作在网络层的，在网络层可以识别逻辑地址。当路由器的某个接口收到一个包时，路由器会读取包中相应的目标的逻辑地址的网络部分，然后在路由表中进行查找。如果在路由表中找到目标地址的路由条目，则把包转发到路由器的相应接口，如果在路由表中没有找到目标地址的路由条目，那么，如果路由配置默认路由，就按照默认路由的配置转发到路由器的相应接口；如果没有配置默认路由，则将该包丢弃，并返回不可到达的信息。这就是数据路由的过程。

　　1.PC1将来自上层的报文在网络层封装成IP数据包（其中源、目的IP地址分别为PC1、PC2的IP地址），让源、目的IP地址进行“与”运算来得出是否为同一网段，此时发现PC1/PC2主机不在同一网段，故数据包将经由网关A进行转发。

　　2.由于PC1没有记录网关A（即路由器R1）的mac地址，将会发送ARP请求来获取，并将网关A的mac地址封装为目的mac地址，源mac为主机A。

　　3.网关设备在收到arp广播报文后，发现报文的目的ip就是自己，将会发送arp报文（单播）报文进行响应。PC1收到报文后会记录源mac到自己的mac表中。

　　4.PC1在学习到mac地址后，封装icmp报文发送出去，此报文中源ip、目的ip分别为PC1和PC2的主机ip，源mac为PC1的mac地址，目的mac为网关接口的mac地址。

　　5.路由设备会解封装报文，发现目的ip不是自己同时也不同网段，此时将会检查自己的路由表中是否记录匹配目的ip网段的路由条目，发现存在此路由信息，然后将数据包交给对应的接口feth27进行转发。

　　6.路由设备转发报文前需要知道目的mac地址，因此将会从接口feth27发送arp广播，PC2上获取的广播报文如下：

　　7.PC2会学习arp请求包中的源mac地址，查看报文的目的ip就是自己，将会发送arp响应报文回应,此时设备上也已经学习到完整的arp表。

　　8.网关设备在学习到mac地址后，封装icmp报文发送出去，此报文中源ip、目的ip分别为P和PC2的主机ip，源mac为网关接口feth27的mac地址，目的mac为目标主机PC2的mac地址。如此报文就会从接口发送到目标设备上，成功转发icmp报文。