几句话让你明白：分析ARP协议、图文拆解交换机/路由器转发原理_几句话让你明白:分析arp协议、图文拆解交换机/路由器转发原理

一、ARP协议

1、回顾要点

【两台主机通信过程】

Ø由于采用ICMP协议进行通信，双方从第三层开始协商，如上图所示，发送方主机在网络层将ICMP协议信息封装在IP报头中，源IP地址为“192.168.1.10”，目的IP地址为“192.168.1.20”，然后将数据报文送到数据链路层

Ø数据链路层封装MAC头部，其中包括泊MAC地址00-00-00-aa-aa-aa和目的MAC地址00-00-00-bb-bb-bb。之后送往物理层最终转换成电信号在网络介质中传输

《注意》：

   Arp属于广播形为，为二层广播

   ARP广播的目的地址是所有人：FF-FF-FF-FF-FF-FF

组播：它的形为是广播，但是目标是一部分人

【ARP查询过程】

当主机在数据链路层封装MAC地址的时候，主机会先查看自己的ARP缓存表，如果查找到IP地址对应的MAC地址，就执行后续封装过程；如果没有查找到对应的MAC地址，就开始ARP查询过程。

a)主机A发送ARP请求报文，其源IP和MAC地址都是自己的。目的IP地址请求方是即主机B的IP地址，目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF

b)由于目的MAC地址是一个广播地址，所以网内所有主机都能收到该请求报文，在本例中只有两台主机，因此主机B会收到请求报文

c)因为该请求报文中有主机A的IP与MAC字段（ARP字段中会有源地址的信息），主机B会将该信息记录在自己的ARP缓存表中，之后发送ARP回应报文给主机A

d)同样，主机A也会从主机B的ARP回应报文中记录对方的IP和MAC地址，并对应到ARP缓存中

e)这时，主机A会把刚刚获取的主机B的MAC地址封装在MAC包头内，继续后面的通信过程

【请思考】：

   1)如果网络中有很多台主机通过交换机互联，主机A发送ARP请求后是否所有主机都会给主机A发送ARP回应报文，为什么？

 答：不一定

   2)ARP缓存中的条目是否永远存在，是否可以手动写入？

 答：不永远存在，300S老化时间；可以手动写入。

   3)如果主机A并没有发送ARP请求报文，而主机B 主动发送ARP回应报文，这时主机A是否会存入自己的缓存中？

 答：会

《注意》：

网络层3个常用协议的顺序：

      ICMP：01协议

      IP：0800协议

      ARP：0806协议

2、扩展知识

【分析不同网络的ARP协议】

a)首先，主机A与主机C通信，双方的ARP缓存表中都没有彼此的IP与MAC地对应条目

b)其次，ARP请求报文的目标MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF（二层广播地址），它的作用范围仅在广播范围内，也就是说ARP请求报文无法通过R1路由到达其他网段

c)所以，当接收方与发送方不在同一个网段时，ARP的请求报文将不在封装目的方的IP地址，而是封装发送方所在网段的网关地址，从而请求网关的   MAC地址。

二、交换机的转发原理

1、要点

【MAC地址表的形成】：

a)主机A与主机B通信，如上图所示，发送的数据帧源MAC地址为00-00-00-aa-aa-aa，目的MAC地址为00-00-00-bb-bb-bb

b)当交换机收到该数据帧的时候，交换机会动态地学习数据帧的源MAC地址，所谓“学习”是指数据帧的源MAC地址与接收端口的编号对应在表中；所谓“动态”是指这个条目并不会一直存储在MAC地址表中，一定时间扣，如果没有收到相同源MAC地址表中查询数据帧，交换机会“遗忘”掉这条记录

c)另一方面,交换机会在 MAC地址表中查询数据帧的目标MAC地址,如果找到,会将该数据帧从目标MAC地址所对应的接口转发出去;如果没有,交换机将会广播该数据帧

d)所以,一个局域网通信一段时间,基本上交换机会有所有激活设备的MAC地址记录(未被激活的会补”遗忘”)

2、扩展知识

结论一：在MAC 地址表中，交换机的一个接口可以对应多个MAC地址

结论二；一个MAC地址只能对应在一个接口上

三、路由器的转发原理

Ø路由表记录的是网段信息，这些信息虽然不能把数据报文转发目的地，但是却能正确的方向转发，一步一步找到目的地

Ø默认情况下，物理链路正常，接口地址配置无误，路由表中会有直连路由

Ø两个路由器如果通过以太网接口互联，必须在一个网段的。在这个例子中，两个路由器通过10.这个网段连接起来，所以ARP在这个网段广播的时候可以得到下一个路由器的MAC地址。可以想象成两个路由器通过一个交换机作为中心连接起来的。

【路由器对数据包的封装过程】

a)Host A在网络层将来自上层的报文封装成IP数据包，其首部包含了源地址和目的地址，源（192.168.1.2），目的（192.168.2.2）。Host A会用本机配置的24位掩码与目的地址进行“与”运算，得出目的地址与本机不在同一网段，因此发往Host B的数据包需经过网关路由器A转发。

b)Host A通过ARP请求报文获得默认网关路由器A的“E0”口MAC地址（00-11-22-21-22-22），在数据链路层Host A将IP数据包封装成以太网数据帧，在以太网数据帧首部的源MAC地址（00-11-12-21-11-11），目的MAC地址为网关E0的MAC地址（00-11-12-21-22-22）。

c)路由器A从E0口接收到数据帧，把数据链路层的封去掉，路由器A认为这个IP数据包要通过自己进行路由转发，路由器A会查找自己的路由表，寻找与目标IP（192.168.2.2）相匹配的路由表项，根据路由表的下一跳地址将数据包转发到E1接口。

d)在E1接口路由器A重新封装以太网帧，此时源MAC地址为路由器A的E1口MAC地址（00-11-12-21-33-33），目的MAC地址为之相连的路由器B的E1口MAC地址（00-11-12-21-44-44）。

e)路由器B从E1口接收到数据帧，同样会把数据链路层的封装去掉，并对目的IP地址进行检查，并与路由表进行匹配，然后根据路由表的下一跳信息将数据包转发到E0接口。路由器B发现目的网段与自己的E0接口直接相连，通过ARP广播，路由B获得Host B以太口的MAC地址（00-11-12-21-66-66），路由器B再将IP数据包封装成以太网帧，源MAC地址为路由器B的E0口的MAC地址（00-11-12-21-55-55），目的MAC地址为Host B的MAC地址（00-11-12-21-66-66）。封装完毕后，将以太网帧从E0接口发往Host B。

《名词解释》

   位（bit）、字节（Byte）

   1字节(B)=8位(bit)、1KB=1024B、1MB=1024KB、1GB=1024MB

   MAC地址：6字节/48位 (标准以太网帧大小：64~1518字节)

   IP地址：4字节/32位

   Type（类型）：上层协议标识，如IP/0800，为2字节

   Head（头部）：IP包头，源IP和目的IP

   Data（数据）：46~1500字节；MTU(最大传输单元)为1500

《请思考》

Ø在家通过QQ软件聊天时，收到多方发送的数据报文的源MAC地址是对方主机的MAC地址吗？

答：不是，是自己网关（路由）的MAC地址？

Ø配置静态路由时，如果下一跳地指指向本地的某一个接口，该接口失效后，该条目会怎样？

答：会不通。一般分两种情况的接口失效，路由器下有交换机和没交换机的失效。

四、综合训练

1、数据报文在主机A与R1之间

n主机A发送的第一个报文数据是什么？目标IP地址与源IP地址分别是什么？目标MAC地址与源MAC地址分别是什么？

n在此期间R1会发送报文给主机A吗？发送什么报文？

n在此期间交换机会把某个报文转发给主机B吗？如果会转发，那转发的具体是什么报文？

n在此期间主机A和R1的ARP表有何变化？

2、数据报文在R1和R2之间

n主机通信的时候会有ARP请求的过程，路由设备之间不需要。“这句话对吗”？应该怎样理解？

n如果R1上没有配置任何的路由条目，默认情况下路由表中是否存在路由条目？接收到主机A的数据报文R1会如何处理？

n如果实现全网互通，在R1和R2上应该配置怎样的路由条目？

n经过R1转发后的主机A的数据报文，它的源MAC地址和源IP地址分别是什么？

3、数据报文在R2与主机C之间

n如果R2上没有配置任何静态路由条目，由主机A发送的数据条目到达这里时，路由器会丢弃数据报文吗？主机A和主机C能ping通吗？

n当主机A与主机C通信后，SW2中是否有主机A的MAC地址条目？为什么？

五、设备模块

   NM-16ESW：交换模块，路由设备安装此模块后就有了交换功能了

   NM-1E：路由模块，该模块具有1个10M以太网路由接口

   NM-1FE-TX：路由模块，该模块具有1个100M以太网路由接口

   NM-4E：路由模块，该模块具有4个10M以太网路由接口

   NM-4T：路由模块，该模块具有4个串行链路接口