路由器的工作原理

一、交换机的工作原理

• 交换机里面维护了一张MAC地址表，主要记录的是MAC地址和接口的对应关系
• 交换机在初始状态下，MAC地址表是空的，当收到一个数据来着某接口（F0/1）的数据时，首先查看数据帧中的源MAC地址，对照自己的MAC地址表，如果不在表中，将发送方的MAC地址学习并记录在自己的MAC地址表中，并附上对应的接口（F0/1），再查看目的MAC地址，如果目的MAC地址也不在MAC地址表中，将进行从接受接口（F0/1）外的其他所有连接接口转发出去（广播方式），此时，目的主机将接收到，其他主机也会接收到，其他主机接收到后直接丢弃，目的主机接收到后进行回应，回应的过程中数据同样会交由交换机进行转发，目的主机就会变成回应的发送主机，当交换机接收到来自目的主机的回应报文时（F0/2），同样查看发送方的MAC地址，进行学习并记录，并附带对应接口（F0/2），再去查看目的MAC，因为之前已经有记录，所以直接从记录的接口（F0/1）进行转发（单播）
• 总结：交换学习源MAC，广播数据帧，接收方回应，回应使用单播直接转发

二、路由器相关知识

• 路由器是属于三层（网络层）设备
• 网络层所封装的是IP头部
• 网络层功能
  • 进行逻辑地址（IP地址）寻址，实现不同网络（网络地址不等或者说内网和外网分割）直接的路径选择
  • 内网的IP地址是无法直接在外网进行路由的
  • 查找目的是由可达，如果可达，选择一条最优的路径，如果不可达，直接返回给发送方一个消息
• 网络层所传输的PDU（传输数据单元）是数据包（IP数据包）

三、网络层IP数据包的格式

• IPv4
  

  • 版本：标识目前使用的IP版本（IPv4、IPv6）
  • 首部长度：由于IP数据报文的首部有一个可选项，造成首部长度是可变的，所以需要定义
  • 服务类型（区分服务、服务质量）：为了保障更好的服务，主要是在IP层做Qos
  • 数据报长度：主要用来标识整个数据包的长度
  • 标识、标志、分片偏移：标识上层来的数据到IP层会被分片，这几个字段用来对数据包进行标识，使数据到达目的段重组的时候不会乱序
  • 生存时间（TTL）：数据包在路由器转发消耗的时间，如果小于1秒，TTL就会减1
  • 协议：标识上层数据是使用的何种协议(TCP或UDP)（TCP是6，UDP是17）
  • 首部校验：校验数据报文的首部
  • 源地址：发送方的IP地址
  • 目的地址：接收方的IP地址

• IPv6

四、路由器的工作原理

1、路由

• 从源主机到目标主机的转发过程（跨网络访问）
• 包含两个内容
  • 确定最佳路径（手动指定、根据动态路由协商方式）
  • 通过网络传输信息

2、路由器的工作原理

将目的地址的对应网段加入路由表，根据路由表选择发送数据包的接口，直至到达目的地址。

• 路由表
  • 直连路由：当路由器的接口配置好对应的IP地址并开启接口后自动生成
  • 非直连路由：需要手动配置静态路由或者使用动态路由协议学习到

3、静态路由

• 由管理员手动配置，不灵活，而且是单向的
• 特殊的静态路由（默认路由）：当在路由表中找不到目标网络的路由条目时，再去查看默认路由
  • 使用场景：一般应用于末节（末梢）网络（网络的最末端）（一个路由器的一段只连接了一个网络）

4、动态路由

• 通过某种动态路由协议自动去建立自己的路由表
• 常见的动态路由协议：RIP OSPF BGP IGRP EIGRP

五、路由器转发数据包的封装过程

当R1收到数据报文后，会解封到网络层，查看目的是否可到，如果可以到，转发到对应接口，重新进行二层封装，源MAC变成了R1 f1/0接口MAC，目的MAC变成了R2 f1/0接口MAC。

当R2收到数据报文后，会解封到网络层，查看目的是否可达，目的和自己时同一网络，肯定可到，将数据交给对应接口，将数据交给对应接口，重新进行二层封装，源MAC变成R2 f0/0接口MAC，目的MAC变成了PC2 MAC

路由器在转发数据包的封装过程

• 源IP和目的IP是没有发生变化的

• 源MAC和目的MAC是一直在变化的

• 路由器会进行二次封装

• 同网段传输主要是二层转发（不需要进行重新封装）

  跨网段传输主要是三层转发（需要重新进行二层封装）