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作者：網工Fox
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二層轉發原理

交換機有多個網絡端口，它通過識別數據幀的目標 MAC 地址，根據 MAC 地址表決定從哪個端口發送數據。MAC 地址表不需要在交換機上手工設置，而是可以自動生成的。

交換機是如何添加、更新、刪除 MAC 地址表條目的？

在初始狀態下，交換機的 MAC 地址表是空的，不包含任何條目。當交換機的某個端口接收到一個數據幀時，它就會將這個數據幀的源 MAC 地址、接收數據幀的端口號作為一個條目保存在自己的 MAC 地址表中，同時在接收到這個數據幀時重置這個條目的老化計時器時間。這就是交換機自動添加 MAC 地址表條目的方式。

在新增這一條 MAC 地址條目后，如果交換機再次從同一個端口收到相同 MAC 地址為源 MAC 地址的數據幀時，交換機就會更新這個條目的老化計時器，確保活躍的的條目不會老化。但是如果在老化時間內都沒收到匹配這個條目的數據幀，交換機就會將這個老化的條目從自己的 MAC 地址表中刪除。

還可以手動在交換機的 MAC 地址表中添加靜態條目。靜態添加的 MAC 地址條目優先動態學習的條目進行轉發，而且靜態條目沒有老化時間，會一直保存在交換機的 MAC 地址表中。

如何使用 MAC 地址表條目進行轉發？

當交換機的某個端口收到一個單播數據幀時，它會查看這個數據幀的二層頭部信息，并進行兩個操作。一個操作是根據源 MAC 地址和端口信息添加或更新 MAC 地址表。另一個操作是查看數據幀的目的 MAC 地址，并根據數據幀的目的 MAC 地址查找自己的 MAC 地址表。在查找 MAC 地址表后，交換機會根據查找結果對數據幀進行處理，這里有 3 中情況：

交換機沒有在 MAC 地址表中找到這個數據幀的目的 MAC 地址，因此交換機不知道自己的端口是否有連接這個 MAC 地址的設備。于是，交換機將這個數據幀從除了接收端口之外的所有端口泛洪出去。

交換機的 MAC 地址表中有這個數據幀的目的 MAC 地址，且對應端口不是接收到這個數據幀的端口，交換機知道目的設備連接在哪個端口上，因此交換機會根據 MAC 地址表中的條目將數據幀從對應端口單播轉發出去，而其它與交換機相連的設備則不會收到這個數據幀。

交換機的 MAC 地址表中有這個數據幀的目的 MAC 地址，且對應端口就是接收到這個數據幀的端口。這種情況下，交換機會認為數據幀的目的地址就在這個端口所連接的范圍內，因此目的設備應該已經收到數據幀。這個數據幀與其它端口的設備無關，不會將數據幀從其它端口轉發出去。于是，交換機會丟棄數據幀。

單播：主機一對一的發送數據。單播地址是主機的 MAC 地址。 廣播：向局域網內所有設備發送數據。只有全 1 的 MAC 地址為廣播 MAC 地址，即 FF-FF-FF-FF-FF-FF 。 泛洪：將某個端口收到的數據從除該端口之外的所有端口發送出去。泛洪操作廣播的是普通數據幀而不是廣播幀。

三層轉發原理

路由器有多個端口，分別連接不同的數據鏈路。它通過識別目的 IP 地址的網絡號，再根據路由表進行轉發，路由表中有匹配的路由條目才會轉發，無匹配的路由條目則直接丟棄。路由條目既可以手動設置靜態路由，也可以通過路由協議自動生成動態路由。

路由器如何進行三層轉發？

當一臺路由器收到一個數據包時，會執行如下步驟：

對數據包進行解封裝。

通過解封裝，查看網絡層頭部信息的目的 IP 地址。

在路由表中查找匹配的路由條目。

查找匹配的路由條目，就需要將數據包的目的 IP 地址與各個路由條目的網段地址先進行二進制與（ AND ）運算，再將運算結果與路由條目的網段地址進行比較，若一致則該條目與目的 IP 地址相匹配。最后，與所有路由條目完成運算和比較，可得到一條或多條相匹配的路由條目。也可能沒有匹配的路由條目，那么丟棄數據包。

從多個匹配項中選擇掩碼最長的路由條目。

如果路由表中有多條路由條目都匹配數據包的目的 IP 地址，則路由器會選擇掩碼長度最長的路由條目，這種匹配方式稱為最長匹配原則。

例如：10.1.3.10 的網絡地址與 10.1.3.0/16 和 10.1.3.0/24 兩項都匹配，這時應該選擇匹配度最長的 10.1.3.0/24 。

將數據包按照相應路由條目進行轉發。

路由條目中包含下一跳和出接口。當路由器找到相應的路由條目后，它就會根據對應的下一跳和出接口，將數據包從出接口發送數據給下一跳設備。

ARP

只要確定了 IP 地址，就可以向這個目標地址發送 IP 數據報文。但是在進行實際通信時，還要知道每個 IP 地址所對應的 MAC 地址。

地址解析協議，簡稱 ARP 協議。是根據目的設備的 IP 地址來查詢對應 MAC 地址的協議。

ARP 的工作原理

當主機 A 向同一個網段內的主機 C 發送數據，但是不知道主機 C 的 MAC 地址。

ARP 請求：主機 A 以主機 C 的 IP 地址為目的 IP 地址，以廣播 MAC 地址為目的 MAC 地址，在同網段內發送這個廣播報文，這個報文就叫 ARP 請求報文。

二層交換機不查看 IP 地址，根據目的 MAC 地址將報文除接收端口外的所有端口發送。

ARP 響應：主機 C 發現目的 IP 地址是自己的 IP 地址，于是主機 C 以自己 MAC 地址和 IP 地址作為源 MAC 地址和源 IP 地址，以主機 A 的 MAC 地址和 IP 地址作為目的 MAC 地址和目的 IP 地址，發送響應報文給主機 A ，這個報文就叫 ARP 響應報文。其它主機收到主機 A 的 ARP 請求報文，因為目的 IP 地址不是自己的 IP 地址，因此不會進行響應。

當主機 A 在發送 ARP 廣播請求報文時，二層交換機已經有主機 A 的 MAC 地址表條目。當收到主機 C 發送的單播 ARP 響應報文時，二層交換機將報文從相應端口發送出去。并將主機 C 的 MAC 地址和對應端口記錄到 MAC 地址表中。

更新 ARP 緩存表：主機 A 收到 ARP 響應報文后，將主機 C 的 IP 地址和 MAC 地址記錄到 ARP 緩存表中。下次再向主機 C 發送數據時，直接將緩存的目的 MAC 地址進行封裝。

當主機 A 向不同網段的主機 C 發送數據，但是不知道主機 C 的 MAC 地址。

主機 A 使用主機 C 的 IP 地址查詢 ARP ，ARP 發現主機 C 不在同一個網段，需要通過默認網關（即默認路由的下一跳地址），但是沒有網關 MAC 地址；

主機 A 先將發送給主機 C 的數據放入緩存中，然后發送 ARP 請求報文，主機 A 以網關 IP 地址為目的 IP 地址發送 ARP 廣播請求報文；

路由器收到 ARP 廣播請求報文后，將主機 A 的 MAC 地址和對應端口添加到自己的 MAC 表中，然后查看目的 IP 地址發現是請求自己的 MAC 地址，于是單播發送 ARP 響應報文；

主機 A 收到 ARP 響應報文后，將發送給主機 C 的數據封裝網關 MAC 地址為目的 MAC 地址進行發送；

路由器收到報文后，查看目的 IP 地址，是發送給主機 C 的，于是查詢路由表從相應端口發送數據。由于沒有主機 C 的 MAC 地址，路由器發送 ARP 請求報文，源 MAC 地址和源 IP 地址替換為發送端口的MAC 地址和 IP 地址；

主機 C 收到 ARP 請求報文后，添加路由器的端口和 MAC 地址到 MAC 地址表，單播發送 ARP 響應報文；

路由器收到主機 C 的 MAC 地址后，將其添加到 MAC 地址表中。將主機 A 發送給主機 C 的報文重新封裝，以自己的 MAC 地址為源 MAC 地址，以主機 C 的 MAC 地址為目的 MAC 地址，發送給主機 C ；

主機 C 收到主機 A 發送的數據，發送過程結束。

當主機 C 向主機 A 發送回復報文時，同主機 A 向主機 C 發送數據的步驟一致

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總結

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