MAC，IP，路由传输封装过程

1、数据包经由路由转发时源、目的IP地址及MAC地址变化情况

IP数据包经由路由转发的时候源ip，目的ip，源MAC,目的mac是否发生改变，如何改变？

A—–(B1-B2)—–(C1-C2)——E

如上为例，B1和B2是路由器B上的两个接口，C1和C2是路由器C上的两个接口，A和E是PC，由主机A向主机E发送数据包，那么在主机A形成的数据包的目的IP就是E的IP，源IP就是主机A的IP地址，目标MAC地址就是B1的MAC地址，源MAC地址就是A的MAC地址

由A发给路由器B，B经过重封装后，源IP和目标IP是不变的，源MAC地址变成B2的MAC地址，目标MAC地址变成C1的MAC地址，封装完成发送给路由器C，路由器C接收到数据包后和B做的操作是一样的，源IP和目标IP的不变的，源MAC地址变成C2的MAC地址，目标MAC地址变成主机E的MAC地址，然后发送给主机E，这样E就收到了这个数据包，当恢复数据包的时候就是把收到的数据包的源IP地址（主机A的IP地址）和源MAC地址（接口C2的MAC地址）作为他的目标IP和目标MAC地址

2、ARP解析MAC地址的全过程（ARP的工作机制）

2.1 ARP解析MAC地址需要了解的：

以太网环境下，同一个网段的主机之间需要互相知道对方的MAC地址，才能访问。TCP/IP协议栈从上层到下层的封装过程中，第三层封装需要知道目的IP，第二层封装需要知道目的MAC。目的IP一般由用户手工输入，或者由应用程序填充，也可以通过名称解析系统解析得到，而目的MAC就需要使用ARP来解析。

2.2 ARP解析MAC地址的过程：

第一步：上层应用产生数据，这里用FTP协议为例，在FTP协议中定位了目的IP。

第二步：那么，封装的过程如下：

1. 应用层：需要FTP的控制信息，包括用户名、密码等;
2. 传输层：目的端口号为21，源为随机端口号;
3. 网络层：目的IP为172.16.1.200，源IP为172.16.1.1;
4. 数据链路层：因为不知道目的IP 172.16.1.200对应的MAC，所以目的IP到目的MAC的封装映射失败; 三层到二层的封装失败，由于二层是以太网，ARP的工作机制便会产生ARP Request去解析目的MAC，此时，源MAC为数据发起者的MAC，目的MAC地址为FFFF:FFFF:FFFF（代表所有MAC）

第三步：ARP Request到达本网段中的所有设备上，因为目的为FFFF:FFFF:FFFF，所以所有设备都可以拆掉二层的封装，然后解读ARP数据包中需要解析的目的IP。

第四步：目的IP不正确的设备直接忽略这个ARP请求包，目的IP正确的设备，会产生一个ARP Reply去回应这个ARP Request。此时，二层的源MAC为被解析设备的MAC，目的为ARP解析发起者的MAC。

第五步：数据的发起者接到ARP Reply后，将目的IP与目的MAC的对应关系添加到自己的ARP表中。

第六步：之前未完成二层封装的FTP数据，这时重新开始封装二层头部，此时，正确的目的MAC就被封装到了整个数据帧中。只有完成了整个TCP/IP协议栈封装的数据帧，才能正常的从主机上发出去。

这就是ARP解析MAC地址的整个过程。

3、什么是MAC地址，IP地址

IP地址，这个应该知道吧，即指使用TCP/IP协议指定给主机的32位地址。IP地址由用点分隔开的4个8八位组构成，如192.168.0.1就是一个IP地址，这种写法叫点分十进制格式。IP地址由网络地址和主机地址两部分组成，分配给这两部分的位数随地址类（A类、B类、C类等）的不同而不同。网络地址用于路由选择，而主机地址用于在网络或子网内部寻找一个单独的主机。一个IP地址使得将来自源地址的数据通过路由而传送到目的地址变为可能。 现在有很多计算机都是通过先组建局域网，然后通过交换机和Internet连接的。然后给每个用户分配固定的IP地址，由管理中心统一管理，这样为了管理方便就需要使用Mac地址来标志用户，防止发生混乱，明确责任（比如网络犯罪）。

另外IP地址和Mac地址是有区别的，虽然他们在局域网中是一一对应的关系。IP地址是跟据现在的IPv4标准指定的，不受硬件限制比较容易记忆的地址，而Mac地址却是用网卡的物理地址，多少与硬件有关系，比较难于记忆。 MAC地址，长度为48位（6个字节），通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号隔开，如：08:00:20:0A:8C:6D就是一个MAC地址，其中前6位16进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE（Istitute of Electrical and Electronics Engineers，电气与电子工程师协会）分配，而后3位16进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品（如网卡）的系列号。每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三个字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有唯一的MAC地址。

既然每个以太网设备在出厂时都有一个唯一的MAC地址了，那为什么还需要为每台主机再分配一个IP地址呢？或者说为什么每台主机都分配唯一的IP地址了，为什么还要在网络设备（如网卡，集线器，路由器等）生产时内嵌一个唯一的MAC地址呢？主要原因有以下几点：（1）IP地址的分配是根据网络的拓朴结构，而不是根据谁制造了网络设置。若将高效的路由选择方案建立在设备制造商的基础上而不是网络所处的拓朴位置基础上，这种方案是不可行的。（2）当存在一个附加层的地址寻址时，设备更易于移动和维修。例如，如果一个以太网卡坏了，可以被更换，而无须取得一个新的IP地址。如果一个IP主机从一个网络移到另一个网络，可以给它一个新的IP地址，而无须换一个新的网卡。（3）无论是局域网，还是广域网中的计算机之间的通信，最终都表现为将数据包从某种形式的链路上的初始节点出发，从一个节点传递到另一个节点，最终传送到目的节点。数据包在这些节点之间的移动都是由ARP（Address Resolution Protocol：地址解析协议）负责将IP地址映射到MAC地址上来完成的。

下面我们来通过一个例子看看IP地址和MAC地址是怎样结合来传送数据包的。 假设网络上要将一个数据包（名为PAC）由临沭的一台主机（名称为A，IP地址为IP_A，MAC地址为MAC_A）发送到北京的一台主机（名称为B，IP地址为IP_B，MAC地址为MAC_B）。这两台主机之间不可能是直接连接起来的，因而数据包在传递时必然要经过许多中间节点（如路由器，服务器等等），我们假定在传输过程中要经过C1、C2、C3（其MAC地址分别为M1，M2，M3）三个节点。A在将PAC发出之前，先发送一个ARP请求，找到其要到达IP_B所必须经历的第一个中间节点C1的MAC地址M1，然后在其数据包中封装（Encapsulation）这些地址：IP_A、IP_B，MAC_A和M1。当PAC传到C1后，再由ARP根据其目的IP地址IP_B，找到其要经历的第二个中间节点C2的MAC地址M2，然后再将带有M2的数据包传送到C2。如此类推，直到最后找到带有IP地址为IP_B的B主机的地址MAC_B，最终传送给主机B。在传输过程中，IP_A、IP_B和MAC_A不变，而中间节点的MAC地址通过ARP在不断改变（M1，M2，M3），直至目的地址MAC_B。

4、MAC地址和IP地址的关系

简单地说：ip地址是服务商给你的，mac地址是你的网卡物理地址。

4.1 IP地址

对于IP地址，相信大家都很熟悉，即指使用TCP/IP协议指定给主机的32位地址。IP地址由用点分隔开的4个8八位组构成，如192.168.0.1就是一个IP地址，这种写法叫点分十进制格式。IP地址由网络地址和主机地址两部分组成，分配给这两部分的位数随地址类（A类、B类、C类等）的不同而不同。网络地址用于路由选择，而主机地址用于在网络或子网内部寻找一个单独的主机。一个IP地址使得将来自源地址的数据通过路由而传送到目的地址变为可能。

4.2 MAC地址

对于MAC地址，由于我们不直接和它接触，所以大家不一定很熟悉。在OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）7层网络协议（物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层）参考模型中，第二层为数据链路层（Data Link）。它包含两个子层，上一层是逻辑链路控制（LLC：Logical Link Control），下一层即是我们前面所提到的MAC（Media Access Control）层，即介质访问控制层。所谓介质（Media），是指传输信号所通过的多种物理环境。常用网络介质包括电缆（如：双绞线，同轴电缆，光纤），还有微波、激光、红外线等，有时也称介质为物理介质。MAC地址也叫物理地址、硬件地址或链路地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。这个地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件（如网卡、集线器、路由器等）接入到网络的何处，它都有相同的MAC地址，MAC地址一般不可改变，不能由用户自己设定。

4.3 MAC地址的长度、表示方法、分配方法及其唯一性

MAC地址的长度为48位（6个字节），通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号隔开，如：08:00:20:0A:8C:6D就是一个MAC地址，其中前6位16进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE（Istitute of Electrical and Electronics Engineers，电气与电子工程师协会）分配，而后3位16进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品（如网卡）的系列号。每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有唯一的MAC地址。

4.4 IP地址与MAC地址在互连网中的作用

既然每个以太网设备在出厂时都有一个唯一的MAC地址了，那为什么还需要为每台主机再分配一个IP地址呢？或者说为什么每台主机都分配唯一的IP地址了，为什么还要在网络设备（如网卡，集线器，路由器等）生产时内嵌一个唯一的MAC地址呢？主要原因有以下几点：（1）IP地址的分配是根据网络的拓朴结构，而不是根据谁制造了网络设置。若将高效的路由选择方案建立在设备制造商的基础上而不是网络所处的拓朴位置基础上，这种方案是不可行的。（2）当存在一个附加层的地址寻址时，设备更易于移动和维修。例如，如果一个以太网卡坏了，可以被更换，而无须取得一个新的IP地址。如果一个IP主机从一个网络移到另一个网络，可以给它一个新的IP地址，而无须换一个新的网卡。（3）无论是局域网，还是广域网中的计算机之间的通信，最终都表现为将数据包从某种形式的链路上的初始节点出发，从一个节点传递到另一个节点，最终传送到目的节点。数据包在这些节点之间的移动都是由ARP（Address Resolution Protocol：地址解析协议）负责将IP地址映射到MAC地址上来完成的。下面我们来通过一个例子看看IP地址和MAC地址是怎样结合来传送数据包的。

假设网络上要将一个数据包（名为PAC）由北京的一台主机（名称为A，IP地址为IP_A，MAC地址为MAC_A）发送到华盛顿的一台主机（名称为B，IP地址为IP_B，MAC地址为MAC_B）。这两台主机之间不可能是直接连接起来的，因而数据包在传递时必然要经过许多中间节点（如路由器，服务器等等），我们假定在传输过程中要经过C1、C2、C3（其MAC地址分别为M1，M2，M3）三个节点。A在将PAC发出之前，先发送一个ARP请求，找到其要到达IP_B所必须经历的第一个中间节点C1的MAC地址M1，然后在其数据包中封装（Encapsulation）这些地址：IP_A、IP_B，MAC_A和M1。当PAC传到C1后，再由ARP根据其目的IP地址IP_B，找到其要经历的第二个中间节点C2的MAC地址M2，然后再将带有M2的数据包传送到C2。如此类推，直到最后找到带有IP地址为IP_B的B主机的地址MAC_B，最终传送给主机B。在传输过程中，IP_A、IP_B和MAC_A不变，而中间节点的MAC地址通过ARP在不断改变（M1，M2，M3），直至目的地址MAC_B。

4.5 综合所述，可以归纳出IP地址和MAC地址相同点是它们都唯一，不同的特点主要有：

1. 对于网络上的某一设备，如一台计算机或一台路由器，其IP地址可变（但必须唯一），而MAC地址不可变。我们可以根据需要给一台主机指定任意的IP地址，如我们可以给局域网上的某台计算机分配IP地址为192.168.0.112 ，也可以将它改成192.168.0.200。而任一网络设备（如网卡，路由器）一旦生产出来以后，其MAC地址永远唯一且不能由用户改变。
2. 长度不同。IP地址为32位，MAC地址为48位。
3. 分配依据不同。IP地址的分配是基于网络拓朴，MAC地址的分配是基于制造商。
4. 寻址协议层不同。IP地址应用于OSI第三层，即网络层，而MAC地址应用在OSI第二层，即数据链路层。 数据链路层协议可以使数据从一个节点传递到相同链路的另一个节点上（通过MAC地址），而网络层协议使数据可以从一个网络传递到另一个网络上（ARP根据目的IP地址，找到中间节点的MAC地址，通过中间节点传送，从而最终到达目的网络）。

5.详解网络传输中的三张表，MAC地址表、ARP缓存表以及路由表

5.1 MAC地址表详解

说到MAC地址表，就不得不说一下交换机的工作原理了，因为交换机是根据MAC地址表转发数据帧的。在交换机中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。

5.2 交换机的工作原理

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(也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去(也就是广播)。

如下图：详细讲解交换机传输数据帧的过程

1. 主机A会将一个源MAC地址为自己，目标MAC地址为主机B的数据帧发送给交换机。
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f 0/1) 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f 0/1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。

如下图：当局域网存在多个交换机互联的时候，交换机的MAC地址表是怎么记录的呢？

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f 0/1。

总结：从上面的两幅图可以看出，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。

注意：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。

5.3 ARP缓存表详解

上面我们讲解了交换机的工作原理，知道交换机是通过MAC地址通信的，但是我们是如何获得目标主机的MAC地址呢？这时我们就需要使用ARP协议了，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。

如下图：详细讲解ARP的工作原理。

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。
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，会校对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。

5.4 路由表详解

路由器负责不同网络之间的通信，它是当今网络中的重要设备，可以说没有路由器就没有当今的互联网。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。

• 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。
• 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，就科举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。

如下图：详细介绍路由器的工作原理

1. HostA在网络层将来自上层的报文封装成IP数据包，其中源IP地址为自己，目标IP地址是HostB，HostA会用本机配置的24位子网掩码与目标地址进行“与”运算，得出目标地址与本机不是同一网段，因此发送HostB的数据包需要经过网关路由A的转发。
2. HostA通过ARP请求获取网关路由A的E0口的MAC地址，并在链路层将路由器E0接口的MAC地址封装成目标MAC地址，源MAC地址是自己。
3. 路由器A从E0可接收到数据帧，把数据链路层的封装去掉，并检查路由表中是否有目标IP地址网段(即192.168.2.2的网段)相匹配的的项，根据路由表中记录到192.168.2.0网段的数据请发送给下一跳地址10.1.1.2，因此数据在路由器A的E1口重新封装，此时，源MAC地址是路由器A的E1接口的MAC地址，封装的目标MAC地址则是路由器2的E1接口的MAC地址。
4. 路由B从E1口接收到数据帧，同样会把数据链路层的封装去掉，对目标IP地址进行检测，并与路由表进行匹配，此时发现目标地址的网段正好是自己E0口的直连网段，路由器B通过ARP广播，获知HostB的MAC地址，此时数据包在路由器B的E0接口再次封装，源MAC地址是路由器B的E0接口的MAC地址，目标MAC地址是HostB的MAC地址。封装完成后直接从路由器的E0接口发送给HostB。
5. 此时HostB才会收到来自HostA发送的数据。

总结：路由表负责记录一个网络到另一个网络的路径，因此路由器是根据路由表工作的。

本文出自 “邓奇的Blog” 博客，请务必保留此出处http://dengqi.blog.51cto.com/5685776/1223132

最后

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