网络传输中的表和包的流经过程

目的

本文详细介绍了网络传输过程中3张表:MAC地址表,ARP缓存表和路由表。并且也介绍了数据包在网络传输中从源到目的主机的过程。

表详解

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。

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

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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?

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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。


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。

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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。


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

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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。

看完上面的文章是不是感觉原来数据在网络中传输是这么的复杂啊!呵呵…其实这些过程都是计算机自己完成的,我们需要做的很少。

包传输

为了便于理解,先从同一广播域内两台主机通信开始叙述吧。只要能理解这些,那也就差不多可以理解跨路由传输过程了(两者不同之处在于源和目标MAC地址的转换)。

情景一:同一广播域内,两台主机通信过程

我们知道两主机要通信传送数据时,就要把应用数据封装成IP包(因为我们的网络大多都是TCP/IP的以太网了),然后再交给下一层数据链路层继续封装成帧;之后根据MAC地址才能把数据从一台主机,准确无误的传送到另一台主机。

如图:当NO要和N1通信时,假如N0知道N1的IP但却不知道它的MAC地址,那NO就会发送一个ARP的广播请求(里面源IP是NO 目标IP是N1 源MAC是N0 目标MAC是12个F)给同一广播域中的所有成员,当交换机SW0从自己的1接口上收到这个广播包,然后它会读取这个帧的源MAC地址和目标MAC地址,由于交换机SW0刚启动加电时,它的MAC表为空的。所以它会把NO的MAC地址与之相对应的接口1放到一张表里,这张表就是MAC地址表。然后他再从别的接口广播这个数据帧,当别的主机收到这个广播时,查看目标IP不是自己的,就会丢弃此包。如果N1接收到这个数据帧,它检查目标IP和这个的IP是一样的,就会回应这个ARP请求,把自己的IP和MAC封装成源IP和源MAC,N0的IP和N0的MAC地址为目标IP与目标MAC,并记录NO的MAC与IP,放进自己的ARP缓存表中。此时,这个应答包经过交换机SWO时,它又会检查源MAC 、 目标MAC,把N1的MAC和自己接口2放进MAC地址表中,再查看自己的MAC地址表,发现存在目标MAC与自己的1接口对应(由于刚开始有记录过N0的MAC),那它就会直接把这个应答包从接口1送出去了。主机N0收到这个包后发现目标MAC是自己,就会处理这个包。并把N1的MAC与IP放进自己的ARP缓存表中。这时主机N0就知道N1的MAC地址了,以后要发送数据,就直接把N1的IP与MAC封装进帧中进行点对点的发送了。

情景二:跨路由的数据传输过程

当NO要和N2通信时,此时NO会检查N2的IP地址跟自己是否处在同一网段,图上得知,两主机肯定不会是同一网段的。因为N2和自己处在不同网段,所以,N0会把数据包发给它的网关,也就是R0上的F0/0接口了。源IP和源MAC地址是N0自己的,目标IP是N2的,目标MAC是R0上接口F0/0的(如果N0不知道F0/0的MAC,就会跟情景一相似,发个ARP广播来得到F0/0的MAC地址)。当这个数据包到达R0时,路由器R0会查看目标IP的是否是自己,由于目标不是自己,所以,会查看自己的路由表,找出到达N2网段的路由;如果没有相关条目,就直接丢弃。当查看路由表后发现到达N2网段的出接口是F0/1。于是,把数据包转到F0/1接口上,再由接口F0/1传给R1。这个过程,数据包的源IP是N0 源MAC是F0/1 目标IP是N2 目标MAC是R1的F0/1接口IP 。

当R1收到这个数据包后,同样也要检查包的目标IP是否是自己,它会主动查找自己的路由表,发现目标IP跟自己F0/0接口处在同一网段,于是就把包传到F0/0接口上去发给N2 (假如R1上的ARP缓存表中没有N2的MAC,则接口F0/0会发送一个ARP广播给跟它相连的广播域中;这个ARP广播包的源IP是接口F0/0的IP 源MAC也是F0/0的MAC 目标IP是N2 目标MAC为12个F),假如N2的MAC地址已经在R1的ARP缓存中了,那就会直接把数据包封装成:源IP为N0 源MAC为R1的F0/0 目标IP为N2 目标MAC为N2了。

到了这里,包的跨路由传输就会结束了,当包到达N2,做反向操作即可把包发给N0了。

总结

同一广播域中,包的源、目标IP;源、目标MAC是真实的两台主机上的IP与MAC地址。

跨路由中,包的源IP与目标IP始终不会发生变化,源和目标MAC根据所经过的路由接口不同而发生相应变化。

-------------本文结束感谢您的阅读-------------

本文标题:网络传输中的表和包的流经过程

文章作者:WanDouDuoDuo

发布时间:2019年07月15日 - 17:07

最后更新:2019年11月01日 - 10:11

原始链接:https://wandouduoduo.com/articles/93a903d8.html

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