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    前面我们介绍了数据帧的转发过程,数据帧是根据目的mac地址查找MAC地址表转发的你知道以太网数据帧在网络中如何发送和接收的吗?一文带你搞懂它  

     

          那么,网络层的IP数据包是如何在网络中传输的呢?答案是根据目的IP地址查找路由表转发的,那么什么是路由表,路由表是如何生成的?路由表是如何指导报文转发的?带着这些疑问我们来看下本章内容。

     

     

    正文

     

     

    1

    什么是路由?

     

    百度百科中路由是指路由器从一个接口上收到数据包,根据数据包的目的地址进行定向并转发到另一个接口的过程。

     

    如图所示,从PC1去往PC2,中间经过路由器,路由器RTA根据目的IP指导数据包转发的过程就称为路由。路由器负责为数据包选择一条最优路径,并进行转发。

     

    数据包在网络上的传输就好像是体育运动中的接力赛一样,每一个路由器负责将数据包按照最优的路径向下一跳路由器进行转发,通过多个路由器一站一站的接力,最终将数据包通过最优路径转发到目的地。当然有时候由于实施了一些特别的路由策略,数据包通过的路径可能并不一定是最佳的。

     

    2

    什么是路由器?

     

    路由器实质上是一种将网络进行互联的专用计算机,路由器是网络层的设备,(交换机是数据链路层的设备)用于指导IP报文转发。路由器也可以称之为网关设备。

     

    路由器的每个接口对应不同的网段,可以隔离广播域

     

    当数据包需要在不同网段间转发时需要通过路由器做转发,路由器收到数据包后,会根据数据包中的目的IP地址选择一条最优的路径,并将数据包转发到下一个路由器,路径上最后的路由器负责将数据包送交目的主机。

     

    3

    什么是路由表?

    路由器是依据路由表进行转发数据包的?那么什么是路由表呢?

     

     

    在华为路由器上可以通过命令 display ip routing-table 查看路由表。路由器转发数据包的关键是路由表

     

    每个路由器中都保存着一张路由表,表中每条路由项都指明了数据包要到达某网络或某主机应通过路由器的哪个物理接口发送,以及可到达该路径的哪个下一个路由器,或者不再经过别的路由器而直接可以到达目的地。

     

    通过上图可以看到路由表中包含了下列关键项:

     

    1、目的地址(Destination):用来标识IP包的目的地址或目的网络。

     

    2、网络掩码(Mask):在前面的章节中已经介绍了网络掩码的结构和作用。如何查询你电脑的IP地址?一文带你搞懂IP地址。同样,在路由表中网络掩码也具有重要的意义。

     

    A、IP地址和网络掩码进行“逻辑与”便可得到相应的网段信息。如本例中:目的地址为8.0.0.0,掩码为255.0.0.0,相与后便可得到一个A类的网段信息(8.0.0.0/8)。

     

    B、网络掩码的另一个作用还表现在当路由表中有多条目的地址相同的路由信息时,路由器将选择其掩码最长的一项作为匹配项

     

    3、协议(Proto):标识路由的来源;

     

    4、优先级(pre):标识路由加入IP路由表的优先级。可能到达一个目的地有多条路由,但是优先级的存在让他们先选择优先级高的路由进行利用。

    设备厂商会在各自的产品中为不同的路由协议规定不同的优先级。

     

    5、路由开销(cost):当到达一个目的地的多个路由优先级相同时,路由开销最小的将成为最优路由。

     

    6、下一跳IP地址(NextHop):指明IP包所经由的下一个路由器的接口地址。

     

    7、接口(Interface):指明IP包将从该路由器的哪个接口转发出去。

     

     

    4

    路由器如何依据路由表转发数据包呢?——最长匹配原则

    路由器在转发数据时,需要选择路由表中的最优路由

     

    当数据报文到达路由器时:

     

    1、路由器首先提取出报文的目的IP地址,然后查找路由表,将报文的目的IP地址与路由表中某表项的掩码字段做“与”操作,“与”操作后的结果跟路由表该表项的目的IP地址比较,相同则匹配上,否则就没有匹配上。 

     

    2、当与所有的路由表项都进行匹配后,路由器会选择一个掩码最长的匹配项

     

     

    如图所示,路由表中有两个表项到达目的网段10.1.1.0,下一跳地址都是20.1.1.2。如果要将报文转发至网段10.1.1.1,则10.1.1.0/30符合最长匹配原则

     

    5

    路由表中的路由的来源?

    根据路由产生的方式,也就是路由是如何生成的,路由表中的路由可以被分为直连路由,静态路由,缺省路由和动态路由几种.

    (1)链路层协议发现的路由(也称为接口路由或直连路由):

     

            路由器接口上配置的网段地址会自动出现在路由表中并与接口关联,这样的路由叫做直连路由.

     

    特点:

          直连路由是由链路层发现的,其优点是自动发现,开销小;缺点是只能发现本接口所属网段.

     

    生成条件:

          1、当路由器的接口配置了网络协议地址并状态正常时,即物理连接正常,并且可以正常检测到数据链路层协议的keepalive信息时,接口上配置的网段地址自动出现在路由表中并与接口关联.其中产生方式(owner)为直连(direct),路由优先级为0,拥有最高路由优先级.其metric值为0,表示拥有最小metric值.

     

          2、直连路由会随接口的状态变化在路由表中自动变化,当接口的物理层与数据链路层状态为正常时,此直连路由会自动出现在路由表中,当路由器检测到此接口down掉后此条路由会自动消失.

     

    (2)由网络管理员手工配置的静态路由:

     

            系统管理员手工设置的路由称为静态(static)路由,一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的,它不会随未来网络拓扑结构的改变而自动改变

     

           优点是不占用网络和系统资源,安全;

           缺点是当一个网络模块问题发生后,静态路由不会自动修正,必须有管理员介入,需网络管理员手工逐条配置,不能自动对网络状态变化做出相应的调整.

     

     产生条件:

      静态路由是否出现在路由表中取决于下一跳是否可达,即此路由的下一跳地址所处网段对本路由器是否可达.静态路由在路由表中产生方式(owner)为静态(static),路由优先级为1,其度量值为0.如下图所示:

     

     静态路由的配置,运用ip route命令来配置静态路由,一条静态路由配置命令中要有以下几个要素:

      a. 目的地址:用来标识IP包的目标地址或目标网络

      b. 网络掩码:和目标地址一起来标识目标网络

      c. 下一跳IP地址:说明IP包所经由的下一个IP地址

      d. 接口:说明IP包从哪个接口发出去

      e. 优先级:值越小,优先级越高.

     

    (3)缺省路由:

            

           缺省路由是一个路由表条目,用来指明一些在下一跳没有明确地列于路由表中的数据单元该如何转发.对于在路由表中找不到明确路由条目的所有的数据包都将按照缺省路由指定的接口和下一跳地址进行转发.

     

    优点:运用缺省路由可以极大减少路由表条目

    缺点:一旦配置不正确可能导致路由环路;可能导致非最佳路由。

     

     产生条件:

     

      在路由表中,缺省路由以到网络0.0.0.0(掩码为0.0.0.0)的路由形式出现.如果报文的目的地址不能与路由表的任何入口项相匹配,那么该报文将选取缺省路由.如果没有缺省路由且报文的目的地址不在路由表中,那么该报文被丢弃.缺省路由是否出现在路由表中取决于本地出口状态.

     

      Internet上大约99.99%的路由器上都存在一条缺省路由,缺省路由并不一定都是手工配置的静态路由,有时也可以由动态路由协议产生.比如OSPF路由协议配置了Stub区域的路由器会动态产生一条缺省路由.

     

    (4)动态路由协议发现的路由:

     

            配置了动态路由选择协议后,动态路由协议通过交换路由信息,生成并维护转发引擎所需的路由表.当网络拓扑结构改变时动态路由协议可以自动更新路由表,并负责决定数据传输最佳路径.

     

         动态路由协议的优点是可以自动适应网络状态的变化,自动维护路由信息而不需要网络管理员的参与;其缺点为由于需要交换路由信息,因而占用网络带宽与系统资源,安全性也不如静态路由.

     

    产生条件:

           在有冗余连接的复杂大型网络中,适合采用动态路由协议.在动态路由协议中目的网络是否可达取决于网络状态.

     

    6

    什么样的路由会被加入路由表?

     

    去往相同网段的路由,优先级高的路由会加入路由表

     

    路由器可以通过多种不同协议学习到去往同一目的网络的路由,当这些路由都符合最长匹配原则时,必须决定哪个路由优先。

     

    每个路由协议都有一个协议优先级(取值越小、优先级越高)。当有多个路由信息时,选择最高优先级的路由作为最佳路由。

     

     

     

    如图所示,路由器通过两种路由协议学习到了网段10.1.1.0的路由。虽然RIP协议提供了一条看起来更加直连的路线,但是由于OSPF具有更高的优先级,因而成为优选路由,并被加入路由表中。

     

    常见的路由优先级:

     

     

    去往相同网段的路由,优先级相同时,路由开销小的会加入路由表

     

    如果路由器无法用优先级来判断最优路由,则使用度量值(metric)来决定需要加入路由表的路由。metric值越小,路由越优先;

     

    一些常用的度量值有:跳数,带宽,时延,代价,负载,可靠性等。

    1、跳数:是指到达目的地所通过的路由器数目。

    2、带宽:是指链路的容量,高速链路开销(度量值)较小。

     

     

     

    因此,图示中metric=1+1=2的OSPF路由是到达目的地的最优路由,其表项可以在路由表中找到。

     

     

     

    总结:

    路由器在选择最优路由时,会首先比较相同路由的优先级;如果优先级相同,再比较metric值。如果metric值也相同,多条相同的路由将实现等价负载分担。

     

    7

    路由器工作原理:

     

    1、路由器收到一个数据包后,会检查其目的IP地址,然后依据最长匹配原则查找路由表;

     

    2、如果查找到匹配的路由表项之后,路由器会根据该表项所指示的出接口信息和下一跳信息将数据包转发出去;

     

    如果没有找到,会查找是否有缺省路由,找到的话会依据出接口信息和下一跳信息将数据包转发出去;


    如果都没有找到,数据包会被丢弃

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  • IP数据包经由路由转发的时候源IP,目的ip是否改变?这是搞网络基础问题,答案是不能改变,除非做了nat转换才能改变。否则,数据包整个传输过程中,源IP和目的IP不会发生改变。不过MAC地址是变化,因为发送...

    IP数据包经由路由转发的时候源IP,目的ip是否改变?

    这是个搞网络的基础问题,答案是不能改变的除非做了nat转换才能改变。否则,数据包在整个传输过程中,源IP和目的IP不会发生改变。

    不过MAC地址是变化的,因为发送端开始不知道目的主机的MAC地址,所以每经过一个路由器,MAC地址都会发生变化。

    目的MAC地址是如何得到的?

    TCP/IP里面是用的ARP协议。比如新建了一个内网,如果一台机器A找机器B,封装Fram时(OSI的第二层用的数据格式),要封装对方的 MAC,开始时A不知道B的MAC,只知道IP,它就发一个ARP包,源IP是自己的,目的IP是B的,源MAC是自己的,目的MAC是广播的。然后这个ARP请求包在内网内被广播,当其他机器接到这个包时,用目的IP和自己的IP比较,不是的话就丢弃。是的话,B接到时,发现IP与自己的一样,就答应这个包的请求,把自己的MAC送给A。如果B是其他子网的机器,那么路由器会判断出B是其他子网,然后路由器把自己的MAC返回给A,A以后再给B发包时,目的MAC封装 的是路由器的。

    路由转发过程:

    当主机A发向主机B的数据流在网络层封装成IP数据包,IP数据包的首部包含了源地址和目标地址。主机A会用本机配置的24位IP网络掩码255.255.255.0与目标地址进行与运算,得出目标网络地址与本机的网络地址是不是在同一个网段中。如果不是将IP数据包转发到网关。

    在发往网关前主机A还会通过ARP的请求获得默认网关的MAC地址。在主机A数据链路层IP数据包封装成以太网数据帧,然后才发住到网关……也就是路由器上的一个端口。

    当网关路由器接收到以太网数据帧时,发现数据帧中的目标MAC地址是自己的某一个端口的物理地址,这时路由器会把以太网数据帧的封装去掉。路由器认为这个IP数据包是要通过自己进行转发,接着它就在匹配路由表。匹配到路由项后,它就将包发往下一条地址。

    路由器转发数据包就是这样,所以它始终是不会改IP地址的。只会改MAC.

    当有数据包传到路由器时,路由器首先将其的目的地址与路由表进行对比,如果是本地网络,将不会进行转发到外网络,而是直接转发给本地网内的目的主机;但是如果目的地址经路由表对比,发现不是在本网中,有nat就将改变源地址的IP(原源地址的Ip地址改为了路由器的IP地址),路由器将数据包转发到相应的端口,进行通信。

    举个例子,如:A访问B:
    首先对比是否同一子网,如果是,检查ARP表,有B的MAC就直接发送,没有就发送ARP请求.如果否,发送到默认网关C,源IP为A,源MAC为A,目的IP为B,目的MAC地址为C,
    C接收到这个包,检查路由表,发送到下一跳D,源IP为A,源MAC为C,目的IP为B,目的MAC为D…..
    如此循环,直到发送到B.

    NAT为特殊应用,会修改源IP为网关自己外网IP。


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  •  结论:MAC地址一个广播域传输过程中是不变跨越广播域时候会发生改变;而IP地址传输过程中是不会改变(除NAT时候),总结为 路由转发MAC不变,IP变。   我们知道几个概念:  首先我们要...

    关于MAC地址和IP地址在传输过程中变与不变的问题:

      结论:MAC地址在同一个广播域传输过程中是不变的,在跨越广播域的时候会发生改变的;而IP地址在传输过程中是不会改变的(除NAT的时候),总结为 路由转发MAC不变,IP变

     

    我们知道的几个概念:

      首先我们要知道,MAC地址是用于同意物理或逻辑第2层网络上的设备间进行通信的;

      而第三层地址(IP地址)是可以在多个网络设备之间通信的。

     

    下面我们来分析一下:

      MAC地址是在同一个广播域有效的,那么去了另外一个广播域(网段)MAC地址肯定要改变的;

      在同一个广播域中数据帧的mac地址是不会变的,因为所有交换机应该都知道该广播域中的所有主机的MAC地址(如果不知道会通过被动广播的方式来学习到)。既然知道所有的MAC地址,那么当我交换机收到数据帧的时候就看一下目标MAC地址,然后对照一下MAC地址表,从对应的接口仍出去就好了。

      IP地址是在整个网络中有效的,整个Internet网络就相当于是一个大的地图,同样知道所有的IP地址如何到达,那么在传输过程中源ip和目的ip也是不会改变的。当路由器收到数据包的时候,检查数据包的目的IP地址,然后查找路由表(路由转发表),选择合适的接口发出去。

    图中A-R4-R2-B 假设有数据帧X,传输过程中:

      A到R4:MAC地址(存在的话)源地址是A,目的地址是R4;

      R4到R2:MAC地址(存在的话)源地址是R4,目的地址是R2;

      R2到B:MAC地址(存在的话)源地址是R2,目的地址是B;

    在没有经过NAT情况下,源IP地址和目的IP地址在整个传输过程是不能改变的。

      A到R4:IP地址 源地址是A,目的地址是R4;

      R4到R2:IP地址 源地址是A,目的地址是R4;

      R2到B:IP地址 源地址是A,目的地址是R4;

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  • 路由器转发数据包封装过程

    千次阅读 2019-08-10 22:33:07
    假设PC0 : 10.1.10 ping Laptop1:11.1.1.15,他们不一个网段,看下路由器路由选择及数据包封装变化的过程,进一步巩固理论知识。 1:PC0创建ICMP (Intenet Control Message Protocol)数据请求包; 2:ICMP ...

    网络拓扑构成如下图所示:

    各网络设备及主机的IP 和MAC地址标注在图中:

    假设PC0 : 10.1.10 ping Laptop1:11.1.1.15,他们不在同一个网段 ,看下路由器路由选择及数据包封装变化的过程,进一步巩固理论知识。

    1:PC0创建ICMP (Intenet Control Message Protocol)数据请求包;

    2:ICMP 将这个有效负荷(数据包)交给IP协议,IP协议也创建一个包,协议字段为 1,意思为:当Laptop1收到数据包时,告诉它将个数据包交给ICMP协议处理;

    3:IP 判断目的IP 不属于本地网段,IP协议创建的数据包被发送到网关中,网关就好比不同网络通信的一扇门,只有通过网关,PC0 的数据包才能发送给Laptop1;

    4: 本地网段,主机之间只能通过MAC地址通信,所以PC0 给网关路由器发送数据包,必须知道网关的MAC地址,假定PC0的ARP缓存中有默认网关的MAC地址,否则需要广播ARP 询问网关MAC地址。此时PC0 知道了网关的MAC地址,数据包被释放,传递到数据链路层并生成帧;

    详细的过程如下图所示:

    5:完成数据帧的封装后,传递到物理层,假设通过双绞线以0,1bit流逐位传输到物理介质;

    6:以上步骤有主机PC0完成,接下来是路由器的处理过程:R2 查看这个帧的以太网类型字段,了解了在网络层上采用的协议IP,抽取出数据包,其余内容丢弃,交于IP协议处理;

    7:IP协议检查目的IP地址,若目标地址不匹配任何路由,则发送“目标地址不可达”的出错信息给主机PC0;

    8:R2转发数据包: Fa0/0 口收到数据包后经过路由(0.0.0.0/0 via 192.168.1.11)到达R3 Fa0/0 (11.0.0.0网段),此时数据帧封装变化为:源MAC地址为R2的Fa1/0口MAC,目的MAC为R3的Fa1/0口地址;

    9:R3 Fa0/0 到Laptop1: R3对应接口的缓冲区需要了解目的主机的MAC地址。由于数据包中包含目的IP,R3检查ARP缓存表,找到Laptop0的MAC地址,该数据包和Laptop0的MAC地址被传输到数据链路层,重新生成帧。

    10:Laptop0 接收到数据帧后执行校验后,检查MAC地址是否与自己的MAC地址相同,取出数据包,把数据包传递给IP协议处理。IP数据包封装的是一个ICMP回应请求,把这个数据包交给ICMP处理,ICMP应答请求,丢弃这个数据包并迅速生成一个新的有效负荷作为回答,重复上面的步骤,直到PC0收到回应,通信结束。

     

     

     

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空空如也

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在转发一个ip数据包的过程中