通信網絡三層轉發工作原理及案例

三層轉發就是通過路由器的在不同時間的轉發。它一般工作在TCP/IP網絡模型的第三層。 三層轉發可以很複雜，也可以很簡單。今天我們就來講講網絡層的定義和 三層轉發的基本原理。

1.網絡層的定義

網絡層（network layer ）：它位於OSI模型中的第三層，介於運輸層與數據鏈路層之間，提供發信端到目標端之間的信息傳輸服務。網絡層的數據以IP數據報的形式傳輸。

2.IP協議

IP提供了不可靠，無連接的數據報傳送服務。它定義了在網際網路上傳輸數據的具體格式。IP實現兩個基本功能：尋址及分片。

IP位址由網絡號和主機號兩部分組成，網絡號標識網際網路中的一個特定網絡，主機號標識在該網絡中的一臺特定主機，最常用的地址表示方法是點分十進位法。如：192.168.10.1關於IP協議的具體講解見《TCP/IP 基礎學習》

3.ARP

ARP，即地址解析協議，實現通過IP位址到物理地址的映射。

在乙太網協議中規定，同一區域網中的一臺主機要和另一臺主機進行直接通信，必須要知道目標主機的MAC地址，而在TCP/IP協議棧中網絡層和傳輸層只關心目標主機的IP位址。

這就導致在乙太網中使用IP協議時，數據鏈路層的乙太網協議接到上層IP協議提供的數據中，只包含目的主機的IP位址。於是需要一種方法，根據目的主機的IP位址，獲得其MAC地址。這就是ARP協議要做的事情。（關於ARP的具體知識，見《TCP/IP 基礎學習》）

4.基本轉發的概念

在數據通信網絡中，設備之間的通信基本上是根據TCP/IP協議，在IP網絡中運行的特定功能的設備，都可以稱之為端系統，PC是一種最常見的端系統，網絡中路由器、交換機就是用來互聯不同的端系統，讓它們進行透明的通信。

三層轉發基本原理

之前我們學習了二層轉發，知道二層轉發是一種基於OSI中的數據鏈路層的數據幀的存儲轉發技術，二層交換是依靠MAC地址和VID號來確定轉發方向的。那麼，三層轉發和二層轉發有什麼區別呢？

1.數據轉發依靠的關鍵字不同，二層轉發主要依靠MAC地址，而三層轉發主要依靠IP位址。

2.數據交換的範圍不同，二層交換指在同一網段內的通信，三層交換指跨網段的通信。

3.在三層轉發的過程中，還要進行二層的封裝。也就是說，在轉發過程中二層幀頭中的（源、目的）MAC地址是要改變的。但是IP數據報中的源IP和目的IP位址是不會改變的

5.IP路由表

路由是IP層轉發的依據，路由包括

•目的網絡/前綴長度

•下一跳地址IP路由表

•出接口

•……

查看路由表的命令

•Show ip route

Show fib

路根據路由產生的方式分

1.直連路由–本地接口IP網段對應的路由，優先級最高

2.靜態路由-手工配置的路由，優先級較高

3.動態路由-各種路由協議產生的路由優先級有高有低由匹配

匹配原則－－最長路徑匹配原則

6.三層轉發舉例

PC1準備向PC2發送數據包

（1） PC1檢查報文的目的IP位址，發現和自己不在同一網段，則需要進行三層轉發，通過網關轉發報文信息；

（2） PC1檢查自己的ARP表，發現網關的MAC地址不在自己的ARP表裡；

PC1向Router發起arp請求

（3） PC1——》Router（網關）發出ARP請求報文；

（4） Router將PC1的MAC地址學習到自己的ARP表，

（5） Router（網關）——》PC1發出ARP應答報文；

（6） PC1學習到Router（網關）的mac地址，發出報文，此時源ip、目的ip不變，目的mac為Router（網關）的mac

（7） PC1——》 Router（網關）發出報文。

（8） Router（網關）收到報文，發現是三層報文（原因是報文的目的mac是自己的mac）

（9） Router（網關）檢查自己的路由表（FIB），發現目的ip在自己的直連網段

（10）Router檢查自己的arp表，如果發現有與目的ip對應的mac地址則直接封裝報文（目的ip、源ip不變，目的mac為查arp表所得mac）發送給PC2

（11） 如果查ARP表沒有得到與目的ip對應MAC，則重複（3）發arp請求

（12） PC2收到ARP廣播報文，發現目的IP是自己的IP，於是給Router發送ARP應答報文。報文中會附上自己的mac地址。

（13） Router收到應答報文後，目的mac改為PC2的mac，然後向PC2發送數據幀。

（15） Router收到報文後，向PC1轉發報文

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