交換機工做原理、MAC地址表、路由器工做原理詳解

一：MAC地址表詳解

說到MAC地址表，就不得不說一下交換機的工做原理了，由於交換機是根據MAC地址錶轉發數據幀的。在交換機中有一張記錄着局域網主機MAC地址與交換機接口的對應關係的表，交換機就是根據這張表負責將數據幀傳輸到指定的主機上的。

交換機的工做原理

交換機在接收到數據幀之後，首先、會記錄數據幀中的源MAC地址和對應的接口到MAC表中，接着、會檢查本身的MAC表中是否有數據幀中目標MAC地址的信息，若是有則會根據MAC表中記錄的對應接口將數據幀發送出去(也就是單播)，若是沒有，則會將該數據幀從非接受接口發送出去(也就是廣播)。

以下圖：詳細講解交換機傳輸數據幀的過程

1)主機A會將一個源MAC地址爲本身，目標MAC地址爲主機B的數據幀發送給交換機。

2)交換機收到此數據幀後，首先將數據幀中的源MAC地址和對應的接口(接口爲f 0/1) 記錄到MAC地址表中。

3)而後交換機會檢查本身的MAC地址表中是否有數據幀中的目標MAC地址的信息，若是有，則從MAC地址表中記錄的接口發送出去，若是沒有，則會將此數據幀從非接收接口的全部接口發送出去(也就是除了f 0/1接口)。

4)這時，局域網的全部主機都會收到此數據幀，可是隻有主機B收到此數據幀時會響應這個廣播，並回應一個數據幀，此數據幀中包括主機B的MAC地址。

5)當交換機收到主機B迴應的數據幀後，也會記錄數據幀中的源MAC地址(也就是主機B的MAC地址)，這時，再當主機A和主機B通訊時，交換機根據MAC地址表中的記錄，實現單播了。

以下圖：當局域網存在多個交換機互聯的時候，交換機的MAC地址表是怎麼記錄的呢？

1)主機A將一個源MAC地址爲本身，目標MAC地址主機C的數據幀發送給交換機

2)交換機1收到此數據幀後，會學習源MAC地址，並檢查MAC地址表，發現沒有目標MAC地址的記錄，則會將數據幀廣播出去，主機B和交換機2都會收到此數據幀。

3)交換機2收到此數據幀後也會將數據幀中的源MAC地址和對應的接口記錄到MAC地址表中，並檢查本身的MAC地址表，發現沒有目標MAC地址的記錄，則會廣播此數據幀。

4)主機C收到數據幀後，會響應這個數據幀，並回復一個源MAC地址爲本身的數據幀，這時交換機1和交換機1都會將主機C的MAC地址記錄到本身的MAC地址表中，而且以單播的形式將此數據幀發送給主機A。

5)這時，主機A和主機C通訊就是一單播的形式傳輸數據幀了，主機B和主機C通訊如上述過程同樣，所以交換機2的MAC地址表中記錄着主機A和主機B的MAC地址都對應接口f 0/1。

總結：從上面的兩幅圖能夠看出，交換機具備動態學習源MAC地址的功能，而且交換機的一個接口能夠對應多個MAC地址，可是一個MAC地址只能對應一個接口。

注意：交換機動態學習的MAC地址默認只有300S的有效期，若是300S內記錄的MAC地址沒有通訊，則會刪除此記錄。

 

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2、ARP緩存表詳解

上面咱們講解了交換機的工做原理，知道交換機是經過MAC地址通訊的，可是咱們是如何得到目標主機的MAC地址呢？這時咱們就須要使用ARP協議了，在每臺主機中都有一張ARP表，它記錄着主機的IP地址和MAC地址的對應關係。

ARP協議：ARP協議是工做在網絡層的協議，它負責將IP地址解析爲MAC地址。

以下圖：詳細講解ARP的工做原理。

1)若是主機A想發送數據給主機B，主機A首先會檢查本身的ARP緩存表，查看是否有主機B的IP地址和MAC地址的對應關係，若是有，則會將主機B的MAC地址做爲源MAC地址封裝到數據幀中。若是沒有，主機A則會發送一個ARP請求信息，請求的目標IP地址是主機B的IP地址，目標MAC地址是MAC地址的廣播幀(即FF-FF-FF-FF-FF-FF)，源IP地址和MAC地址是主機A的IP地址和MAC地址。

2)當交換機接受到此數據幀以後，發現此數據幀是廣播幀，所以，會將此數據幀從非接收的全部接口發送出去。

3）當主機B接受到此數據幀後，會校對IP地址是不是本身的，並將主機A的IP地址和MAC地址的對應關係記錄到本身的ARP緩存表中，同時會發送一個ARP應答，其中包括本身的MAC地址。

4)主機A在收到這個迴應的數據幀以後，在本身的ARP緩存表中記錄主機B的IP地址和MAC地址的對應關係。而此時交換機已經學習到了主機A和主機B的MAC地址了。

 

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路由表詳解

路由器負責不一樣網絡之間的通訊，它是當今網絡中的重要設備，能夠說沒有路由器就沒有當今的互聯網。在路由器中也有一張表，這張表叫路由表，記錄着到不一樣網段的信息。路由表中的信息分爲直連路由和非直連路由。

直連路由：是直接鏈接在路由器接口的網段，由路由器自動生成。

非直連路由：就是否是直接鏈接在路由器接口上的網段，此記錄須要手動添加或者是使用動態路由。

路由表中記錄的條目有的須要手動添加(稱爲靜態路由)，有的測試動態獲取的(稱爲動態路由)。直連路由屬於靜態路由。

路由器是工做在網絡層的，在網絡層能夠識別邏輯地址。當路由器的某個接口收到一個包時，路由器會讀取包中相應的目標的邏輯地址的網絡部分，而後在路由表中進行查找。若是在路由表中找到目標地址的路由條目，則把包轉發到路由器的相應接口，若是在路由表中沒有找到目標地址的路由條目，那麼，若是路由配置默認路由，就科舉默認路由的配置轉發到路由器的相應接口；若是沒有配置默認路由，則將該包丟棄，並返回不可到達的信息。這就是數據路由的過程。

以下圖：詳細介紹路由器的工做原理

1)HostA在網絡層未來自上層的報文封裝成IP數據包，其中源IP地址爲本身，目標IP地址是HostB，HostA會用本機配置的24位子網掩碼與目標地址進行「與」運算，得出目標地址與本機不是同一網段，所以發送HostB的數據包須要通過網關路由A的轉發。

2)HostA經過ARP請求獲取網關路由A的E0口的MAC地址，並在鏈路層將路由器E0接口的MAC地址封裝成目標MAC地址，源MAC地址是本身。

3)路由器A從E0可接收到數據幀，把數據鏈路層的封裝去掉，並檢查路由表中是否有目標IP地址網段(即192.168.2.2的網段)相匹配的的項，根據路由表中記錄到192.168.2.0網段的數據請發送給下一跳地址10.1.1.2，所以數據在路由器A的E1口從新封裝，此時，源MAC地址是路由器A的E1接口的MAC地址，封裝的目標MAC地址則是路由器2的E1接口的MAC地址。

4)路由B從E1口接收到數據幀，一樣會把數據鏈路層的封裝去掉，對目標IP地址進行檢測，並與路由表進行匹配，此時發現目標地址的網段正好是本身E0口的直連網段，路由器B經過ARP廣播，獲知HostB的MAC地址，此時數據包在路由器B的E0接口再次封裝，源MAC地址是路由器B的E0接口的MAC地址，目標MAC地址是HostB的MAC地址。封裝完成後直接從路由器的E0接口發送給HostB。

5)此時HostB纔會收到來自HostA發送的數據。

總結：路由表負責記錄一個網絡到另外一個網絡的路徑，所以路由器是根據路由表工做的。

 

reference

[1] http://dengqi.blog.51cto.com/5685776/1223132