路由器01_工作原理

一、回顾交换机工作原理

交换机里面维护了一张MAC地址表，主要记录的是MAC地址和接口的对应关系。

交换机在初始状态下，MAC地址表是空的，当收到一个来自某接口的数据时，首先查看数据帧中的MAC地址表，对照自己的MAC地址表，如果不在表中，将发送方的MAC地址学习并记录到自己的MAC地址表中，并附上对应的接口（Fa0/1)，再查看目的MAC地址，如果目标MAC地址也不在MAC地址表中，将数据从除接收接口（Fa0/1)外的其他所有连接接口转发出去（广播方式），此时，目的主机接收到，其他主机也会接收到 ，其他主机接收到后直接丢弃，目的主机接收到后进行回应，回应的过程中数据同样会交由交换机进行转发，目的主机这时候就变成了回应的发送主机，当交换机接收到来自目的主机的回应报文的时候（Fa0/10)，同样查看发送方的MAC地址，进行学习记录，并附带对应接口（Fa0/10)，再去查看目的MAC，由于已经有记录了，所以直接从记录的接口（Fa0/1)进行转发。

总结：交换机学习源MAC、广播数据帧、接收方回应后，回应使用单播直接进行转发。

二、回顾路由器相关知识

  • 网络层的功能：

路由器是属于三层（网络层）设备，进行逻辑地址（IP地址）寻址，实现不同网络之间的路径选择。

a、不同网络指网络地址不等或者内网和外网的分隔；     

b、内网的IP地址是无法在外网进行路由的；

去查找目的是否可以到达，如果可以到达，选择一条最优的路径，如果不能到达，直接返回给发送方一个消息。

网络层所传输的PDU（传输数据单元）是数据包（IP数据包）。

三、网络层IP数据包的格式

1、IPV４的数据包格式

字段长度含义
版本4bit标识当前使用的IP版本号（IPV4或IPV6）
首部长度4bitIP数据报文首部有一个可选字段，造成首部是可变的，所以需要一个字段去标识首部有多长。
区分服务/服务质量／优先级和服务类型8bit

为了保证更好的服务，主要是在IP层做qos；

只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

总长度16bit主要用来标识整个数据包（首部和数据）的总长度
标识16bitIPv4在存储器中维持了一个计数器，每差生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。
标志3bit目前只有两位有意义，最低位为1标识后面还有分片数据报，为0表示已经是最后一个数据片；中间一位为1表示“不能分片”，为0才允许分片。
片位移13bit指出较长的分组在分片后，该片在原分组中的相对位置。
生存时间（TTL值）8bit数据包在路由器转发消耗时间如果小于１秒，TTL值就会减１.
协议8bit标识上层数据是使用何种协议（TCP是６，UDP是１７）
首部校验和16bit校验数据报文的首部。数据报每经过一个设备，设备都要重新计算一下首部校验和，若首部未发生变化，则此结果必为0，于是保留这个数据报。该字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。
源地址32bit发送方的IP地址
目的地址32bit接收方的IP地址
选项字段（长度可变）0~40字节用来支持排错、测量以及安全等措施，在必要时插入值为0的填充字节。
数据部分可变用来填充报文
IPV4数据报

2、IPV6的数据包格式

IPV６没有标识、标志、片偏移，它是放在了流标签里面

IPV6数据报字段

四、路由器的工作原理

１、路由

  • 从源主机到目标主机的转发过程（跨网络访问）
  • 包含两个内容：
    • 确定最佳路径（手动指定、根据动态路由协商方式）
    • 通过网络传输信息

２、路由器的工作原理

路由器里面维护了一张路由表，路由表中会有对应关系。

（1）直连路由　　

R1       192.168.10.0   F0/０         192.168.50.0   F0/1
R２      192.168.100.0   F0/０        192.168.50.0   F0/1

当 192.168.10.1要和 192.168.100.1进行通信，发现目的IP和自己不在一个网络中，它会把数据交给自己直连的网关，R1会解封到第三层查看目的的IP地址是 192.168.100.1发现它的网络是 192.168.100.X网络，然后再去查看自己的路由表，发现 192.168.100.0网络不在自己的路由表中，它会反馈给PC１目标不可达。

此时我们想要它能够访问就需要在路由表中添加一条路由条目。

R１　         192.168.100.0 F0/1

然后PC１发送数据过来，R１先解封装到第三层，查看目标IP地址所在网络，然后查看目的IP所在网络是否在自己的路由表中，如果在自己的路由表中，重新进行封装，找到对应接口转发出去。

转发到R２之后，R２同样会解封到第三层，看到源IP是192.168.10.1，目的IP是192.168.100.1，查看自己的路由表，目的IP所在网络在自己的路由表中，重新封装，然后找到对应接口进行转发。

PC２接收到数据库会进行回应，PC2作为发送方发送数据，过程同上。

（2）工作原理

接收数据包

查看目的IP地址

看目的IP地址所处IP地址在不在自己的路由表中

如果在，重新封装数据，然后在路由表中找到对应接口转发出去

如果不在，返回给发送方，目标不可达

（3）路由表

直连路由：当路由器的接口配置好对应的Ip地址并开启接口后自动生成

非直连路由：需要手动配置静态路由或者使用动态路由协议学习到

３、静态路由

  • 由管理员手动配置，不灵活，而且是单向的
  • 特殊的静态路由：默认路由，路由器中找不到　目标网络的路由条目时，再去查看默认路由
    • 使用场景：一般应用于末节（末梢）网络（网络的最末端）（路由器的一端只连接一个网络）

4、动态路由

  • 通过某种动态路由协议自动去建立路由表
  • 常见的动态路由协议：RIP OSPF IS-IS BGP IGRP EIGRP 

五、路由器转发数据包的封装过程

1、案例说明GNS3

GNS3通过

 

 

 

  • 先通过no ip routing 把两台主机的路由功能关闭

      
    PC2#conf t                #进入全局模式
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
PC2(config)#no ip routing    #关闭c3640的路由模式
PC2(config)#
  • 全局配置模式下配置PC1的IP、子网掩码和网关（PC2设置方法如是）
    PC1#conf  t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
PC1(config)#int f0/0
PC1(config-if)#ip add 192.168.10.1 255.255.255.0        #设置PC的IP地址和子网掩码
PC1(config-if)#no shut
PC1(config-if)#exit
PC1(config)#
*Mar  1 00:06:28.811: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:06:29.811: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
PC1(config)#ip def
PC1(config)#ip default-ga
PC1(config)#ip default-gateway 192.168.10.254            #设置PC的默认网关
PC1(config)#
  •  配置路由器
    路由器R1的两个端口的IP地址、子网掩码并开启路由功能。
      
    R1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#int f0/0
R1(config-if)#ip add 192.168.10.254 255.255.255.0
R1(config-if)#no shut
R1(config-if)#exit
*Mar  1 00:30:33.163: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:30:34.163: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
R1(config-if)#int f1/0
R1(config-if)#ip add 192.168.50.1 255.255.255.0
R1(config-if)#no shut
R1(config-if)#
*Mar  1 00:31:10.939: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet1/0, changed state to up
*Mar  1 00:31:11.939: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet1/0, changed state to up
R1(config-if)#

    路由器R2的两个端口的IP地址、子网掩码并开启路由功能

    R2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#ip add 192.168.100.254 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut
R2(config-if)#exit
R2(config)#
*Mar  1 00:35:55.247: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:35:56.247: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
R2(config)#int f1/0
R2(config-if)#ip add 192.168.50.2 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut
R2(config-if)#exit
R2(config)#
*Mar  1 00:36:25.243: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet1/0, changed state to up
*Mar  1 00:36:26.247: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet1/0, changed state to up
R2(config)#

2、 添加路由

  • 全局模式添加静态路由

（1）第一种方式：指定出口路由器接口

R1#
R1#conf  t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#ip route 192.168.100.0 255.255.255.0 fast
R1(config)#ip route 192.168.100.0 255.255.255.0 fastEthernet 1/0
R1(config)#

 （2）第二种方式，指定下一个路由器接口的IP地址

R1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#ip route 192.168.100.0 255.255.255.0 192.168.50.2
R1(config)#

 在R2上配置PC1网段的路由

R2#
R2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R2(config)#ip route 192.168.10.0 255.255.255.0 192.168.50.1
R2(config)#
  • 查看路由表命令（show ip route)

 

（3）ping连通性测试 

PC1连接 PC2设备中默认发送五个数据包
当出现！代表连通，当出现．．．代表不通。

因为前面配置了路由，会去查找路由，查找路由有个过程，所以前面３个数据包不通

3、路由器转发数据包的封装过程

查看接口的信息并查看PC1的MAC地址

 同样去查看R１路由器、Ｒ２路由器以及ＰＣ２接口的MAC地址

PC１访问PC2

第一个报文：源IP：PC１的IP　源MAC是PC１的MAC　目的IP：PC2的IP　目的MAC、是路由器R１的MAC

当R１收到数据报文后，会解封到网络层，查看目的是否可到，如果可以到转发到对应接口，重新进行二层封装，源MAC变成R1路由器的 F1/0接口MAC　目的MAC变成R2 的F1/0接口MAC。

当R2收到数据报文后，会将数据交给对应接口，重新进行二层封装，源MAC变成R2路由器的 F0/0接口MAC， 目的MAC是PC２的MAC。

总结：路由器在转发数据包的封装过程：源IP和目的IP始终是没有发生变化的，源MAC地址和目的MAC是一直在变换的，因为路由器会重新进行二层封装。

  • 同网段传输主要是二层转发（不需要进行重新封装）
  • 跨网段传输是三层转发（需要重新进行二层封装）

六、抓包分析

ping是ICMP协议，所以直接看ICMP报文

（1）PC1到R1的报文

（2）R1到R2的报文

从Sequence Number可以看出它们是同一条报文

（3）R2到PC2的报文 

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