4.2.4 理解路由器数据包过程

1、实验目的

通过本实验可以掌握：

了解IP路由原理
了解数据包封装和解封装的概念
了解路由器路由和交换过程

2、实验拓扑

观察路由器路由数据包过程的实验拓扑如图4-3所示，设备接口地址信息如表4-2所示。

图4-3 观察路由器路由数据包过程的实验拓扑

本实验强烈建议利用Cisco Packet Tracer软件完成，可以清晰查看数据包的结构。本实验的配置在后续章节中介绍，此处只注重路由器对数据包封装、解封装和转发过程。本实验就是在Cisco Packet Tracer7.1环境下完成的，假设所有计算机和路由器的ARP表为空。提示:计算机可以使用arp -d命令清空ARP缓存表项，路由器可以使用clear arp命令清空ARP缓存表项。

3、实验步骤

数据包从计算机PC1到达服务器Server1的工作过程如下所述。

路由过程

1、在计算机 PC1上执行ping 172.16.2.100命令，此时PC1首先判断目的IP地址和本机IP地址不在同一个网段，于是向网关(172.16.1.1）)发送ARP请求，此数据包为二层广播包,二层地址信息如下:

|----------------|----------------|--------|
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 | 类型 |
| 0090.0CD9.63D3 | FFFF.FFFF.FFFF | 0x0800 |

路由器R1收到ARP请求包后，以单播方式回复ARP应答包，二层地址信息如下:

|----------------|----------------|--------|
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 | 类型 |
| 0060.47b5.d001 | 0090.0CD9.63D3 | 0x0800 |

计算机PC1收到路由器R1回复的ARP应答后，更新自己的ARP表，此时 PC1的 ARP表如下:

复制代码

C:\>arp -a
  Internet Address      Physical Address      Type
  172.16.1.1            0060.47b5.d001        dynamic

【技术要点】

实际应用环境中，当路由器的G0/0接口启动后,会主动发送 Gratuitous ARP(免费ARP),处在同一网段的计算机收到该数据包后,就会更新自己的ARP缓存表;当计算机网卡启动时，会主动周期性发送ARP请求，以便获得网关的MAC地址，因此上述①的过程实际是自动完成的,不需要用户发送数据包来触发。

2、计算机PC1收到路由器Rl的ARP应答包后，可以进行以太网封装，地址信息如下:

|----------------|----------------|--------|--------------|--------------|------|
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 | 类型 | 源IP地址 | 目的IP地址 | 协议 |
| 0090.0CD9.63D3 | 0060.47b5.d001 | 0x0800 | 172.16.1.100 | 172.16.2.000 | 0x01 |

3、计算机PCl将该数据包送到默认网关，即路由器R1，R1 从 G0/0接口收到该以太帧后，将数据包解封装（删除二层帧头和帧尾)，然后路由器RI使用数据包的目的IP地址172.16.2.100搜索路由表，查找匹配的路由条目。在路由表中找到匹配的目的网络地址后，确定出接口为S0/0/0，Rl将数据包重新封装(二层重写）到PPP帧中，然后将数据包转发到路由器R2，地址信息如下:

|-------|--------|--------------|--------------|------|
| PPP地址 | 类型 | 源IP地址 | 目的IP地址 | 协议 |
| 0xFF | 0x0021 | 172.16.1.100 | 172.16.2.100 | 0x01 |

4、路由器R2收到R1发送的数据包后，将数据包解封装(删除二层帧头和帧尾)，路由器R2使用数据包的目的P地址172.16.2.100搜索路由表，查找匹配的路由条目。在路由表中找到目的网络地址后，发现目的主机位置和自己直连的GO/0接口网络相同，此时如果路由器R2的ARP表中没有172.16.2.100对应的ARP缓存，就发送ARP请求，以便获得 Server1网卡的MAC地址信息，地址信息如下:

|----------------|----------------|--------|
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 | 类型 |
| 0040.0b60.a601 | FFFF.FFFF.FFFF | 0x0806 |

5、 Server1收到路由器R2发送的ARP请求后,更新自己的ARP表,此时Serverl的ARP表如下:

复制代码

C:\>arp -a
  Internet Address      Physical Address      Type
  172.16.2.2            0040.0b60.a601        dynamic

6、Server1收到路由器R2发送的ARP请求后会以单播方式回复ARP应答包,地址信息如下:

|----------------|----------------|--------|
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 | 类型 |
| 0090.21ED.4390 | 0040.0b60.a601 | 0x0806 |

7、路由器R2收到Server1回复的ARP应答后，更新自己的ARP表，此时路由器R2可以对数据包进行重新封装(二层重写)，然后将数据包转发到服务器Serverl，地址信息如下:

|----------------|----------------|--------|--------------|--------------|------|
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 | 类型 | 源IP地址 | 目的IP地址 | 协议 |
| 0040.0b60.a601 | 0090.21ED.4390 | 0x0800 | 172.16.1.100 | 172.16.2.100 | 0x01 |

8、路由器R2收到数据包后，继续执行和上述类似的过程，数据包最后到达 PC1，完成一次ping的过程。

以上过程表明，在数据包从计算机 PCl到达服务器Serverl的整个传递过程中，二层地址信息会被重写，但是三层IP地址信息保持不变。（变的是MAC地址不变的是IP地址）