1.1.4 IP路由原理

路由器是网络互联的核心，它可以连接多个网络。当路由器从某个接口收到IP报文时，它会确定使用哪个接口将该IP报文转发到目的地。因此路由器转发IP报文的行为包括确定发送IP报文的最优路径和将IP报文转发到正确的出接口。路由器使用路由表来确定转发IP报文的最优路径。当IP报文到达路由器时，路由器首先提取出IP报文的目的IP地址，然后将IP报文的目的IP地址按照路由表中表项网络地址的掩码长度做“与”操作。将“与”操作后的结果与路由表中的表项进行比较，相同则表示匹配，否则表示不匹配。当操作结果与多条表项都匹配时，路由器会选择匹配掩码最长的表项作为最优路径信息。

路由器转发IP报文的过程如下：路由器收到IP报文后，首先拆掉二层信息，然后根据IP报文中的目的 IP 地址在路由表中搜索最匹配的路由表项作为最优路径，并将 IP 报文重新封装（重写二层信息）后转发到下一台路由器，路径上最后的路由器负责将IP报文转发给目的主机。重写的二层信息取决于路由器出接口的二层封装类型（如以太网封装或者PPP封装等）及其连接的介质类型等。

下面通过以下例子进一步说明路由器转发IP报文的过程，如图1-3所示。此例只关注计算机和路由器对IP报文进行封装、解封装和转发的过程。假设所有计算机和路由器的ARP表为空。提示：计算机可以通过使用arp –d命令清空ARP表。

图1-3 路由器转发IP报文的过程

IP报文从计算机PC1到达计算机PC2的转发过程如下。

（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IP报文为二层广播包，以太网帧二层头部信息如下：源MAC地址为5489-98E1-3D83，目的MAC地址为FFFF-FFFF-FFFF（广播），类型字段值为0x0806（0x表示数值为十六进制，0806代表ARP）。

（2）路由器R1收到ARP请求后，首先更新自己的ARP表，添加PC1的IP地址和网卡MAC地址的映射记录，同时回复 ARP 应答（单播）。其以太网帧二层头部信息如下：源 MAC 地址为00E0-FC47-723A，目的MAC地址为5489-98E1-3D83，类型字段值为0x0806。

（3）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。

C:\>arp -a
Internet Address     Physical Address         Type
172.16.1.1           00-E0-FC-47-72-3A        dynamic

在实际应用环境中，当路由器R1的G0/0/0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后，就会更新自己的ARP表，而当计算机网卡启动的时候，也会主动周期性发送 ARP 请求，以便获得网关的 MAC 地址。因此上述（1）～（3）的过程实际上是自动完成的，不需要用户发送IP报文来触发、生成ARP表项。

（4）计算机PC1收到路由器R1回复的ARP应答后，进行以太网帧封装，IP报文二层和三层头部部分信息如下：源MAC地址为5489-98E1-3D83，目的MAC地址为00E0-FC47-723A，类型字段值为0x0800（0800代表IP），源IP地址为172.16.1.100，目的IP地址为172.16.2.100，协议字段值为1（代表ICMP）。

（5）计算机PC1将封装好的IP报文发送到默认路由器R1,R1从G0/0/0接口收到该以太网帧后，进行解封装（删除以太网帧二层信息），然后路由器R1使用IP报文的目的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S1/0/0，路由器R1将IP报文重新封装（重写二层信息）到PPP帧中，然后将IP报文转发到路由器R2,IP报文二层和三层头部部分信息如下：PPP帧地址字段值为0xFF，类型字段值为0x0021（0021代表IP），源IP地址为172.16.1.100，目的IP地址为172.16.2.100，协议字段值为1。

（6）路由器R2收到路由器 R1发送的 IP 报文后，进行解封装（删除 PPP帧二层信息），路由器R2使用IP报文的目的IP地址172.16.2.100搜索路由表，查找匹配的路由条目。在路由表中找到目的网络地址后，发现目的主机位置和自己直连的G0/0/0接口网络地址相同。如果此时路由器R2的ARP表中有与172.16.2.100对应的ARP缓存条目，则直接转到（10）继续二层重写；如果此时路由器R2的ARP表中没有与172.16.2.100对应的ARP缓存条目，则发送ARP请求，以便获得计算机PC2的网卡的 MAC 地址信息。路由器 R2发送 ARP 请求的以太网帧二层头部信息如下：源 MAC 地址为00E0-FCBC-3B8B，目的MAC地址为FFFF-FFFF-FFFF，类型字段值为0x0806。对计算机PC1来说，此时第一次ping的结果显示超时（Timeout），然后执行第二次ping命令，其转发过程直接从（5）和（6）开始。

（7）计算机PC2收到路由器R2发送的ARP请求后，更新自己的ARP表，此时PC2的ARP表如下。

C:\>arp -a
Internet Address     Physical Address         Type
172.16.2.2           00-E0-FC-BC-3B-8B        dynamic

（8）计算机PC2收到路由器R2发送的ARP请求后会回复ARP应答（单播）。以太网帧二层IP报头信息如下：源MAC地址为5489-9803-1BFA，目的MAC地址为00E0-FCBC-3B8B，类型字段值为0x0806。

（9）路由器R2收到计算机PC2回复的ARP应答后，更新自己的ARP表，具体显示如下。

<R2>display arp dynamic
IP ADDRESS       MAC ADDRESS    EXPIRE(M) TYPE         INTERFACE
                    VLAN/CEVLAN PVC
---------------------------------------------------------------
172.16.2.2       00e0-fcbc-3b8b            I -          GE0/0/0
172.16.2.100     5489-9803-1bfa   12       D-0         GE0/0/0
---------------------------------------------------------------
Total:2          Dynamic:1        Static:0  Interface:1

（10）路由器R2进行重新封装（重写二层信息），然后将IP报文转发到计算机PC2。IP报文二层和三层头部部分信息如下：源 MAC 地址为00E0-FCBC-3B8B，目的 MAC 地址为5489-9803-1BFA，类型字段值为0x0800，源IP地址为172.16.1.100，目的IP地址为172.16.2.100，协议字段值为1。

（11）计算机PC2收到IP报文后，继续执行和上述类似的过程，IP报文最后到达计算机PC1，完成一次ping的过程。

以上数据转发过程表明，IP报文在从计算机PC1到达计算机PC2的整个传输过程中，二层地址信息会被逐跳重写，但是三层IP地址信息保持不变。

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