交換功能是指路由器在一個(gè)接口接收數(shù)據(jù)包并將其從另一個(gè)接口轉(zhuǎn)發(fā)出去的過(guò)程。交換功能的重要責(zé)任是將數(shù)據(jù)包封裝成適用于傳出數(shù)據(jù)鏈路的正確數(shù)據(jù)幀類(lèi)型。

對(duì)于從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳入，以另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)為目的地的數(shù)據(jù)包，路由器會(huì)進(jìn)行哪些處理？路由器主要執(zhí)行以下三個(gè)步驟：

1. 通過(guò)刪除第 2 層幀頭和幀尾來(lái)解封第 3 層數(shù)據(jù)包。

2. 檢查 IP 數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址以便從路由表中選擇***路徑。

3. 將第 3 層數(shù)據(jù)包封裝成新的第 2 層幀，并將該幀從送出接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

在第 3 層 IP 數(shù)據(jù)包從一臺(tái)路由器轉(zhuǎn)發(fā)到下一臺(tái)路由器的過(guò)程中，除生存時(shí)間 (TTL) 字段發(fā)生變化外，該 IP 數(shù)據(jù)包的其它字段均保持不變。當(dāng)路由器收到一個(gè) IP 數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)將該數(shù)據(jù)包的 TTL 減一。如果減一后得到的 TTL 值為零，則路由器將丟棄該數(shù)據(jù)包。TTL 用于防止 IP 數(shù)據(jù)包由于路由環(huán)路或網(wǎng)絡(luò)中其它異常狀況而在網(wǎng)絡(luò)上永無(wú)休止地傳輸。

由于 IP 數(shù)據(jù)包是解封自第 2 層幀并再次封裝成新的第 2 層幀，所以數(shù)據(jù)鏈路目的地址和源地址將隨數(shù)據(jù)包從一臺(tái)路由器轉(zhuǎn)發(fā)到下一臺(tái)路由器而不斷發(fā)生變化。第 2 層數(shù)據(jù)鏈路源地址代表出站接口的第 2 層地址。第 2 層目的地址代表下一跳路由器的第 2 層地址。如果下一跳是最終目的設(shè)備，則第 2 層目的地址將是該設(shè)備的第 2 層地址。

數(shù)據(jù)包很有可能會(huì)被封裝成與收到時(shí)不同的另一種第 2 層幀。例如，路由器從快速以太網(wǎng)接口上收到封裝為以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)包，然后將其封裝成 PPP 幀格式通過(guò)串行接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

請(qǐng)記住，在數(shù)據(jù)包從源設(shè)備到最終目的設(shè)備的傳輸過(guò)程中，第 3 層 IP 地址始終不會(huì)發(fā)生變化。但是，隨著每臺(tái)路由器不斷將數(shù)據(jù)包解封、然后又重新封裝成新數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)包的第 2 層數(shù)據(jù)鏈路地址在每一跳都會(huì)發(fā)生變化。

數(shù)據(jù)包從源到目的地的傳輸過(guò)程

步驟 1：PC1 需要向 PC2 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包

PC1 將 IP 數(shù)據(jù)包封裝成以太網(wǎng)幀，并將其目的 MAC 地址設(shè)為 R1 FastEthernet 0/0 接口的 MAC 地址。

PC1 是如何確定應(yīng)該將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至 R1 而不是直接發(fā)往 PC2？這是因?yàn)?PC1 發(fā)現(xiàn)源 IP 地址和目的 IP 地址位于不同的網(wǎng)絡(luò)上。

PC1 通過(guò)對(duì)自己的 IP 地址和子網(wǎng)掩碼執(zhí)行 AND 運(yùn)算，從而了解自身所在的網(wǎng)絡(luò)。同樣，PC1 也對(duì)數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址和自己的子網(wǎng)掩碼執(zhí)行 AND 運(yùn)算。如果兩次運(yùn)算結(jié)果一致，則 PC1 知道目的 IP 地址處于本地網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)需將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到默認(rèn)網(wǎng)關(guān)(路由器)。如果 AND 運(yùn)算的結(jié)果是不同的網(wǎng)絡(luò)地址，則 PC1 知道目的 IP 地址不在本地網(wǎng)絡(luò)中，因而需要將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到默認(rèn)網(wǎng)關(guān)(路由器)。

注：如果數(shù)據(jù)包目的 IP 地址與 PC1 子網(wǎng)掩碼進(jìn)行 AND 運(yùn)算后，所得到的結(jié)果并非 PC1 計(jì)算得出的自己所在的網(wǎng)絡(luò)地址，該結(jié)果也未必就是實(shí)際的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)地址。在 PC1 看來(lái)，只有當(dāng)掩碼和網(wǎng)絡(luò)地址相同時(shí)，目的 IP 地址才屬于本地網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)可能使用不同的掩碼。如果目的 IP 地址經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到的網(wǎng)絡(luò)地址不同于本地網(wǎng)絡(luò)地址，則 PC1 無(wú)法知道實(shí)際的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)地址，它只知道該地址不在本地網(wǎng)絡(luò)上。

PC1 如何確定默認(rèn)網(wǎng)關(guān)(路由器 R1)的 MAC 地址？PC1 會(huì)在其 ARP 表中查找默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的 IP 地址及其關(guān)聯(lián)的 MAC 地址。

如果該條目不存在于 ARP 表中會(huì)發(fā)生什么情況？PC1 會(huì)發(fā)出一個(gè) ARP 請(qǐng)求，然后路由器 R1 作出 ARP 回復(fù)。

步驟 2：路由器 R1 收到以太網(wǎng)幀

1. 路由器 R1 檢查目的 MAC 地址，在本例中它是接收接口 FastEthernet 0/0 的 MAC 地址。因此，R1 將該幀復(fù)制到緩沖區(qū)中。

2. R1 看到“以太網(wǎng)類(lèi)型”字段的值為 0x800，這表示該以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分包含 IP 數(shù)據(jù)包。

3. R1 解封以太網(wǎng)幀。

4. 由于數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址與路由器 R1 的所有直連網(wǎng)絡(luò)均不匹配，R1 將求助于路由表來(lái)確定數(shù)據(jù)包的路由方式。R1 搜索路由表中的條目，看看其中是否存在網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)掩碼的組合能否構(gòu)成目的 IP 地址所在的網(wǎng)絡(luò)。在本例中，路由表存在 192.168.4.0/24 網(wǎng)絡(luò)的路由條目。數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址為 192.168.4.10，這是該網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī) IP 地址。

R1 到 192.168.4.0/24 網(wǎng)絡(luò)的路由的下一跳 IP 地址為 192.168.2.2，送出接口為 FastEthernet 0/1。這表示 IP 數(shù)據(jù)包將封裝到一個(gè)新的以太網(wǎng)幀中，其目的 MAC 地址為下一跳路由器的 IP 地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址。由于送出接口連接的是以太網(wǎng)，R1 必須將下一跳 IP 地址解析為目的 MAC 地址。

5. R1 在其 FastEthernet 0/1 接口的 ARP 緩沖區(qū)中查找下一跳 IP 地址 192.168.2.2。如果該條目不在 ARP 緩沖區(qū)中，R1 會(huì)從 FastEthernet 0/1 接口發(fā)出一個(gè) ARP 請(qǐng)求。R2 以 ARP 回復(fù)應(yīng)答。收到 ARP 回復(fù)后，R1 便使用 192.168.2.2 條目及相關(guān) MAC 地址更新其 ARP 緩沖區(qū)。

6. IP 數(shù)據(jù)包被封裝到新的以太網(wǎng)幀中，并從 R1 的 FastEthernet 0/1 接口發(fā)出。

步驟 3：數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器 R2

1. 路由器 R2 檢查目的 MAC 地址，在本例中它是接收接口 FastEthernet 0/0 的 MAC 地址。因此，R1 將該幀復(fù)制到緩沖區(qū)中。

2. R2 看到“以太網(wǎng)類(lèi)型”字段的值為 0x800，這表示該以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分包含 IP 數(shù)據(jù)包。

3. R2 解封以太網(wǎng)幀。

4. 由于數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址與路由器 R2 的所有接口地址均不匹配，R2 將查詢(xún)其路由表來(lái)確定數(shù)據(jù)包的路由方式。R2 使用與 R1 相同的過(guò)程在路由表中搜索數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址。

R2 的路由表中有到 192.168.4.0/24 的路由，下一跳 IP 地址為 192.168.3.2 且送出接口為 Serial 0/0/0。因?yàn)樗统鼋涌诓皇且蕴W(wǎng)，所以 R2 不需要將下一跳的 IP 地址解析為目的 MAC 地址。

當(dāng)接口為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接時(shí)，R2 將 IP 數(shù)據(jù)包封裝成適合送出接口(HDLC、PPP 等)使用的數(shù)據(jù)鏈路幀格式。在此情況下，第 2 層封裝為 PPP;因此，數(shù)據(jù)鏈路目的地址將設(shè)置為廣播地址。請(qǐng)記住，串行接口沒(méi)有 MAC 地址。

5. IP 數(shù)據(jù)包封裝成新的數(shù)據(jù)鏈路幀 (PPP)，然后通過(guò) serial 0/0/0 送出接口發(fā)送出去。

步驟 4：數(shù)據(jù)包到達(dá) R3

1. R3 接收并將數(shù)據(jù)鏈路 PPP 幀復(fù)制到緩沖區(qū)中。

2. R3 解封數(shù)據(jù)鏈路 PPP 幀。

3. R3 在路由表中搜索數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址。路由表的搜索結(jié)果顯示，該地址所在的網(wǎng)絡(luò)為 R3 的直連網(wǎng)絡(luò)。這表示該數(shù)據(jù)包可以直接發(fā)往目的設(shè)備，不需要將其發(fā)往另一臺(tái)路由器。

因?yàn)樗统鼋涌谑侵边B的以太網(wǎng)，所以 R3 需要將數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址解析為目的 MAC 地址。

4. R3 在其 ARP 緩存中搜索數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址 192.168.4.10。如果該條目不在 ARP 緩沖區(qū)中，R3 會(huì)從 FastEthernet 0/0 接口發(fā)出一個(gè) ARP 請(qǐng)求。PC2 用其自身的 MAC 地址回復(fù) ARP 應(yīng)答。R3 用條目 192.168.4.10 及 ARP 應(yīng)答中返回的 MAC 更新其 ARP 緩存。

5. IP 數(shù)據(jù)包被封裝到新的數(shù)據(jù)鏈路(以太網(wǎng))幀中，并從 R3 的 FastEthernet 0/0 接口發(fā)出。

步驟 5：封裝有 IP 數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)幀到達(dá) PC2

1. PC2 檢查目的 MAC 地址，發(fā)現(xiàn)該地址與接收接口的 MAC 地址(PC2 的以太網(wǎng)網(wǎng)卡)匹配。因此 PC2 將數(shù)據(jù)幀的剩余部分復(fù)制到緩沖區(qū)中。

2. PC2 看到“以太網(wǎng)類(lèi)型”字段的值為 0x800，這表示該以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分包含 IP 數(shù)據(jù)包。

3. PC2 解封以太網(wǎng)幀并將 IP 數(shù)據(jù)包傳遞至操作系統(tǒng)的 IP 進(jìn)程。