三层转发原理
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三层基本转发原理
精选课件
目录
网络层概述 三层转发常用名词 三层基本转发原理 Q&A
精选课件
网络层概述
• 网络层的定义
网络层（network layer ）：它位于OSI模型中的第三
层，介于运输层与数据链路层之间，提供发信端到目
标端之间的信息传输服务。网络层的数据以IP数据报
的形式传输。
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
192.168.1.10
帧头
R_MAC
PC1_MAC
192.168.1 .10
192.168.2 .10
TCP 首 部
DATA
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
6) PC1学习到Router （网关）的mac地址，发出报文，此时源ip、目的ip 不变，目的mac为Router （网关）的mac
在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和 另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC 地址。而在TCP/IP协议栈中，网络层和传输层只关心 目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议 时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的 数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方 法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是 ARP协议要做的事情。（关于ARP的具体知识，见 《TCP/IP 基础学习》）
精选课件
IP路由表
路由可选特性——负载分担
有多个最佳路径时，报文流可以分散到多个路径上，以充分 利用链路
D
A E0
10.1.0.0
50％
目的＝
C 10.1.0.2
B 50％
10.1.0.0/16 B
10.1.0.2
iM ac
10.1.0.0/16 D
精选课件
实例演练
Router
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
7) PC1——> Router （网关）发出报文。
精选课件
具体转发流程如下：
帧头
R_MAC
PC1_MAC
192.168.1 .10
192.168.2 .10
TCP 首 部
DATA
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.1.10
192.168.2.10
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谢 谢！
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IP路由表
路由是IP层转发的依据 路由包括
• 目的网络/前缀长度 • 下一跳地址 • 出接口 • ……
查看路由表的命令
• Show ip route • Show fib
精选课件
IP路由表
路由匹配－－最长匹配原则
目的地址=3.3.4.4 目的地址=3.3.3.5 目的地址=5.5.5.5
目的ip
下一跳
出接口
8) Router （网关）收到报文，发现是三层报文（原因是报文的目的mac 是自己的mac） 9) Router （网关） 检查自己的路由表（FIB），发现目的ip在自己的直 连网段
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
14) PC2向Router发送报文
Hale Waihona Puke 精选课件具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
精选课件
三层基本转发原理
• 基本转发的概念
在数据通信网络中，设备之间的通信基本上是根据TCP/IP 协议，在IP网络中运行的特定功能的设备，都可以称之为端 系统，PC是一种最常见的端系统，网络中路由器、交换机就 是用来互联不同的端系统，让它们进行透明的通信。
精选课件
三层转发基本原理
之前我们学习了二层转发，知道二层转发是一种基于OSI中 的数据链路层的数据帧的存储转发技术，二层交换是依靠MAC地 址和VID号来确定转发方向的。那么，三层转发和二层转发有什 么区别呢？
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
MAC地址 接口号
PC1.MAC
#
PC2
192.168.2.10
4) Router将PC1的MAC地址学习到自己的ARP表， 5) Router （网关）——>PC1发出ARP应答报文；
IP实现两个基本功能：寻址及分片。 IP地址由网络号和主机号两部分组成，网络号标识 互联网中的一个特定网络，主机号标识在该网络中的 一台特定主机 ，最常用的地址表示方法是点分十进 制法。如：192.168.10.1
关于IP协议的具体讲解见《TCP/IP 基础学习》
精选课件
• ARP
ARP，即地址解析协议，实现通过IP地址到物理地址的 映射。
–目的地址是一个主机地址，前缀长度＝32 –如10.1.0.1/32
精选课件
IP路由表
几种特殊路由 ➢ 缺省路由
–目的地址为0.0.0.0/0的路由，它可以代表任何目的地。必要时静态配 置。
➢ 自环路由
–如127.0.0.1，它代表本地。自环路由是否写入路由表取决于系统设计。
➢ 黑洞路由
–它告诉IP转发模块抛弃匹配到这个路由的报文。必要时静态配置。
路由表
从E2/1接口发向1.1.1.1 从E3/1接口发向2.2.2.2
“目的地不可达”， 抛弃
3.3.0.0/16 1.1.1.1 E2/1
3.3.3.0/24 2.2.2.2 E3/1
3.3.3.3/32 6.2.2.2 E3/2
4.4.0.0/16 4.4.4.4 E3/2
精选课件
IP路由表
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
PC2_MA 192.168 R_MAC 192.16
C
.2.10
8.1.10
12) PC2收到ARP广播报文，发现目的IP是自己的IP，于是给Router发送 ARP应答报文。报文中会附上自己的mac地址。 13) Router收到应答报文后，目的mac改为PC2的mac，然后向PC2发送 数据帧。
Where is the MAC ?
Router
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
192.168.1.10
MAC地址 IP地址
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
2) PC1检查自己的ARP表，发现网关的MAC地址不在自己的ARP表里；
精选课件
具体转发流程如下：
Router
PC2
192.168.2.10
15) Router收到报文后，向PC1转发报文
精选课件
Q&A
路由器/交换机是怎样判断一个报文是二层报文还 是三层报文呢？ 从上面转发原理的讲述中，发现数据在转发的过 程中源MAC和目的MAC地址是不断变化的。因此， 当报文的目的MAC地址与网关的MAC地址相同时， 该报文就为三层报文。
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
Send er MAC
192.168.1.10
ffff- 192.168. ffff- 1.10 ffff
192.16 8.2.10
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
PC1向Router发起arp请求 3) PC1 ——>Router（网关）发出ARP请求报文；
用户数据
应用层
表示层
Appl 首部
用户数据
会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
以太网 首部
TCP首部
应用数据
TCP段
IP首部 TCP首部 IP数据报
应用数据
IP首部
TCP首部 以太网帧
应用数据
以太网 尾部
精选课件
• 网络层的主要功能
1.路径选择 路径选择是指在通信子网中，源结点和中间结点为将 报文分组传送到目的结点而对其后继结点的选择，这是 网络层所要完成的主要功能之一。 2.流量控制
网络中多个层次都存在流量控制问题，网络层的流 量控制则对进入分组交换网的通信量加以一定的控制， 以防因通信量过大造成通信子网性能下降。
3.网络连接与建立 在面向连接服务中，网络连接是传输实体之间传送
数据的逻辑的、贯穿通信子网的端---端通信通道。
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三层转发常用名词
• IP协议
IP提供了不可靠，无连接的数据报传送服务。它定义 了在互联网上传输数据的具体格式。
Send ffff-
er
ffff-
MAC ffff
192.168. 192.16
1.10
8.2.10
PC2
192.168.2.10
10)Router检查自己的arp表，如果发现有与目的ip对应的mac地址则直接 封装报文（目的ip、源ip不变，目的mac为查arp表所得mac）发送给PC2
11) 如果查ARP表没有得到与目的ip对应MAC，则重复（3）发arp请求
192.168.1.10
192.168.1.10
192.168.2.10
TCP 首部
DATA
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
PC1准备向PC2发送数据包 1) PC1检查报文的目的IP地址，发现和自己不在同一网段，则需要进行 三层转发，通过网关转发报文信息；
精选课件
具体转发流程如下：
根据路由产生的方式分 ➢ 直连路由
–本地接口IP网段对应的路由 –优先级最高
➢ 静态路由
–手工配置的路由 –优先级较高
➢ 动态路由
–各种路由协议产生的路由 –优先级有高有低
精选课件
IP路由表
根据掩码长度分 ➢ 网段路由
–目的地址是一个网段地址，前缀长度<32 –如10.1.0.0/16
➢ 主机路由
数据转发依靠的关键字不同 二层转发主要依靠MAC地址，而三层转发主要依靠IP地址。
数据交换的范围不同 二层交换指在同一网段内的通信，三层交换指跨网段的通信。
在三层转发的过程中，还要进行二层的封装。也就是说，在转发过 程中二层帧头中的（源、目的）MAC地址是要改变的。但是IP数据 报中的源IP和目的IP地址是不会改变的。
精选课件
三层转发是主要涉及的表项有哪些？这些表项的作用 是什么？
主要涉及的表项有：MAC地址表（FIB Table），路由表 （Route Table），ARP表，三层硬件转发表（IP FDB Table）。
MAC地址表是二层转发引擎，主要记录MAC地址和报文发出 的端口信息之间的对应关系。路由表记录路由信息。ARP表服务 于三层转发，主要记录于IP地址与MAC地址之间的对应关系。三 层硬件转发表能够记录路由接口和VLAN的对应关系，以及下一 跳的MAC地址和对应端口信息。其中，三层硬件转发表的所有信 息均来源于ARP表和MAC地址表，当这两个表发生变化时，IP FDB Table也会随之变化。
三层基本转发原理
精选课件
目录
网络层概述 三层转发常用名词 三层基本转发原理 Q&A
精选课件
网络层概述
• 网络层的定义
网络层（network layer ）：它位于OSI模型中的第三
层，介于运输层与数据链路层之间，提供发信端到目
标端之间的信息传输服务。网络层的数据以IP数据报
的形式传输。
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
192.168.1.10
帧头
R_MAC
PC1_MAC
192.168.1 .10
192.168.2 .10
TCP 首 部
DATA
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
6) PC1学习到Router （网关）的mac地址，发出报文，此时源ip、目的ip 不变，目的mac为Router （网关）的mac
在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和 另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC 地址。而在TCP/IP协议栈中，网络层和传输层只关心 目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议 时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的 数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方 法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是 ARP协议要做的事情。（关于ARP的具体知识，见 《TCP/IP 基础学习》）
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IP路由表
路由可选特性——负载分担
有多个最佳路径时，报文流可以分散到多个路径上，以充分 利用链路
D
A E0
10.1.0.0
50％
目的＝
C 10.1.0.2
B 50％
10.1.0.0/16 B
10.1.0.2
iM ac
10.1.0.0/16 D
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实例演练
Router
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
7) PC1——> Router （网关）发出报文。
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具体转发流程如下：
帧头
R_MAC
PC1_MAC
192.168.1 .10
192.168.2 .10
TCP 首 部
DATA
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.1.10
192.168.2.10
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路由是IP层转发的依据 路由包括
• 目的网络/前缀长度 • 下一跳地址 • 出接口 • ……
查看路由表的命令
• Show ip route • Show fib
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IP路由表
路由匹配－－最长匹配原则
目的地址=3.3.4.4 目的地址=3.3.3.5 目的地址=5.5.5.5
目的ip
下一跳
出接口
8) Router （网关）收到报文，发现是三层报文（原因是报文的目的mac 是自己的mac） 9) Router （网关） 检查自己的路由表（FIB），发现目的ip在自己的直 连网段
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具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
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具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
14) PC2向Router发送报文
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192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
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三层基本转发原理
• 基本转发的概念
在数据通信网络中，设备之间的通信基本上是根据TCP/IP 协议，在IP网络中运行的特定功能的设备，都可以称之为端 系统，PC是一种最常见的端系统，网络中路由器、交换机就 是用来互联不同的端系统，让它们进行透明的通信。
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三层转发基本原理
之前我们学习了二层转发，知道二层转发是一种基于OSI中 的数据链路层的数据帧的存储转发技术，二层交换是依靠MAC地 址和VID号来确定转发方向的。那么，三层转发和二层转发有什 么区别呢？
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具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
MAC地址 接口号
PC1.MAC
#
PC2
192.168.2.10
4) Router将PC1的MAC地址学习到自己的ARP表， 5) Router （网关）——>PC1发出ARP应答报文；
IP实现两个基本功能：寻址及分片。 IP地址由网络号和主机号两部分组成，网络号标识 互联网中的一个特定网络，主机号标识在该网络中的 一台特定主机 ，最常用的地址表示方法是点分十进 制法。如：192.168.10.1
关于IP协议的具体讲解见《TCP/IP 基础学习》
精选课件
• ARP
ARP，即地址解析协议，实现通过IP地址到物理地址的 映射。
–目的地址是一个主机地址，前缀长度＝32 –如10.1.0.1/32
精选课件
IP路由表
几种特殊路由 ➢ 缺省路由
–目的地址为0.0.0.0/0的路由，它可以代表任何目的地。必要时静态配 置。
➢ 自环路由
–如127.0.0.1，它代表本地。自环路由是否写入路由表取决于系统设计。
➢ 黑洞路由
–它告诉IP转发模块抛弃匹配到这个路由的报文。必要时静态配置。
路由表
从E2/1接口发向1.1.1.1 从E3/1接口发向2.2.2.2
“目的地不可达”， 抛弃
3.3.0.0/16 1.1.1.1 E2/1
3.3.3.0/24 2.2.2.2 E3/1
3.3.3.3/32 6.2.2.2 E3/2
4.4.0.0/16 4.4.4.4 E3/2
精选课件
IP路由表
精选课件
具体转发流程如下：
PC1
192.168.1.10
Ge0/0 192.168.1.1
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
PC2_MA 192.168 R_MAC 192.16
C
.2.10
8.1.10
12) PC2收到ARP广播报文，发现目的IP是自己的IP，于是给Router发送 ARP应答报文。报文中会附上自己的mac地址。 13) Router收到应答报文后，目的mac改为PC2的mac，然后向PC2发送 数据帧。
Where is the MAC ?
Router
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
192.168.1.10
MAC地址 IP地址
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
2) PC1检查自己的ARP表，发现网关的MAC地址不在自己的ARP表里；
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具体转发流程如下：
Router
PC2
192.168.2.10
15) Router收到报文后，向PC1转发报文
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Q&A
路由器/交换机是怎样判断一个报文是二层报文还 是三层报文呢？ 从上面转发原理的讲述中，发现数据在转发的过 程中源MAC和目的MAC地址是不断变化的。因此， 当报文的目的MAC地址与网关的MAC地址相同时， 该报文就为三层报文。
PC1
Ge0/0 192.168.1.1
Send er MAC
192.168.1.10
ffff- 192.168. ffff- 1.10 ffff
192.16 8.2.10
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
PC1向Router发起arp请求 3) PC1 ——>Router（网关）发出ARP请求报文；
用户数据
应用层
表示层
Appl 首部
用户数据
会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
以太网 首部
TCP首部
应用数据
TCP段
IP首部 TCP首部 IP数据报
应用数据
IP首部
TCP首部 以太网帧
应用数据
以太网 尾部
精选课件
• 网络层的主要功能
1.路径选择 路径选择是指在通信子网中，源结点和中间结点为将 报文分组传送到目的结点而对其后继结点的选择，这是 网络层所要完成的主要功能之一。 2.流量控制
网络中多个层次都存在流量控制问题，网络层的流 量控制则对进入分组交换网的通信量加以一定的控制， 以防因通信量过大造成通信子网性能下降。
3.网络连接与建立 在面向连接服务中，网络连接是传输实体之间传送
数据的逻辑的、贯穿通信子网的端---端通信通道。
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三层转发常用名词
• IP协议
IP提供了不可靠，无连接的数据报传送服务。它定义 了在互联网上传输数据的具体格式。
Send ffff-
er
ffff-
MAC ffff
192.168. 192.16
1.10
8.2.10
PC2
192.168.2.10
10)Router检查自己的arp表，如果发现有与目的ip对应的mac地址则直接 封装报文（目的ip、源ip不变，目的mac为查arp表所得mac）发送给PC2
11) 如果查ARP表没有得到与目的ip对应MAC，则重复（3）发arp请求
192.168.1.10
192.168.1.10
192.168.2.10
TCP 首部
DATA
Ge0/1 192.168.2.1
PC2
192.168.2.10
PC1准备向PC2发送数据包 1) PC1检查报文的目的IP地址，发现和自己不在同一网段，则需要进行 三层转发，通过网关转发报文信息；
精选课件
具体转发流程如下：
根据路由产生的方式分 ➢ 直连路由
–本地接口IP网段对应的路由 –优先级最高
➢ 静态路由
–手工配置的路由 –优先级较高
➢ 动态路由
–各种路由协议产生的路由 –优先级有高有低
精选课件
IP路由表
根据掩码长度分 ➢ 网段路由
–目的地址是一个网段地址，前缀长度<32 –如10.1.0.0/16
➢ 主机路由
数据转发依靠的关键字不同 二层转发主要依靠MAC地址，而三层转发主要依靠IP地址。
数据交换的范围不同 二层交换指在同一网段内的通信，三层交换指跨网段的通信。
在三层转发的过程中，还要进行二层的封装。也就是说，在转发过 程中二层帧头中的（源、目的）MAC地址是要改变的。但是IP数据 报中的源IP和目的IP地址是不会改变的。
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三层转发是主要涉及的表项有哪些？这些表项的作用 是什么？
主要涉及的表项有：MAC地址表（FIB Table），路由表 （Route Table），ARP表，三层硬件转发表（IP FDB Table）。
MAC地址表是二层转发引擎，主要记录MAC地址和报文发出 的端口信息之间的对应关系。路由表记录路由信息。ARP表服务 于三层转发，主要记录于IP地址与MAC地址之间的对应关系。三 层硬件转发表能够记录路由接口和VLAN的对应关系，以及下一 跳的MAC地址和对应端口信息。其中，三层硬件转发表的所有信 息均来源于ARP表和MAC地址表，当这两个表发生变化时，IP FDB Table也会随之变化。