交换和路由基础

交换和路由基础2018年12月1以太网帧结构ARP协议数据转发过程交换网络基础IP路由基础2345目录CONTENS一、以太网帧结构Page4前言网络中传输数据时需要定义并遵循一些标准，以太网是根据IEEE802.3标准来管理和控制数据帧的。了解IEEE802.3标准是充分理解以太网中链路层通信的基础。Page5学习目标学完本课程后，您应该能：理解分层模型的作用掌握以太网中数据帧的结构掌握MAC地址的作用掌握以太网中数据帧转发的过程网络通信协议Page6不同的协议栈用于定义和管理不同网络的数据转发规则。TCP/IPOSIIPX/SPXSNA局域网广域网IEEE802帧中继PPPHDLC以太网分层模型-OSIPage7建立、维护、管理端到端连接7654321为应用程序提供网络服务数据格式化，加密、解密建立、维护、管理会话连接IP寻址和路由选择控制网络层与物理层之间通信比特流传输应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络接口层分层模型-TCP/IPPage8网络层传输层应用层TCP/IP网络接口层数据封装数据数据数据数据网络层传输层应用层SegmentPacketFrameBitPDUPage7终端之间的通信Page10数据链路层控制数据帧在物理链路上传输。主机A主机BHeaderData帧Trailer帧格式Ethernet_IIIEEE802.2/3D.MACDataS.MACTypeFCSD.MACDataS.MACLengthFCSLLCSNAPLength/Type=1536(0x0600)Ethernet_IILength/Type=1500(0x05DC)IEEE802.2/3Page11主机A主机B交换机对报文协议的判断过程Page12Ethernet_II帧格式Page13D.MACDataS.MACTypeFCS6B6B2B46-1500B4B0x08000x086ddIP0x0800(2048)ARP0x0806(2054)Ethernet_II帧类型值大于等于1536(0x0600)。以太网数据帧的长度在64-1518字节之间。0x0806IPv60x086dd(34525)数据帧传输Page14数据链路层基于MAC地址进行帧的传输。D.MACMAC：00-02-03-04-05-06MAC：00-03-04-05-06-07MAC：00-03-04-05-06-07主机A主机B以太网的MAC地址Page1524bits24bits48bitsOUI由供应商分配MAC地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位代表该供应商代码，由IEEE管理和分配(OUI,全球统一标识符)。剩下的24位序列号由厂商自己分配。单播Page16单播48bits7bits0主机A主机B主机C主机D组播Page1748bits01xxxxxxxxxx广播主机A主机B主机C主机D在VRRP协议中，发送Advertisement报文，目的MAC地址01-00-5e-00-00-12就是组播地址广播Page1848bitsFFFFFFFFFFFF组播主机A主机B主机C主机D数据帧的发送和接收Page19当主机接收到的数据帧所包含的目的MAC地址是自己时，会把以太网封装剥掉后送往上层协议。MACBDataMACA0x0800FCSIPData主机A主机BDataPage20总结网络设备如何确定以太网数据帧的上层协议？终端设备接收到数据帧时，会如何处理？二、ARP协议Page22前言当网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。通过目的IP地址来获取目的MAC地址的过程是由ARP（（AddressResolutionProtocol，地址解析协议）来实现的。作用：ARP用于将网络层的IP地址解析为数据链路层的物理地址MAC。Page23学习目标学完本课程后，您应该能：掌握ARP的工作原理理解ARP缓存表的作用ARPPage24IP:10.1.1.1/24MAC:00-01-02-03-04-AA目的IP:10.1.1.2源IP:10.1.1.1目的MAC:未知源MAC:00-01-02-03-04-AAIP:10.1.1.2/24MAC:00-01-02-03-04-BBETH_IIIPDATAFCS主机A主机B数据链路层在进行数据封装时，需要目的MAC地址。ARP数据包格式Page25ARP报文不能穿越路由器，不能被转发到其他广播域。FCSARPHardwareTypeHardwareLengthProtocolTypeProtocolLengthOperationCodeSourceHardwareAddressDestinationHardwareAddressSourceProtocolAddressDestinationProtocolAddress03115Ethernet_II硬件类型（HardwareType）：硬件接口类型，1表示为以太网协议类型（ProtocolType）：映射的协议地址类型，它的值为0x0800即表示IP地址操作码（OperationCode）：1——数据报是ARP请求报文2——数据报是ARP应答报文3——数据报是RARP请求报文4——数据报是RARP应答报文ARP工作过程Page26主机A10.0.0.2/2400-01-02-03-04-BB主机C主机B10.0.0.3/2400-01-02-03-04-CC10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AA主机A发送一个数据包给主机C之前，首先要获取主机C的MAC地1、主机A首先查看自己的ARP表，如果找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给主机C。ARP缓存Page27主机A10.0.0.2/2400-01-02-03-04-BB主机C主机B10.0.0.3/2400-01-02-03-04-CC10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AA2、主机A查看自己的ARP表，如果没有对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。ARP请求Page2810.0.0.3/2400-01-02-03-04-CC源MAC：00-01-02-03-04-AA目的MAC:FF-FF-FF-FF-FF-FF主机A10.0.0.2/2400-01-02-03-04-BB主机C主机B10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AAARP目的IP:10.0.0.3源IP:10.0.0.1目的MAC:00-00-00-00-00-00源MAC:00-01-02-03-04-AA操作类型:RequestETH_IIFCS3、以广播方式发送一个ARP请求(Request)报文。ARP请求报文中的源IP和源MAC地址为主机A的IP和MAC地址，目的IP和目的MAC地址为主机B的IP地址和全0的MAC地址。ARP响应Page29主机A10.0.0.2/2400-01-02-03-04-BB主机C主机B10.0.0.3/2400-01-02-03-04-CC10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AA4、主机C比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，一致则进行如下处理：a)将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中b)以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了自己的MAC地址。ARP响应Page30主机A10.0.0.2/2400-01-02-03-04-BB主机C主机B10.0.0.3/2400-01-02-03-04-CC10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AA源MAC：00-01-02-03-04-CC目的IP:10.0.0.1源IP:10.0.0.3目的MAC:00-01-02-03-04-AA源MAC:00-01-02-03-04-CC操作类型:Reply目的MAC：00-01-02-03-04-AAARPETH_IIFCS5、主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中用于后续报文的转发，同时将IP数据包进行封装后发送出去。ARP表项Page31主机A10.0.0.2/2400-01-02-03-04-BB主机C主机B10.0.0.3/2400-01-02-03-04-CC10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AA6、最终动态生成了IP地址到MAC地址的映射表。ARP代理Page32位于不同网络的网络设备在不配置网关的情况下，可以通过ARP代理实现相互通信。主机A主机B10.1.0.1/820.2.0.1/8ARP代理G0/0/0G0/0/120.2.0.2/810.1.0.2/8路由器发送ARPReply发送ARPRequest请求20.2.0.1的MAC地址①②免费ARPPage33主机A10.0.0.1/2400-01-02-03-04-AA目的IP:10.0.0.1源IP:10.0.0.1目的MAC:00-00-00-00-00-00源MAC:00-01-02-03-04-AA源MAC：00-01-02-03-04-AA目的MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FFARP免费ARP可以用来探测IP地址是否冲突使其它设备及时更新高速缓存中旧的该设备硬件地址ETH_IIFCS报文中携带的源IP和目的IP地址都是本机地址，报文源MAC地址是本机MAC地址。当设备收到免费ARP报文后，如果发现报文中的IP地址和自己的IP地址冲突，则给发送免费ARP报文的设备返回一个ARP应答，告知该设备IP地址冲突。Page34总结网络设备在什么情况下会发送ARPRequest？网络设备什么时候会产生免费ARP？三、数据转发过程Page36前言TCP/IP协议簇和底层协议配合，保证了数据能够实现端到端的传输。数据传输过程是一个非常复杂的过程，例如数据在转发的过程中会进行一系列的封装和解封装。对于网络工程师来说，只有深入地理解了数据在各种不同设备上的转发过程，才能够对网络进行正确的分析和检测。Page37学习目标学完本课程后，您应该能：掌握数据封装和解封装的过程处理数据转发过程中的基本故障数据转发过程概述Page38Internet主机A主机B服务器A服务器B10.1.1.1/2410.1.1.2/24172.16.10.1/24172.16.10.2/24RTARTB•数据包在相同网段内或不同网段之间转发所依据的原理基本一致。TCP封装Page39物理层数据链路层网络层传输层TCPHeaderData数据段主机A当主机建立了到达目的地的TCP连接后，便开始对应用层数据进行封装。SYNRSTFINDestinationPort:80SequenceNumberWindowChecksumOptionsSourcePort:1027AcknowledgementNumberHeaderLengthResv.UrgentPointerPSHURGACKPaddingIP封装Page40数据包主机AIPHeader物理层数据链路层网络层传输层TCPHeaderDataDSFieldTotalLengthIdentificationFlagsFragmentOffsetTimetoLiveProtocol：0X06HeaderChecksumSourceIPAddress：10.1.1.1DestinationIPAddress：172.16.10.1IPOptionsVersionHeaderLength查找路由Page41Page41Network/Mas