8张图带你了解L2交换机、路由器对包做了什么？

【作者介绍】严霞：负责产品云内DNS和云解析的架构搭建、关键功能研发工作与难点问题攻关，负责组内两套kubernetes的集群搭建与维护。对权威DNS服务、kubernetes、spring boot、基础网络、linux底层感兴趣，欢迎一起探讨，共同进步。

概要：本文将设备与报文结合起来，用8张图带着大家了解L2交换机、路由器对包做了什么。

前言

学习网络有个特点，知识点都知道，但总经不起细问。本文将设备与报文结合起来，用8张图带着大家了解L2交换机、路由器完整的一个转包过程。

最小的VLAN

如果两台物理机想通信，一根网线连上就好了, 这个时候, 两台电脑已经构成了一个小小的局域网LAN。

Hub集线器

如果3台物理机想通信，就有了Hub设备。Hub也称为集线器, 有多个口，可以把3台电脑连起来。但它没有大脑，完全在物理层工作。机器A想给B发了一个包，Hub收到后，会将自己收到的每一个字节，都复制到其他口上去，发给所有连着它的机器。

局域网所有包都广播给任何机器，每台机器都在受到骚扰。MAC层就是来解决这个问题的，而L2交换机就很好的应用了MAC层功能。

MAC头

MAC层在原字节的外面封装一个MAC头，来告诉设备，自己想发给谁。

类型(2 byte) :MAC头包裹的数据，是IP数据包还是ARP的请求应答包。
CRC (4 byte)：循环冗余检测,通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误。

L2交换机转发包的完整过程

把数据包和L2交换机结合在一起，看一下局域网内发包的一个完整过程。网络环境如下，一个交换机连接着4台电脑。

机器A 想给一个IP= 192.168.1.5的机器发数据。curl -X GET http://192.168.1.5:8080/getXXX/。发送请求前，判断目的IP和自己是否是同一个网段，若不是一个网段，会把包发给网关(可以看成是第一跳路由器)，很显然，192.168.1.5和自己是同一个网段。因此首先要拿到192.168.1.5的MAC地址。如果从机器A本地缓存里没有拿到MAC，则在局域网发一个广播包, 寻求MAC地址。寻求IP地址, 就会发送一个ARP包, 这是一个广播包。

ARP协议是什么？
ARP协议: 已知目的IP, 在局域网里求MAC地址。ARP的报文, 目标MAC是个广播地址，类型是标记MAC头里包裹的是什么类型的包，0x8086这个表示二层里面封装的是一个ARP的报文。

ARP整个过程如下：

目的MAC地址终于拿到了, 再回到当初的问题发包。
机器A 想给一个IP= 192.168.1.5的机器发数据。curl -X GET http://192.168.1.5:8080/getXXX/ 。有了目的MAC，封装报文变的很容易。在L2交换机上完整的传包步骤如下图所示。

从上述过程可以看出：
(1) 交换机比Hub聪明在，它会记住哪个MAC在哪个口，维护一张端口+MAC表，而且能自己学习。不像物理层设备Hub一样，收到包无脑全口转发。
(2) L2交换机为什么属于二层设备？Hub为什么属于物理层设备？
Hub完全是字节流的转发。L2交换机转发包依赖MAC层，其它层的信息，它都不会去管
(3) 需要注意的是：机器A封装的报文，交换机只是读取了一下，没有拆/修改报文。后面的三层设备, 是会实实在在修改包内容的。

路由器对包做了什么？

若物理机A想访问https://www.baidu.com, 路由器对数据包做了什么呢？以下是一个包的完整过程(图中的包省略了SSL/TLS那层)。

通过这个过程可以看出：
(1)每到一个新的网段，MAC都是要变的，但是IP地址都不变。在IP头里面，不会保存任何网关的IP地址。所谓的下一跳是，某个 IP 要将这个IP地址转换为MAC放入MAC头。
(2)交换机只会看MAC层，MAC头里面裹着的不关心。IP只会看MAC层和IP层，IP头里面裹着的不关心。

结语

上述已经可以概括大部分包在二三层设备上转发的过程了，只是不同协议,MAC头或者IP头内部裹的东西不一样，而不同设备有自己的一些特殊功能。欢迎评论区交流！