二层三层数据流分析

Sian

一、拓扑图与配置脚本

Route：

1. interface FastEthernet0/0.2
2. encapsulation dot1Q 2
3. ip address 192.168.20.1 255.255.255.0
4. interface FastEthernet0/0.3
5. encapsulation dot1Q 3
6. ip address 192.168.30.1 255.255.255.0
7. Router#show ip route
8. .....
9. C    192.168.30.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0.3
10. C    192.168.20.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0.2

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SWA：

1. interfce Fastethernet 0/1
2.   switchport mode access
3.   switchport access vlan 2
4. interfce Fastethernet 0/2
5.   switchport mode access
6.   switchport access vlan 3
7. interfce Fastethernet 0/10
8.   switchport mode trunk
9.   switchport trunk encapsulation dot1q
10.   switchport trunk allowed vlan add 2 3
11. interfce Fastethernet 0/24
12.   switchport mode trunk
13.   switchport trunk encapsulation dot1q
14.   switchport trunk allowed vlan add 2

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SWB：

1. interfce Fastethernet 0/1
2.   switchport mode access
3.   switchport access vlan 2
4. interfce Fastethernet 0/24
5.   switchport mode trunk
6.   switchport trunk encapsulation dot1q
7.   switchport trunk allowed vlan add 2

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二、不同交换机同一VLAN互ping的完整通信过程
● PC1 Ping PC3，同一VLAN互ping，发出的ICMP Echo request报文，共40字节。32字节的内容，8字节的ICMP报文头（type=8,code=0）
IP报文头：20字节
以太帧头：14(18)字节
在PC上的帧长度是74Byte
● 以下是输出结果：

1. C:\Documents and Settings\lgg>ping 192.168.20.3
2. Pinging 192.168.100.1 with 32 bytes of data:
3. Reply from 192.168.20.3: bytes=32 time<1ms TTL=64
4. Reply from 192.168.20.3: bytes=32 time<1ms TTL=64
5. Reply from 192.168.20.3: bytes=32 time<1ms TTL=64
6. Reply from 192.168.20.3: bytes=32 time<1ms TTL=64
7. Ping statistics for 192.168.20.3:
8.     Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
9. Approximate round trip times in milli-seconds:
10. Minimum = 0ms, Maximum = 0ms, Average = 0ms

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Ping的过程：
说明：为了能够清楚的说明数据交换通信流的转发过程，假设网络中的PC、交换机和路由器上的ARP表、MAC表都是空的。

1、PC1通过命令（应用程序）发出ping 192.168.20.3的命令，PC1的ICMP协议对ping数据包进行封装，type=8,code=0，数据是“abcdefgxyhijklmnopqrstuvwabcdefghi”。

2、PC1进行网络层的数据封装，源IP是本机，目的IP是PC3的IP，上层协议类型是0x01(ICMP).

3、PC1判断192.168.20.3的IP是与自己同网段：自己的IP 192.168.20.2和ping对端主机的IP 192.169.20.3都与主机的子网掩码进行AND运算，得出相同的网络号值。

4、PC1的网络协议栈（操作系统的网络协议驱动程序）需要进行二层的数据帧装。此时PC1还不知道PC3的MAC地址。PC1发起ARP请求来获取PC3的MAC：
帧头：源MAC是本机网卡MAC，目的MAC是广播，type是0x0806(ARP)。
ARP请求帧数据内容：源MAC是本机网卡，源IP是本机IP，目的MAC是0，目的IP是ping命令中指定的PC3的IP）


5、PC1将ARP请求从网卡发送出来，SWA的F0/1口接收到该ARP请求数据帧并加上vlan 2的tag后，将PC的MAC记录到MAC表中（PC1_MAC，F0/1，vlan 2）。然后SWA将ARP请求广播给VLAN2的所有端口（除F0/1口外）。


6、ARP请求从F0/24端口发送出去，发送出去的数据是加上vlan 2的tag的。


7、SWB从F0/24端口接入收到ARP请求，记录MAC地址（PC1_MAC，F0/24，vlan 2）后，转发给vlan2内所有其他的端口。SWB将ARP剥离vlan 2的tag请求从F0/1端口发送出去。


8、PC3收到ARP请求后，由于目的ARP请求数据中的目的IP是本机的，PC3发起一个ARP回应单播帧。同时，PC3记录下PC1的ARP条目到缓存。ARP回应的内容：
帧头：目的MAC是PC1_MAC，源MAC是PC3的MAC，type是0x0806。
ARP回应帧数据：源MAC是PC3的，源IP是PC3的，目的MAC是PC1的，目的IP是PC1的。


9、PC3将ARP回应发送出去。SWB收到ARP回应帧，加上vlan 2的tag，记录MAC（PC3_MAC，F0/1，vlan 2）。SWB根据vlan2的MAC表直接将ARP回应帧F0/24端口发送出去，带有vlan2的tag。


10、SWA收到ARP回应帧后，根据vlan2的MAC表直接将ARP回应帧F0/1端口发送出去，发送时剥离vlan tag。


11、PC1收到ARP回应帧后，将PC3的ARP条目记录到缓存。PC1将ICMP数据包封装以太帧:
目的MAC：PC3的MAC，源MAC：PC1的MAC，协议类型是0x0800（IP包）。


12、PC1将封装的{[MAC][IP][ICMP Echo request]}以太帧发送出去。SWA收到后，加上vlan2的tag，根据vlan2的MAC表从F0/24端口发送出去，发送时包含vlan 2的tag.


13、SWB接收到数据帧后，根据vlan2的MAC表将数据直接转发到F0/1端口，发送时剥离vlan 2的tag.


14、PC3收到数据后，操作系统网卡驱动和协议软件按层从底层到高层的拆包过程，首先识别是自己的MAC，和协议类型，指定为0x0800，因此IP协议软件处理该数据，IP协议软件标识的上层协议为0x01，交由ICMP协议模块来处理，ICMP模块判断该数据是一个Echo Request包，因此回应一个Echo reply，进行ICMP relay包封装。
ICMP Echo reply包：type=0,code=0,data=ICMP Echo Request包中的数据


15、PC3操作系统的IP协议模块对ICMP Echo relay进行IP包封装，目的IP是PC1，源IP是PC3（本机IP），协议是0x01（ICMP协议），上层数据是上一步封装的ICMP包。


16、PC3操作系统的MAC协议模块对数据进行封装，目的MAC（在操作系统的ARP缓存中）是PC1的MAC，源MAC是PC3的MAC，协议是0x0800(IP协议)，上层数据包是上一步封装的IP包。


17、PC3将封装好的MAC帧发送出去。


18、SWB接收到数据后加上vlan2的tag并根据MAC表转发，SWA接收到数据后根据MAC转发，从F0/1端口剥离vlan tag后发出去。


19、PC1收到数据后，逐层拆包，解封装，最后由应该层的ping命令输出“Reply from 192.168.20.3: bytes=32 time<1ms TTL=64”。


20、重复上述过程，通过多个回合来判定网络连通性和稳定性，一次ping过程完了后输出如下值, 表明，连通性正常：
Ping statistics for 192.168.20.3:
    Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
Approximate round trip times in milli-seconds:
    Minimum = 0ms, Maximum = 0ms, Average = 0ms

三、单臂路由不同网段通信过程
●  PC1 Ping PC2，不同VLAN互ping，
发出的ICMP Echo request报文，共40字节。32字节的内容，8字节的ICMP报文头（type=8,code=0）
IP报文头：20字节
以太帧头：14字节
在PC上的帧长度是74Byte


●  以下是输出结果：

1. C:\Documents and Settings\lgg>ping 192.168.30.2
2. Pinging 192.168.30.2 with 32 bytes of data:
3. Reply from 192.168.30.2: bytes=32 time<1ms TTL=64
4. Reply from 192.168.30.2: bytes=32 time<1ms TTL=64
5. Reply from 192.168.30.2: bytes=32 time<1ms TTL=64
6. Reply from 192.168.30.2: bytes=32 time<1ms TTL=64
7. Ping statistics for 192.168.30.2:
8.     Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
9. Approximate round trip times in milli-seconds:
10.     Minimum = 0ms, Maximum = 0ms, Average = 0ms

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Ping的过程：
说明：为了能够清楚的说明数据交换通信流的转发过程，假设网络中的PC、交换机和路由器上的ARP表、MAC表都是空的。


1、PC1通过命令（应用程序）发出ping 192.168.30.2的命令，PC1的ICMP协议对ping数据包进行封装，type=8,code=0，数据是“abcdefgxyhijklmnopqrstuvwabcdefghi”。


2、PC1进行网络层的数据封装，源IP是本机，目的IP是PC2的IP，上层协议类型是0x01(ICMP).


3、PC1判断192.168.30.2的IP与自己不是同网段：自己的IP 192.168.20.2和ping对端主机的IP 192.169.30.2都与主机的子网掩码进行AND运算，得出相不同的网络号值。


4、PC1的网络协议栈（操作系统的网络协议驱动程序）需要进行二层的数据帧装。此时PC1还不知道PC2的MAC地址。PC1发起ARP请求来获取PC2的MAC：
帧头：源MAC是本机网卡MAC，目的MAC是广播，type是0x0806(ARP)。
ARP请求帧数据内容：源MAC是本机网卡，源IP是本机IP，目的MAC是0，目的IP是本机对应的网卡配置的网关IP 192.168.20.1（Router F0/0.2的IP））。


5、PC1将ARP请求从网卡发送出来，SWA的F0/1口接收到该ARP请求数据帧并加上vlan 2的tag后，将PC的MAC记录到MAC表中（PC1_MAC，F0/1，vlan 2）。然后SWA将ARP请求广播给VLAN2的所有端口（除F0/1口外）。


6、ARP请求从F0/10端口发送出去，发送出去的数据是加上vlan 2的tag的。


7、Router从F0/0.2端口接入收到ARP请求，由于ARP请求数据中的目的IP是Route的F0/0.2子接口的， Route发起一个ARP回应单播帧。同时， Router记录下PC1的ARP条目到缓存。ARP回应的内容：
帧头：目的MAC是PC1_MAC，源MAC是Router F0/0.2的MAC，type是0x0806。
ARP回应帧数据：源MAC是Router F0/0.2的接口MAC，源IP是Router的，目的MAC是PC1的，目的IP是PC1的。


8、Router将ARP回应发送出去，发送时是加上vlan 2的tag的。


9、SWA收到ARP回应帧后，记录MAC表（Router F0/0.1_MAC，F0/10，vlna 2），根据vlan2的MAC表直接将ARP回应帧从F0/1端口发送出去，发送时剥离vlan tag。


10、PC1收到ARP回应帧后，将Router的ARP条目记录到缓存。PC1将ICMP数据包封装以太帧:
目的MAC: Router F0/0.2的MAC，源MAC：PC1的MAC，协议类型是0x0800（IP包）。


11、PC1将封装的{[MAC][IP][ICMP Echo request]}以太帧发送出去。SWA收到后，加上vlan2的tag，根据vlan2的MAC表从F0/10端口发送出去，发送时包含vlan 2的tag.


12、Router 从F0/0.2接收到数据帧后，解二层帧的封装，根据IP的目的IP选择路由，目的IP是PC2的IP，是F0/0.3接口的直连路由。Router将IP包的TTL值减1并重新封装。根据路由，Router需要将数据发送到vlan3的网段，需要进行二层帧的重新封装，需要知道PC2的MAC地址。


13、Router从F0/0.3发送ARP请求，从F0/0.3发送时加上vlan3 tag，ARP请求帧内容为：
ARP请求帧头：目的MAC:广播，源MAC：F0/0.3的MAC，协议类型0x0806(ARP协议)
ARP请求帧数据：源MAC:F0/0.3的MAC，源IP:F0/0.3的IP；目的MAC:0，目的IP是PC2的IP。


14、SWA收到ARP请求帧请求后，记录MAC（Router F0/0.3_MAC，F0/10，vlan 3）。将ARP请求帧广播到vlan 3内除F0/10外的其他端口。其中会从F0/2端口剥离vlan 3 tag后发送出去。


15、PC2接收到ARP请求后，回应ARP请求，将回应请求帧发送出去，回应帧内容：
ARP回应帧头：目的MAC：Router F0/0.3子接口的MAC，源MAC：PC2的MAC，协议类型0x0806(ARP协议)
ARP回应帧数据：源MAC：PC2的MAC，源IP：PC2的IP；目的MAC：Router F0/0.3的MAC，目的IP：Router F0/0.3的IP 。


16、SWA收到ARP回应帧后，记录MAC(PC2_MAC，F0/2，Vlan3)，然后根据MAC表将ARP回应帧发送给Router。


17、Router收到ARP回应帧后解封装并将ARP条目记录到ARP表中。


18、Router根据ARP表中的MAC地址进行二层数据帧重写：
目的MAC：PC2的MAC，源MAC：Router F0/0.3的MAC，协议类型：0x0800（IP包）。


19、Router将重写的二层帧从F0/0.3端口发送，加上vlan 3的tag。


20、SWA从F0/10收到数据，根据MAC表转发给PC2，往F0/2端口发送时剥离vlan 3的tag。


21、PC2接收到数据后，进行按层次从底层到高层的拆包过程，首先识别是自己的MAC，和协议类型，指定为0x0800，因此IP协议软件处理该数据，IP协议软件标识的上层协议为0x01，交由ICMP协议模块来处理，ICMP模块判断该数据是一个Echo Request包，因此回应一个Echo reply，进行ICMP relay包封装。
Echo reply包：type=0,code=0,data=ICMP Echo Request包中的数据


22、PC2操作系统的IP协议模块对ICMP Echo relay进行IP包封装，目的IP是PC1，源IP是PC2（本机IP），协议是0x01（ICMP协议），上层数据是上一步封装的ICMP包。


23、PC2操作系统的MAC协议模块对数据进行封装，目的MAC（在操作系统的ARP缓存中）是Router F0/0.3的MAC，源MAC是PC2的MAC，协议是0x0800(IP协议)，上层数据包是上一步封装的IP包。


24、PC2将封装好的MAC帧发送出去。


25、SWA从F0/2收到数据后加上vlan 3的tag，根据MAC从F0/10转发给Router。


26、Router从F0/0.3接收到数据后，选择路由，存在直连路由，接着对数据进行重写，TTL减1，根据ARP表，二层数帧头为：
目标MAC是PC1的MAC，源MAC是F0/0.2的MAC，类型是0x0800。
数据从F0/0.2发送出去，发送时加上vlan 2的tag。


27、SWA收到数据后，根据vlan 2的MAC表转发，从F0/1端口剥离vlan 2 tag发送出去。


28、PC1收到数据后，逐层拆包，解封装，最后由应该层的ping命令输出“Reply from 192.168.30.2: bytes=32 time<1ms TTL=64”。


29、重复上述过程，通过多个回合来判定网络连通性和稳定性，一次ping过程完了后输出如下值, 表明，连通性正常：
Ping statistics for 192.168.30.2:
    Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
Approximate round trip times in milli-seconds:
    Minimum = 0ms, Maximum = 0ms, Average = 0ms


四、附 PING ICMP包格式和ARP请求帧格式

Ping Echo request:


Ping Echo reply:


ARP请求：



ARP回应：


五、附几种数据格式


以太帧II：



ICMP协议



IP协议