HCIA 路由器原理

一、前言

前面我们介绍了交换机的基本概念与ARP协议（https://blog.csdn.net/weixin_40402375/article/details/127482866），归纳起来有以下重点：

1）交换机各端口默认是互通的，在此前提下，PC仅知晓目标IP时，通过ARP协议广播的方式“询问”目标设备的MAC地址

2）在此过程中，PC生成了ARP表（IP-MAC对照表），交换机生成了MAC表（MAC-端口对照表）

3）于是，PC在仅知晓目标设备IP时，可以通过ARP表查询得到目标的MAC地址，发给交换机后，交换机通过查询MAC表将数据传递给正确的端口

而交换机实现其功能的大前提就是各端口间是“互通”的，而且串联、级联在一起的交换机，所有端口都是“互通”的，这在便利的同时也产生了新的问题，路由器就是用于解决这个问题的设备。

二、广播域与广播风暴

我们知道交换机组成的网络中，端口都是互通的，这个互通体现在“广播”，即交换机组成的网络中，任一设备广播的消息都能被网络中其他所有设备接收到，我们称这些设备处于一个“广播域”。

不仅是ARP协议，实质上有许多应用都基于广播来实现，这就导致网络中有非常多广播报文实时在传递。如果我们网络规模较小时还可以正常使用，一旦网络规模非常大，接入设备非常多时，整个网络就被各种广播包所充斥以至于影响到正常的数据传输，这就是所谓“广播风暴”。

三、广播隔离与路由互联

如果让我们来解决这个问题我们该怎么办呢？最直接的办法是我们开发一个新设备来连接交换机组成的网络，它必须具备下面2个特性：

1）不转发广播包

2）可以根据IP转发包

很显然这个设备就是路由器。如下图所示的网络中，我们使用路由器三个端口将三个交换机组成的网络连在一起。

 

 

 

1、广播隔离

根据前面ARP学到的知识，当PC机需要依据目标IP进行通讯时，它并不知道目标IP的位置，所以它需要发一个ARP广播包问一下目标是否在网络中。由于路由器隔绝广播的特性，这个广播包到达路由器AR2后就会被丢弃。

 

 

 

2、端口IP

为实现其功能，路由器每一个端口都可以配置独立的IP，我们像下图这样配置一下其端口IP。每个端口有了自己的IP后，它们就可以作为目标来收PC发的包，3个端口可以像3个独立的PC一样工作。

 

 

 

3、网关

有了端口的IP后，PC机可以在找不到目标PC时直接将数据包扔给路由器来处理，这就是所谓的“网关”了。PC的网络配置中有一个“默认网关”的设置就是干这个的。所以当PC3的通讯目标是PC4时，它可以直接将数据包丢给路由器，路由器再转发给PC4。

4、数据包如何到达路由

如下图所示，PC3目标IP是192.168.2.11时，它知道这个IP不在当前交换机网络中（至于它是如何知道的以后再说），所以它会将包发给网关，但它只知道网关的IP不知道MAC呀，这时候其实还是ARP协议发挥作用（补一句，路由器的每个端口除了能配置不同IP外还都有独立的MAC地址）。

 

 

 

有了之前交换机和ARP协议的基础，这里其实就很好看懂了，PC3通过ARP协议能生成相应的ARP表，网络中的交换机能生成相应的MAC地址表。此外，路由器的G 0/0/0也有ARP表（惊喜意外吗），所以前面说的将路由器的3个端口想象成3台独立的PC是非常合理的。至此，PC3的数据包到达路由器的G0/0/0端口我们可以理解了吧。同理，这个数据包如果能够到达路由器正确的端口，它也就能够顺利到达PC4了，因为路由器的端口也可以发ARP广播呀（再次将端口想象成独立的PC）。

5、路由如何工作

在路由器内部只需要有下图这样的记录，来自PC3的数据就能顺利到达PC4，这样的记录我们称为路由表。

 

 

 

6、子网

但逐条路由去写有点复杂了，所以在做网络规划时，我们一般把PC3所在的网络规划为“192.168.1.0”这样的子网，把PC4所在的网络规划为“192.168.2.0”这样的子网。路由中可以用192.168.1.0代替192.168.1.1-255这256个IP，如此路由器中只需要有如下3条路由就可以实现3个子网的数据互通。

 

 

 

如果我们将两个不同子网的PC连在交换机网络中，也就是不经过路由器会怎样？什么也不会发生，不同子网的PC无法直接通讯，这个后面再说。

同时，PC机其实也是根据子网来判定是否将数据直接丢给路由器。比如PC3的目标IP是192.168.1.12，那它会在交换机网络中使用ARP协议来寻找目标设备。但如果目标IP是192.168.2.11，PC机知道其子网是192.168.2.0，与自己所处子网不同，所以它会直接将数据交给“默认网关”也就是路由器。

另外，路由器的两个端口不支持配置成同一个子网，也就是两个端口必须配置成两个不同的子网IP，有效避免逻辑混乱。

四、回顾

简单回顾一下今天的内容：

1）交换机组成的网络称为广播域，由于广播风暴的影响，交换机网络无法无限扩展

2）路由器可以隔离广播，所以用路由器将交换机组成的网络连接在一起

3）路由器的每一个端口可以像独立PC一样工作，可以单独配置其IP，也有自己的MAC

4）我们还将PC的默认网关设置为路由器对应端口的IP，这样当PC机在交换机网络中找不到目标IP时会将数据交给路由器处理

5）路由器内部有一张路由表，记录了到目标IP应该走那个端口

6）我们在规划时就将交换机组成的网络划分为一个子网，路由器实际上是将不同子网联系在一起的设备，同时路由表也可以简化为到不同子网应该走哪一个端口