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ARP表、MAC表、路由表的区别和各自作用

拓扑图如下:

同一网络内:

ARP作用: 让发送方知道目标的MAC地址, 不管是发给同一网络内的PC终端还是路由器, 均需要知道对方的MAC地址

ARP表

ARP协议: 2种类型的报文

请求时是广播, 响应时是单播

request - 请求

当PC1作为发送方,PC2作为接收方时:

源MAC地址	已知
源IP地址	已知(假设是PC1: 192.168.1.1)
目标MAC	FFFF-FFFF-FFFF(广播MAC地址: 代表网络内的所有节点)
目标IP	已知 (假设是PC2: 192.168.1.2)

当第一次发送时, 路由器是不会接受该数据包的, 因为数据包在解封装时, 会先检查第二层MAC地址, 再检查第三层IP地址, MAC地址符合,但是IP地址不符合,因此,最终只有PC2能够接受该数据包

reply - 响应

PC2回复PC1:

源MAC地址	已知
源IP地址	已知(假设是PC1: 192.168.1.2)
目标MAC	已知
目标IP	已知 (假设是PC2: 192.168.1.1)

PC1会将收到的PC2的MAC地址会存放在自己的ARP缓存表中, PC1的ARP缓存表如下图:

同时PC2也会记录PC1传来的MAC地址,PC2的ARP缓存表如下图:

ARP缓存表有生存时间, 主要目的是为了确保缓存表中的信息是最新的和有效的。

什么样的设备有ARP表: 只要这个设备需要充当发送方或者是接收方时

PC机, 路由器有ARP表

开始时,路由器R1没有PC1的MAC地址:
PC1在ping 192.168.1.254(R1)之后,R1则记录了PC1的mac地址:

每一条ARP记录的生存时间(EXIPRE)如上图 20 min

交换机也可以有ARP表:

只不过是空的, 尽管发送的请求要经过交换机, 但是当给交换机配置了IP地址, PC1去ping之后, 交换机就有了APR表,这里就不展示了

因此, 在同一网络中,只要某个设备充当发送方或者是接收方时,该设备就会有ARP表

MAC地址

在同一网络内,交换机如何工作?

交换机存储的是MAC地址表:

交换机在收到数据帧(Frame)时, 会检查MAC地址表

1. 有表, 按表转发
2. 没表, 泛洪(向除源端口其他所有端口发送)

不同网络

路由表

实现跨网络通信需要路由,路由存在路由表里面

当ping另外一个网络的终端时, 本设备可以根据IP和子网掩码判断出目的ip地址是跨网络通信, 因此本设备(主机)也应该有路由表, 其中第一条为默认路由, 使用route PRINT命令查看本机路由表, 模拟器看不了,只能在本机上查看
注意: 因此并不是只有路由器才会有路由表

配置网关就相当于配置默认路由

不同网络通信流程

PC1在进行跨网络通信时,需要先将包发送给本网络内的路由器, 那PC1是如何知道要发送给路由器的呢? 路由器又是如何知道要将该数据包发送给PC2的呢?

PC1到路由器

1. 确定目的网络: 当发送数据时, PC1会先检查目的IP地址是否与自己在同一网络
2. 使用路由表: 当PC1发现是跨网络通信时, 因为给PC1配置了网关==(192.168.1.254), 也就是相当于配置了默认路由(因此主机也是有路由表的==)因此PC1会使用其路由表来确定下一跳将包发送给路由器, 那么问题来了 => 在通信时,发送方要知道接收方的IP地址和MAC地址
3. 但是现在PC1知道要发送给路由器, 但是现在不知道路由器的MAC地址(默认开始时PC1的ARP表为空)
4. 解析路由器MAC地址: 因此PC1会发送一个ARP请求广播到本地网络,以获取路由器的MAC地址
5. 路由器收到APR请求后, 以单播形式发送ARP响应报文给PC1 此时PC1中的ARP缓存表中记录了路由器的MAC地址
6. 这样PC1就可以构建包含路由器MAC地址的以太网帧,并将数据包发送给路由器,数据包格式如下图:
   
   其中数据链路层记录了源MAC地址(即主机),目的MAC地址(即路由器), 而网络层记录了源IP地址(即主机),目的IP地址(即PC2),从而将数据包发送给了路由器,接下来就有路由器进行转发即可

路由器到PC2

1. 路由器接收到数据包后，会查看路由表来确定下一跳地址和转发接口, 也就是判断将该数据包发送给哪个网段内的主机。
2. 确认网段后, 路由器也要先查看ARP表, 看是否有目标ip对应的MAC地址, 如有就进行发送, 没有,则先进行APR广播来获取目标主机的MAC地址, 最后再将数据包发送给目标主机PC2

流程图

简短总结

在同一网络内，为了获取目标的MAC地址，使用ARP协议。ARP通过广播请求和单播响应来实现这一过程。数据封装遵循OSI七层模型，从应用层到物理层依次封装；解封装则相反。首次通信时，设备通过ARP请求学习目标MAC地址并缓存至ARP表中，后续通信直接查表。交换机根据MAC地址表转发帧，未找到记录时采用泛洪方式，并定期刷新MAC表以防止攻击。对于不同网络间的通信，则需借助路由器及其路由表完成跨网传输。