1. V1 基础拓扑

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PC1 ---------------- SW1 ---------------- PC2

PC1：
IP  192.168.10.10/24
MAC AAAA

PC2：
IP  192.168.10.20/24
MAC BBBB

两台主机处于：

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同一 IP Subnet
+
同一二层广播域

本章核心目标：

PC1 ping PC2 时，一个数据包从应用需求开始，到 ARP、Ethernet、Switch、ICMP，完整经历了什么。

2. 同网段还是跨网段：主机首先做什么

PC1 要访问：

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192.168.10.20

首先使用自己的 Subnet Mask判断目标 IP 是否与自己处于同一 Subnet。

PC1：

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192.168.10.10/24

目标：

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192.168.10.20

两者都属于：

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192.168.10.0/24

因此 PC1 判断：

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目标在本地 Subnet
→ 不需要 Default Gateway
→ 应该直接把 Ethernet Frame 交给 PC2

但 Ethernet 转发需要：

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Destination MAC

PC1 此时只知道：

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Destination IP = 192.168.10.20

所以需要 ARP。

3. ARP：IP → MAC

ARP 解决：

已知当前二层目标的 IP，如何得到它的 MAC？

PC1 检查 ARP Cache：

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192.168.10.20 → ?

如果没有对应关系，就发送 ARP Request。

ARP Request

Ethernet：

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DMAC = FF:FF:FF:FF:FF:FF
SMAC = AAAA
EtherType = 0x0806

ARP 内容核心：

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Sender IP  = 192.168.10.10
Sender MAC = AAAA

Target IP  = 192.168.10.20
Target MAC = unknown

含义：

谁拥有 192.168.10.20？请告诉 192.168.10.10。

ARP Request 是二层广播，因此同一 VLAN / Broadcast Domain 内都会收到。

ARP Reply

PC2 发现：

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Target IP = 自己

于是通常单播回复 PC1：

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192.168.10.20 → BBBB

最终 PC1 ARP Cache：

1
192.168.10.20 → BBBB

核心：

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ARP Table：
IP → MAC

4. Switch 的 MAC Address Table

Switch 不依靠 IP 地址做普通二层转发。

它维护：

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MAC Address Table / CAM Table

VLAN + MAC → Interface

例如：

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VLAN 10   AAAA → E0/1
VLAN 10   BBBB → E0/2

Switch 学习 MAC 的依据是：

收到 Frame 时查看 Source MAC，并记录它来自哪个接口。

例如 PC1 发 Frame：

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SMAC = AAAA

SW1 从 E0/1 收到：

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AAAA → E0/1

然后 Switch 根据：

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Destination MAC

决定 Frame 往哪里发。

已知单播

如果 DMAC 已经存在于 MAC Table：

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直接转发到对应接口

Unknown Unicast

如果 DMAC 不存在：

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在该 VLAN 内 Flood

Broadcast

例如：

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FF:FF:FF:FF:FF:FF

在对应 VLAN 内 Flood。

5. ARP Table 与 MAC Table 不要混淆

这是二层学习最重要的区别之一。

Host / Router ARP Table

1
IP → MAC

回答：

这个下一跳 IP 对应哪个 MAC？

Switch MAC Table

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VLAN + MAC → Physical Interface

回答：

这个 MAC 应该从哪个二层接口出去？

因此：

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ARP：
192.168.10.20 → BBBB

MAC Table：
VLAN10 + BBBB → E0/2

两张表解决的是两个不同问题。

即使 Switch 已经知道：

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BBBB → E0/2

PC1 ARP Cache 被清空后，PC1仍然需要重新 ARP。

因为：

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Switch 知道 BBBB 在哪
≠
PC1 知道 192.168.10.20 的 MAC 是 BBBB

6. ICMP Ping 的完整 Packet Walk

ARP 完成后，PC1 已经知道：

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192.168.10.20 → BBBB

现在真正发送 ICMP Echo Request。

Ethernet Header

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DMAC = BBBB
SMAC = AAAA
EtherType = 0x0800

0x0800 表示 Ethernet Payload 是 IPv4。

IPv4 Header

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SIP = 192.168.10.10
DIP = 192.168.10.20
Protocol = 1

IP Protocol 1 表示 ICMP。

ICMP

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Type = 8
→ Echo Request

完整逻辑：

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Ethernet
├── DMAC BBBB
├── SMAC AAAA
└── EtherType 0x0800
        ↓
IPv4
├── SIP 192.168.10.10
├── DIP 192.168.10.20
└── Protocol 1
        ↓
ICMP
└── Echo Request

PC2 回复：

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Ethernet：
SMAC = BBBB
DMAC = AAAA

IPv4：
SIP = 192.168.10.20
DIP = 192.168.10.10

ICMP：
Type = 0
Echo Reply

7. EtherType、IP Protocol 与 Port

三者属于不同层次。

EtherType

Ethernet Header 中：

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EtherType
→ 告诉接收方 Ethernet Payload 是什么

常见：

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IPv4  = 0x0800
ARP   = 0x0806
IPv6  = 0x86DD

IP Protocol

IPv4 Header 中：

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Protocol
→ 告诉接收方 IP Payload 是什么协议

常见：

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ICMP = 1
TCP  = 6
UDP  = 17
OSPF = 89

TCP / UDP Port

进入 TCP/UDP 后：

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Port
→ 区分应用 / 服务

例如：

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TCP 179 → BGP
TCP 443 → HTTPS

因此完整层级：

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EtherType
→ L3 是什么？

IP Protocol
→ IP 里面是什么？

TCP/UDP Port
→ 哪个应用 / 服务？

8. 跨网段时 ARP 的对象发生变化

假设：

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PC1
192.168.10.10/24
GW 192.168.10.1

目标：
192.168.20.10

PC1 根据自己的 /24 判断：

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192.168.20.10
不属于本地 Subnet

因此 PC1 不会 ARP 192.168.20.10。

而是：

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ARP Default Gateway：
192.168.10.1 → Gateway MAC

随后发送：

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Ethernet：
DMAC = Gateway MAC
SMAC = PC1 MAC

IP：
SIP = 192.168.10.10
DIP = 192.168.20.10

因此必须建立一个非常重要的概念：

ARP 找的是“当前这一跳应该把 Ethernet Frame 交给谁”，不一定是最终 Destination IP。

同网段：

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ARP 最终主机

跨网段：

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ARP 下一跳 / Default Gateway

9. MAC 与 IP 的作用范围

IP 地址

通常表示端到端通信对象：

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SIP → 最初发送方
DIP → 最终目标

没有 NAT 等机制时，经过 Router 后：

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SIP / DIP 通常保持不变

MAC 地址

用于当前二层链路：

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这一跳谁发？
这一跳交给谁？

经过 Router 后需要重新封装 Ethernet Header，因此：

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MAC 地址逐跳变化

可以记：

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IP：
端到端

MAC：
一跳一换

这也是后面学习 Routing、GRE、MPLS、VXLAN 时的重要基础。

10. 配置、验证与排障

Host 验证

查看 ARP：

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arp -a

Cisco：

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show ip arp

Switch 验证

查看 MAC Table：

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show mac address-table

查看接口：

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show interfaces
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show interfaces status

基础排障逻辑

同 VLAN 两台 Host 无法通信：

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1. Interface 是否 Up？
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2. IP / Mask 是否正确？
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3. 是否判断为同一个 Subnet？
        ↓
4. ARP 是否成功？
        ↓
5. ARP Table 是否有目标 IP→MAC？
        ↓
6. Switch MAC Table 是否学习正确？
        ↓
7. Ethernet Frame 是否从正确接口转发？
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8. 最后检查 ACL / Host Firewall 等

V1 最终核心链条

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应用需要访问 Destination IP
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本机 IP + Mask 判断：
目标同网段还是跨网段？
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同网段：
ARP Destination Host

跨网段：
ARP Default Gateway
        ↓
得到 Next-Hop MAC
        ↓
封装 Ethernet Frame
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Switch 学习 Source MAC
        ↓
Switch 查询 Destination MAC
        ↓
二层转发
        ↓
目标收到 Frame
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EtherType
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IP Protocol
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ICMP / TCP / UDP

最终记忆

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ARP Table
→ IP → MAC

MAC Table
→ VLAN + MAC → Interface
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同网段
→ ARP 最终主机

跨网段
→ ARP 下一跳 / Gateway
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IP
→ 通常端到端

MAC
→ 当前一跳，经过 Router 后重新封装