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网络中的地址表

计算机网络传输过程中，有哪些地址表汇总

Posted by danielh on August 26, 2025

在计算机网络传输过程中，为了正确地在复杂的网络环境中寻址和转发数据，各种网络设备（如交换机、路由器）会维护多种关键的地址表。这些表是设备的“大脑”和“导航图”。

以下是主要的地址表及其作用的总结：

地址表 核心作用 工作层次 关键信息 所在设备
MAC地址表 局域网内部寻址 数据链路层 (L2) MAC地址 ➔ 交换机端口 交换机、网桥
ARP表 IP地址 → MAC地址 的映射 网络层/数据链路层 IP地址 ➔ MAC地址 主机、路由器
路由表 跨网络路径选择 网络层 (L3) 目标网络 ➔ 下一跳/出接口 路由器、主机
NAT表 公私网地址转换 网络层/传输层 内网IP:Port ➔ 外网IP:Port 路由器、防火墙

为了更清晰地理解这些表如何协同工作，完成一次从内网到公网的完整通信流程，下图展示了数据包在传输过程中如何被这些表处理：

各地址表详解

1. MAC 地址表 (MAC Address Table) / CAM 表

  • 所在设备：交换机、网桥。
  • 作用：用于在同一个局域网内进行二层交换。它记录了每个设备（由其MAC地址标识）连接在交换机的哪个物理端口上。
  • 工作过程：
    1. 学习：交换机从某个端口收到一个数据帧时，会查看帧的源MAC地址，并将该地址和端口的映射关系记录在MAC地址表中。
    2. 转发：当需要转发数据帧时，交换机会查看帧的目标MAC地址，然后查表。如果找到记录，就从对应的端口精准转发出去；如果找不到，就向所有端口广播（泛洪）。
  • 特点：表项通常有老化时间，一段时间不通信就会自动删除。

2. ARP 表 (ARP Table / ARP Cache)

  • 所在设备：主机、路由器（任何有IP协议的设备）。
  • 作用：实现IP地址到MAC地址的解析。因为在局域网内最终通信是靠MAC地址，但应用程序使用的是IP地址。
  • 工作过程：
    1. 设备A想和设备B（IP地址已知）通信，但不知道B的MAC地址。
    2. 设备A查询ARP表。如果已有B的IP->MAC映射，则直接使用。
    3. 如果没有，设备A会发送一个ARP广播请求：“谁的IP地址是B？请告诉A。”
    4. 设备B收到后，会单播回复：“我是B，我的MAC地址是XX:XX:XX。”
    5. 设备A收到回复后，将这条映射关系存入自己的ARP缓存，然后进行通信。
  • 特点：表项也有生存时间（TTL），到期后自动删除，需要时重新查询，以适应网络变化。

3. 路由表 (Routing Table)

  • 所在设备：路由器、主机（有基本路由能力）。
  • 作用：用于跨网络的三层路由。它像一个地图，告诉设备要去往某个目标IP网络，数据包应该从哪个接口发出，或者发给哪个“下一跳”路由器。
  • 内容来源：
    • 直连路由：自动生成，来自路由器自身接口配置的网络。
    • 静态路由：管理员手动配置。
    • 动态路由：通过OSPF、BGP等动态路由协议从其他路由器学习而来。
  • 核心原则：最长前缀匹配。路由器会选择最具体的路由（子网掩码最长的那条）。

4. NAT 表 (NAT Table)

  • 所在设备：路由器、防火墙（通常位于网络边界，如家用的无线路由器）。
  • 作用：实现网络地址转换，解决IPv4公网地址不足的问题。它将内网设备的私有IP地址和端口号，映射为对公网可见的公网IP地址和端口号。
  • 工作过程：
    1. 内网主机（192.168.1.100:1234）访问公网服务器。
    2. 边界路由器将数据包的源地址替换为公网IP和一个新端口（公网IP:5678），并将这条映射关系记录在NAT表中。
    3. 公网服务器将响应发回给路由器的公网IP和端口（公网IP:5678）。
    4. 路由器收到响应后，查询NAT表，发现5678端口对应内网的192.168.1.100:1234，于是将数据包的目的地址替换回去，并转发给内网主机。

总结

这些地址表协同工作，共同保证了数据包能够高效、准确地在网络世界中穿梭：

  • ARP表解决了“这个IP是谁”（对应哪个MAC）的问题。
  • MAC地址表解决了“这个设备在哪”（在交换机哪个端口）的问题，负责局域网内的精准投递。
  • 路由表解决了“去往目标网络该走哪条路”的问题，负责跨网络的宏观导航。
  • NAT表解决了“如何用少量公网IP让大量内网设备上网”的地址转换问题。

拓展

假设地址表都为空的情况下，我们看看发生了什么

首先，可以分为两种情况，目标是否在在同一局域网。 上图展示了最根本的区别：主机A永远不会也不需要知道远程主机B的MAC地址。它只需要知道如何把数据包送到网关即可，剩下的工作由网关负责。

以 计算机A（IP_A, MAC_A） ping 计算机B（IP_B, MAC_B） 为例，它们连接在同一台交换机上，在局域网当中。数据传输只需要经过交换机，不需要经过路由器。

第1步：A判断目标网络（逻辑判断）

  1. A配置了自己的IP地址（IP_A）和子网掩码（比如 255.255.255.0）。

  2. A将目标地址 IP_B 和自己的子网掩码进行逻辑“与”运算，判断出 IP_B 的网络号与自己在同一个网络。

  3. 结论：”B在我家院子里，我直接把包交给服务员（交换机）转交给他。“

第2步：ARP请求B的MAC地址并通过交换机把包发出（关键步骤）

过程如下：

当目标B主机在远程，又会发生什么呢？

这引出了网络通信中最核心的概念之一：网关（Gateway）。当目标不在同一局域网时，过程会发生关键性变化，从“直接问本人”变成了“问网关帮忙转交”。我们假设：

  • 计算机A： IP_A/MAC_A，在局域网 192.168.1.0/24

  • 网关路由器：IP_GW/MAC_GW（例如 192.168.1.1），连接A的局域网和互联网。

  • 计算机B：在遥远的互联网上，IP_B（例如 8.8.8.8）。

第1步：A判断目标网络（逻辑判断）

  1. A配置了自己的IP地址（IP_A）和子网掩码（比如 255.255.255.0）。

  2. A将目标地址 IP_B 和自己的子网掩码进行逻辑“与”运算，判断出 IP_B 的网络号与自己不在同一个网络。

  3. 结论：”B不在我家院子里，我得把包交给管家（网关）让他寄出去。“

第2步：ARP请求网关的MAC地址（关键步骤）

  1. A查看自己的ARP表，寻找网关IP地址 IP_GW 对应的MAC地址。表是空的。

  2. A发起一个ARP广播请求（目标MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF）：

    • “谁是 192.168.1.1（IP_GW）？请告诉 192.168.1.100（IP_A）。”

  3. 交换机收到广播，进行洪泛。

  4. 网关路由器收到这个ARP请求，发现是问自己的，于是发送ARP单播回复：

    • “我是 192.168.1.1，我的MAC地址是 MAC_GW。”

  5. A收到回复，在自己的ARP表中添加一条记录：IP_GW -> MAC_GW。

    • 此时，A的ARP表里依然没有B的记录，也永远不会有。

第3步：封装并发送数据包（目的MAC是网关）

  1. A开始封装要发送的Ping请求（ICMP Echo Request）数据包。

    • 网络层（IP头）：

      • 源IP: IP_A

      • 目标IP: IP_B （最终目标不变）

    • 数据链路层（帧头）：

      • 源MAC: MAC_A

      • 目标MAC: MAC_GW （关键变化！下一跳的地址）

  2. A将这个数据帧发送出去。

第4步：交换机转发至网关

  1. 交换机收到帧，查看源MAC（MAC_A），学习：MAC_A 在端口1。

  2. 查看目标MAC（MAC_GW），查表。表是空的（或还没有MAC_GW的记录）。

  3. 交换机洪泛该数据帧。

  4. 网关路由器（MAC地址正好是 MAC_GW）接收到该帧。

第5步：网关路由器接手（路由表为空的情况）

5.1 路由器接收并解封装

  1. 网关路由器的局域网接口收到数据帧。

  2. 路由器检查帧的目的MAC地址，发现是MAC_GW，正是自己，于是接受该帧。

  3. 路由器剥离以太网帧头，得到内部的IP数据包。此时，源MAC和目标MAC的信息已完成使命，被丢弃。

5.2 网络地址转换（NAT）
-   路由器查看IP数据包的包头，看到源IP是 `192.168.1.100`（私有IP），目标IP是 `142.251.42.206`（公网IP）。
    
-   路由器知道 `192.168.1.100` 是内网地址，不能直接发到公网。于是它会执行一个至关重要的操作——**NAT**。
    
-   它会**修改这个IP数据包的源IP地址**，把它从 `192.168.1.100` 改成你自己的**公网IP地址**（这个公网IP是ISP分配给你路由器的，比如 `101.202.34.56`）。
    
-   同时，路由器会**记录这次连接**到一个NAT转换表中（“内网 `192.168.1.100` 的某个端口发起了到 `142.251.42.206:80` 的请求”）。这样当Google的返回数据包到达时，路由器才知道应该把它转交给哪台内网电脑。
5.3 查询路由表
  • 路由器根据修改后的IP数据包（现在源IP是公网IP，目标IP是Google的公网IP）查询自己的路由表，决定这个包应该从哪个接口发出去，才能最终到达目的地。对于家庭路由器，通常只有一个出口——通往你的ISP（互联网服务提供商）。
  • 5.3.1 发现为空
    1. 路由器查看IP数据包的目的IP地址：IP_B（例如 8.8.8.8）。

  1. 路由器查询自己的路由表，试图找到一条路径来决定将这个包从哪个接口发出去。

  2. 关键点：路由表是空的。它没有任何直连路由（假设接口还未配置）、静态路由或动态路由。

5.3.2 路由器的行为：丢弃并回复错误

此时，路由器和交换机不同。交换机在MAC表为空时会洪泛，这是一种“尽力而为”的转发策略。但路由器绝对不能洪泛，因为洪泛会导致网络风暴，尤其是在广域网上。

路由器的设计原则是：不知道如何转发的包，一律丢弃。

  1. 丢弃数据包：由于没有匹配任何路由条目，路由器不知道下一步该把这个包送往何处，因此它会直接丢弃（Drop） 这个IP数据包。

  2. 发送ICMP目的不可达消息：

    • 丢弃包的同时，作为一种反馈机制，路由器会生成一个ICMP（Internet Control Message Protocol）错误消息。

    • 这个消息的类型是 Destination Unreachable（目的不可达）。

    • 并且，它会在这个ICMP消息中附带一个更具体的 Code，通常是 Net Unreachable（网络不可达）或 Host Unreachable（主机不可达），但最常见的是 Network Unreachable，因为路由器根本不知道通往那个网络的路。

  3. 封装并发送ICMP错误消息：

    • 这个ICMP错误消息的源IP地址是路由器发出该消息的接口的IP地址（IP_GW）。

    • 目的IP地址是原始数据包的源IP地址，即 IP_A（计算机A）。

    • 路由器然后会查询自己的ARP表（如果也不知道如何回给A，可能又要触发一次ARP过程），最终将这个ICMP错误消息发送回计算机A。

5.3.1 发现不为空

  • 路由器需要把数据包通过光纤/网线发送给ISP的设备。

  • 路由器会根据下一跳的网络类型（可能是PPPoE、以太网等）为IP数据包加上一个新的帧头。这个新帧头的目标MAC地址不再是你的电脑，而是ISP接入设备的MAC地址。

5.4 在互联网中穿梭并返回

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