跨过一台路由器后，数据包里的 MAC 和 IP 谁变了、谁没变？

阶段 3 · 网络层 · 第 18 课

在第 17 课中，我们掌握了路由器的最长前缀匹配查表法。现在，让我们把前两章学过的所有知识融会贯通，做一次真正意义上的端到端跨网段通信全流程推演。

假设电脑 A（IP 为 192.0.2.10）要发一条消息给另一网段的电脑 B（IP 为 198.51.100.20），中间隔着一台路由器 R1。当数据包从电脑 A 出发，跳过左侧网线到达 R1，再被 R1 推向右侧网线送达电脑 B，在两条完全不同的网线上抓包，报文里的源 MAC、目的 MAC、源 IP、目的 IP 以及 TTL 分别会变成什么？

学完本课后，你将能够：

填写跨网段转发中各段链路上的源 MAC、目的 MAC、源 IP、目的 IP 与 TTL 逐跳对照表。
深刻领会网络体系结构最精妙的设计法则：“端到端 IP 不变，逐跳 MAC 改变”。
解释为什么在中间加入普通二层交换机时，MAC 和 TTL 不会受交换机影响。

电脑 A 经路由器 R1 跨网段到达电脑 B：左侧子网为 192.0.2.0/24，右侧为 198.51.100.0/24，追踪两段链路上帧与包字段的逐跳变化。

1. 先看图：最小跨网拓扑与环境假设

观察上图，我们设定一个标准的跨网段网络环境（采用 RFC 5737 规范的教学测试网段）：

左侧子网（Subnet 1）：192.0.2.0/24
- 电脑 A 接口：IP 192.0.2.10，MAC 地址别名为 MAC-A，默认网关配置为 192.0.2.1。
- 路由器 R1 左侧接口：IP 192.0.2.1，MAC 地址别名为 MAC-L。
右侧子网（Subnet 2）：198.51.100.0/24
- 路由器 R1 右侧接口：IP 198.51.100.1，MAC 地址别名为 MAC-R。
- 电脑 B 接口：IP 198.51.100.20，MAC 地址别名为 MAC-B。
教学假设：所有设备的 ARP 缓存表均已通过第 11 课的学习建立完毕，链路正常通畅，路径无 NAT 转换。

2. 跟着数据走：两段链路的字段逐跳对照表

现在，电脑 A 准备将一段数据（初始 TTL 设为 64）发送给电脑 B。请先在心里预测一下每段网线上的字段，然后对照下表验证你的推导：

观察点位置	所在物理链路	源 MAC	目的 MAC	源 IPv4 地址	目的 IPv4 地址	生存时间（TTL）
① 观察点 1（左侧网线）电脑 A 发给 R1 左接口	`192.0.2.0/24` 以太网链路	`MAC-A`	`MAC-L`	`192.0.2.10`	`198.51.100.20`	64
② 观察点 2（右侧网线） R1 右接口发给电脑 B	`198.51.100.0/24` 以太网链路	`MAC-R`	`MAC-B`	`192.0.2.10`	`198.51.100.20`	63

3. 深度拆解：路由器在转发时究竟做了哪些动作？

当以太网帧从左侧网线撞进 R1 的左接口时，路由器内部经历了五道极其严谨的工序：

数据链路层解封装：
- R1 检查以太网帧尾的 FCS，校验无误；
- R1 检查帧头的目的 MAC，发现正是自己左接口的 MAC-L，网卡接收并剥去以太网帧头和帧尾，露出里面的 IPv4 数据包。
检查并消耗 TTL：
- R1 查看 IP 首部的 TTL（当前为 64），判定大于 1；
- R1 硬件执行 $T T L = T T L - 1 = 63$ ，并重新计算 IP 首部校验和（Header Checksum）。
查路由表决定出接口与下一跳：
- R1 提取目的 IP 198.51.100.20，查找自己的路由表；
- 匹配到一条直连路由：198.51.100.0/24 Direct 出接口为右接口。R1 得知电脑 B 就直连在自己的右侧网线上！
重新进行二层封装（打上新的 MAC 外壳）：
- R1 在自己的右侧 ARP 表里查到电脑 B 的 MAC 是 MAC-B；
- R1 为已经减过 TTL 的 IP 数据包贴上一层全新的以太网帧头：
  - 源 MAC 填自己的右接口 MAC（MAC-R）；
  - 目的 MAC 填电脑 B 的 MAC（MAC-B）；
  - 重新计算并附上新的 4 字节 FCS。
推向物理介质：
- R1 的右接口 PHY 芯片将新帧转化为物理信号，送入右侧网线，精准送达电脑 B！

4. 黄金定律：网络分层设计的至高美感

对比观察点 1 和观察点 2，请把下面这句支撑整个现代互联网运行的经典口诀刻在脑海里：

网络传输黄金铁律：
端到端（End-to-End）的 IP 地址全程不变：源 IP 永远是发出者电脑 A（192.0.2.10），目的 IP 永远是指向最终归宿电脑 B（198.51.100.20）。它指引着全球航向！
逐跳（Hop-by-Hop）的 MAC 地址每跨过一台路由器就彻底换一套：MAC 地址只负责在当前这一小段局域网里，把包裹安全交接给相邻的下一个物理接口。
生存时间 TTL 每跨越一台路由器必须减 1：在防止三层死循环的同时，悄悄记录下了数据包在网络中跋涉的跳数。

如果在左侧加入二层交换机呢？ 如果在电脑 A 和 R1 之间串入一台普通交换机，由于交换机只在数据链路层按 MAC 查表转发，交换机既不会修改源目 MAC，更不会改动 IP 和减 TTL！TTL 只有在经过三层路由转发时才会递减。

5. 小结与下一步

字段变化法则：端到端 IP 不变，逐跳 MAC 改变，TTL 每经一跳减 1。
路由器的本职工作：剥去旧以太网头 $\to$ 校验并递减 TTL $\to$ 查路由表选出接口 $\to$ 重新封装新以太网头 $\to$ 转发。

在上面的推导中，我们假设网络一片祥和、顺利通达。但如果两台电脑之间网线断了、目标 IP 压根不存在、或者 TTL 在半路上减到了 0： 网络层是怎样向发送端回报错信的？我们每天用的 ping 和 traceroute 命令到底是怎么探路的？ 下一课我们学习网络层的哨兵——互联网控制报文协议（ICMP）。

跨过一台路由器后，数据包里的 MAC 和 IP 谁变了、谁没变？ ​

1. 先看图：最小跨网拓扑与环境假设 ​

2. 跟着数据走：两段链路的字段逐跳对照表 ​

3. 深度拆解：路由器在转发时究竟做了哪些动作？ ​