寫在前面：
近期被一道有點奇怪的題目考住了，考點其實就是最基礎的交換機的轉發原理。在此複習、整理一下。
在此，我們不講這個題目提出的其他條件，單獨講述PC1能夠ping通PC2的這一過程。
交換機SW1 eth0屬於vlan10，交換機SW2 eth0屬於vlan20.兩個交換機互聯接口爲三層接口。
兩臺交換機通過三層接口互聯，並在接口上配置ip地址如下圖所示：
在兩臺交換機上分別起SVI作爲網段的網關；在兩臺交換機上配置靜態路由，通過互聯三層地址實現互通。
下面就PC1 10.1.1.1 ping通 PC2 10.1.2.1的這一過程，做出解釋。
在開始之前，我們先關閉CDP，清除ARP緩存，關閉兩臺交換機的互聯接口。
過程闡述：
在ping之前
我們先來看看，在ping之前，有什麼事情已經發生。
打開SW1，eth0/1接口，查看該接口上的抓包情況
免費ARP
通過抓包，我們可以看到，SW1從ETH0接口發出免費ARP，該數據包的源mac地址爲ETH0接口的MAC地址，目的MAC地址爲廣播MAC地址。
SW1通過這樣的方式，告知二層廣播域內的所有設備ip地址1.1.1.1的mac地址是多少，同時通過這樣的方式，接收到該數據包的交換機，可以將該數據包的源mac地址和收到該數據包的接口形成一一對應關係，更新到mac地址表中。同樣，可以將1.1.1.1與mac地址形成對應關係，更新到arp表中。
於是僅通過這一條免費ARP，在SW2 ETH0/1接口打開的情況下，SW2就可以學習到1.1.1.1對應的mac地址，和去往該mac地址，對應到的交換機接口。
ARP請求
除了免費ARP以外，SW1還從ETH0/1接口發出了arp請求，在二層廣播與內詢問1.1.1.2對應的mac地址。這應該與我們配置了靜態路由有關，SW1在詢問1.1.1.2所對應的mac地址，已完成數據包二層mac地址的封裝。
由於SW2的ETH0接口此時沒有打開，所以SW1無法得到迴應，通過抓包我們可以看到SW1以約爲2.35、4.65、9.32這樣的，每次增長兩倍頻率發ARP請求，這個行爲與TCP SYN包重傳的間隔非常相似。
下面我們打開SW2的ETH0/1接口，查看接口上的抓包情況
免費ARP
通過抓包，我們可以看到，在打開接口的瞬間，交換機SW2同樣從ETH0/1接口發出了免費ARP，通過這樣的方式，告知同一個二層廣播域內的設備ETH0接口IP地址1.1.1.2所對應的mac地址，這樣SW1便學到了1.1.1.2所對應的mac地址，可以更新ARP表。
ARP請求
除了免費ARP之外，由於之前SW2接口ETH0/1是關閉狀態，SW2並沒有能夠接收到SW1發出的免費ARP，這導致在SW2的ARP表中，沒有1.1.1.1對應的條目。於是SW2發出ARP請求，這得到了SW1 ETH0/1接口的迴應。SW2從自身的ETH0/1接口收到這個ARP應答，更新ARP表記錄1.1.1.1對應的ip地址，和收到ARP迴應的ARP接口。
至此，我們可以在SW1和SW2的設備上，查看ARP表。
兩臺設備通過上述數據包的交互，學習到了直連接口對端IP地址對應的mac地址，以及要去往該mac地址，對應的交換機接口。
開始ping測試
我們可以看到，ping包的前兩個包沒有得到迴應，從第三個包開始ping通。下面通過抓包分析該過程
分析PC1 這一側的情況，查看SW1 ETH0/0接口的抓包情況。
在開始ping之前，我們可以看到
在SW1創建SVI10之後，SW1在vlan 10 這個廣播域內發出免費ARP，告知10.1.1.254所對應的mac地址。
通過這樣的方式，PC1便學到了10.1.1.254對應的mac地址，不需要再發ARP請求進行學習。
第一個ping包
源mac地址爲PC1接口的mac地址，目的mac地址爲10.1.1.254的mac地址
SW1收到該數據包後，發現目的mac地址是在自己這臺交換機上，於是將數據包該看，查看IP包頭。
查看IP包頭，發現數據包目的IP地址爲10.1.2.1.查看ARP表，無對應條目。
查找路由表，匹配靜態路由，開始進行路由的遞歸查詢。
10.1.2.0/24的路由，下一跳爲1.1.1.2
1.1.1.2對應的路由爲1.1.1.0/24的直連路由，出接口爲ETH0/1
於是SW1開始封包，封裝源mac地址爲出接口mac地址，目的mac地址爲下一條ip地址對應的mac地址，這在ping開始之前的過程中，已經學到並記錄在ARP表中。
通過SW1 ETH0/1接口的抓包，我麼可以看到第一個ping包確實是這樣封裝的。
除此之外，我們還可以看到，其實是有4個ping包得到了迴應的，這月PC1上看到的現象不符，我們將在接下來解釋這個現象的原因。
當SW2從ETH0/1接收到該數據包之後，發現目的mac地址就是自己，於是拆掉二層包，查看IP包頭，發現目的IP地址爲10.1.2.1.
查找本地ARP表，此時沒有10.1.2.1對應的條目。之後查找路由表，發現匹配的10.1.2.0/24的直連路由，對應的接口爲vlan 20
於是在vlan 20這個廣播域內發出arp請求，詢問10.1.2.1對應的mac地址，這得到PC2的迴應，並記錄在ARP表中
同時，將收到10.1.2.1對應的mac地址和收到該arp返回的接口，形成對應關係，記錄到mac地址表中
在這個過程中，第一個ping包已經超時，所以SW2並沒有將這個ping包發送給PC2。
第二個ping包
在於上述相同的步驟後到達SW2，SW2拆開數據包查詢目的IP地址，查詢ARP表，發現有10.1.2.1對應的ARP條目，查詢到10.1.2.1對應的mac地址，之後在查詢mac地址表，發現要去往目的mac地址，要從接口ETH0/0進行轉發。
於是封裝該數據包，源mac地址爲mac地址表中出接口的mac地址，目的mac地址爲查詢ARP表的到的10.1.2.1對應的mac地址。將數據包從ETH0/0接口進行轉發。
之後當PC2收到這第二個ping包後，PC2需要進行迴應。
與之前的SW1一樣，在配置SVI20時，交換機SW2通過免費ARP，在VLAN20這個廣播域內發出了關於10.1.2.254的免費ARP，於是PC2便知道了10.1.2.254對應的mac地址。
於是PC2準備迴應第二個ping包，調換第二個ping request的源、目ip地址。封裝二層數據包頭，源mac地址爲PC2的出接口mac地址，目的mac地址爲10.1.2.254的mac地址。
當SW2收到該數據包後，發現目的mac地址是自己，於是拆開IP包頭，發現目的IP地址是10.1.1.1，首先查找ARP表，發現沒有對應條目。接着查找路由表，匹配到10.1.1.0的路由，如下圖：
匹配到下一跳IP地址爲1.1.1.1，進行遞歸查詢，查詢到1.1.1.0直連路由，出接口爲ETH0/1。於是開始封裝數據二層包頭，源mac地址爲直連路由的出接口ETH0/1，目的mac地址爲下一跳IP地址1.1.1.1的mac地址，這已經在ping開始之前的過程中學習到了，可以從ARP表中查詢到。封裝完數據包後，進行轉發。
當SW1收到這個數據包，查詢到目的mac地址是自己，於是拆開二層包查看三層包頭，發現目的IP地址爲10.1.1.1，查詢ARP表沒有對應條目，於是查詢路由表。匹配直連路由10.1.1.0/24，對應接口爲vlan10
於是在vlan10這個廣播域內，發出ARP請求，詢問10.1.1.1對應的mac地址。
這得到PC1的迴應，SW1收到後更新arp表和mac地址表，但此時第二個ping包的response包已經超時，所以SW1沒有將該數據包進行轉發。
這也就解釋了爲什麼在PC1上看到的是，兩個ping包沒有得到迴應，而在SW1和SW2 以及 SW2和PC2 的互聯鏈路上只有一個ping包沒有得到迴應。
第三個ping包
於是接下來，當PC1發出第三個ping包的時候，當數據包到達SW2，SW2通過查詢ARP表，封裝目的mac地址和出接口對應的源mac地址，便將數據包轉發給PC2，PC2迴應該ping包，當ping response到達SW1後，SW1查詢ARP表，得到對應的MAC地址和出接口，便將該數據包進行轉發，PC1收到該數據包，判斷ping得到了迴應。之後的幾個ping包也經歷這樣的過程，得到了迴應。
知識點總結
在ping開始之前
免費ARP
配置三層接口地址後，交換機會發出免費ARP，向外告知該三層接口的IP地址對應的mac地址。
在配置了SVI接口後，交換機會在SVI對應的VLAN二層廣播域內，發免費ARP，告知SVI接口對應的mac地址。
但是免費ARP不是一直髮送的，只在接口up的時候，會發送兩個免費ARP數據包。
ARP請求
在配置了靜態路由指定下一跳地址後後，交換機會根據靜態路由指定的下一跳地址，遞歸查詢到直連路由對應的出接口，在出接口發出ARP請求，詢問下一跳地址對應的mac地址。
這個ARP請求會反覆發送，每次發送的間隔是上一次發送間隔的兩倍。
ARP代理
（未通過本案例例證實，通過其他實驗證實）
當配置的靜態路由沒有指定下一跳地址，而僅指定了出接口的時候；交換機會根據數據包的目的ip地址，在靜態路由出接口發出ARP請求，對端交換機收到arp請求後，查詢本地的arp表和路由表，若有可以匹配的條目，則以收到該數據包的接口的mac地址，作爲該ARP請求的迴應。這又被稱作ARP代理
在ping開始之後
交換機數據包轉發過程總結
發現目的mac地址是自己的時候，纔會拆包查詢目的IP地址。如果發現不是自己，直接查詢mac地址表進行轉發，若mac地址表沒有對應條目，則丟棄。
查詢到目的IP地址後，先查詢ARP表，再查詢路由表。
若ARP表有匹配條目，封裝目的mac地址，並以出接口的mac地址，作爲mac源地址，將數據包進行轉發。若ARP表中的出接口爲vlan，則根據ARP表對應的mac地址，查詢mac地址表，根據mac地址表的出接口進行轉發；若mac地址表沒有查詢到對應條目，則在這個vlan的二層廣播域中，發ARP請求，更新mac地址表。
若ARP表沒有匹配條目，查詢路由表，若路由表指定了下一跳的IP地址，根據路由表遞歸查詢到直連路由，以直連路由出接口爲源mac地址，下一跳ip地址對應的mac地址爲目的mac地址，進行封裝轉發，下一跳IP地址對應的mac地址，在完成靜態路由的配置後會自動學習到。
若路由表中僅指定了出接口，沒有指定ip地址。則會在出接口，針對數據包的目的ip地址發出arp請求，當出接口對端的交換機收到該ARP請求後，查詢本地的ARP表和路由表，如果有對應查詢結果，則返回收到該ARP請求接口的mac地址，作爲ARP代理，交換機收到該返回後，直接更新ARP表，將數據包目的IP地址對應的mac地址更新爲對端接口的mac地址。並且數據包以此作爲根據封裝二層數據包，完成轉發！
我將在後續，針對上述描述輸出流程圖，方便之後的查閱。
尾巴
交換機轉發數據包的原理，遠比我們看到的要複雜，有很多技術細節值得被注意，也很容易被遺忘。就好像很多人認爲網絡工程師僅僅是陪陪靜態路由，配置vlan一樣，網絡連接的過程遠沒我們表面看到的那樣簡單。同時，網絡工程師也要夯實基礎，在能夠熟練完成配置，實現工作需求的基礎上，瞭解網絡的工作原理，這將爲我們排除故障起到有效的幫助。