路由器的核心任务是根据目标 IP 地址，将数据包从源主机一步步（逐跳）转发到目标主机所在的网络。这一过程依赖 路由表（Routing Table） 和 路由转发算法，以下是其详细工作机制：
1. 路由器的核心工作流程
当路由器收到一个数据包时，会按以下步骤处理：
步骤 1：解封装到网络层
数据链路层剥离帧头（如以太网头部），提取网络层的 IP 数据包。
检查 IP 头部的 目标 IP 地址（Destination IP Address）。
步骤 2：查询路由表
路由器根据目标 IP 地址，在路由表中查找 最长匹配的前缀（Longest Prefix Match）。
路由表条目示例：
<PLAINTEXT>目标网络 下一跳地址 出口接口 192.168.1.0/24 - eth0 （直连网络） 10.0.0.0/8 192.168.1.1 eth0 （静态路由） 0.0.0.0/0 203.0.113.1 eth1 （默认路由）匹配规则：
选择与目标 IP 地址匹配的最长子网掩码的条目。例如：目标 IP
192.168.1.5→ 匹配192.168.1.0/24（直连网络）。目标 IP
10.1.2.3→ 匹配10.0.0.0/8。目标 IP
8.8.8.8→ 匹配默认路由0.0.0.0/0。
步骤 3：确定下一跳和出口接口
如果目标网络是 直连网络（如
192.168.1.0/24）：直接通过 ARP 协议查询目标 IP 的 MAC 地址，将数据包转发到目标主机。
如果目标网络是 非直连网络：
根据路由表找到下一跳路由器的 IP 地址（如
192.168.1.1）。通过 ARP 协议获取下一跳路由器的 MAC 地址。
步骤 4：重新封装并转发
更新数据链路层帧头：
源 MAC 地址：当前路由器出口接口的 MAC 地址。
目标 MAC 地址：下一跳路由器接口的 MAC 地址。
通过出口接口（如
eth0）发送数据包。
步骤 5：逐跳重复直到终点
每个路由器独立执行上述步骤，直到数据包到达目标网络。
2. 关键机制详解
(1) 路由表的构成
路由表条目可能来自：
直连路由：路由器自动发现其直连的网络（如
eth0连接的192.168.1.0/24）。静态路由：管理员手动配置的路由（如
ip route add 10.0.0.0/8 via 192.168.1.1）。动态路由协议：通过 OSPF、BGP 等协议自动学习路由（如互联网中路由器间的路由交换）。
(2) 最长前缀匹配（Longest Prefix Match）
原理：
选择与目标 IP 地址匹配的最具体的子网。例如：路由表中有
172.16.0.0/16和172.16.1.0/24两条路由。目标 IP
172.16.1.5会匹配更具体的172.16.1.0/24。
(3) TTL（Time to Live）机制
IP 头部中的 TTL 字段 每经过一个路由器减 1。若 TTL 归零，数据包被丢弃（防止无限循环）。
3. 实际转发示例
假设客户端（IP: 192.168.1.2）访问服务器（IP: 8.8.8.8），路径经过两个路由器（R1 和 R2）：
客户端发送数据包：
目标 IP:
8.8.8.8，目标 MAC: R1 的接口 MAC（通过 ARP 获得）。
R1 处理：
查路由表，匹配默认路由（
0.0.0.0/0），下一跳是 R2（IP:203.0.113.1）。更新目标 MAC 为 R2 的接口 MAC，从出口接口转发。
R2 处理：
查路由表，发现
8.8.8.8属于直连网络，通过 ARP 获取服务器 MAC。直接转发给服务器。
4. 为什么需要逐跳转发？
网络拓扑复杂性：
互联网由无数自治网络（AS）组成，路由器无法预知完整路径。动态路由变化：
网络链路可能随时故障，逐跳转发允许路由器动态调整路径。分层寻址：
IP 地址的层次性（网络号 + 主机号）使路由器只需关注网络前缀，无需知道每个主机的具体位置。
5. 数据包在转发过程中的变化
IP 头部：
目标 IP 地址始终不变（端到端原则）。
TTL 字段逐跳减 1。
数据链路层帧头：
每一跳的源 MAC 和目标 MAC 都会更新（指向当前路由器和下一跳）。
<PLAINTEXT># 示例：客户端 → R1 → R2 → 服务器
客户端发送：
[目标 IP:8.8.8.8 | 目标 MAC:R1-MAC]
R1转发：
[目标 IP:8.8.8.8 | 目标 MAC:R2-MAC]
R2转发：
[目标 IP:8.8.8.8 | 目标 MAC:Server-MAC]总结
路由器的逐跳转发本质是：
查表决策：根据目标 IP 和路由表，选择最佳下一跳。
链路层封装：通过 MAC 地址将数据包传递给下一设备。
协作完成端到端传输：所有路由器接力传递，最终将数据包送达目标网络。