答え
まずは答えからですが、置き換わりません。
MACアドレスの置き換え
送信元・送信先MACアドレスはルータを経由する度に置き換わります。正確に言えば、ブロードキャストドメインを移行する際に変更されます。
解説
まずはWiresharkを用いて実証してみます。PC⇔ルータ⇔スマホの構成で、勿論PCとスマホ間の通信はルータが中継します。これでPCからPingをスマホに飛ばした場合に、ルータのMACアドレスに置き換わっていないか確認します。
PCのMACアドレス：f0:57:…
スマホのMACアドレス：ae:5f:…
です。両方ともランダムMACアドレスです。
ICMP request
ICMP reply
よって、送信先・元ともに入れ替わっていないことがわかります。
すなわち、ブロードキャストドメイン内の通信ではルータ、L3SWはLayer2レベルで中継を行います。この通信時でもIPヘッダは付与されていますが、ルータは中継時にこのIPを利用しておらず、学習したMACテーブルに基づいて中継しています。
ちなみにnetstat -rnで参照可能なルーティングテーブルで”リンク上”と記載されているルートは同一セグメント内なのでIPによるルーティングは不要という意味を表しています。
