交换与路由技术教案.docx
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交换与路由技术教案
任务1网络互连设备的认知
网络互连是指利用相应的技术和设备将多个网络或设备连接起来,以达到更大范围的数
据传输和资源共享目的。
互连的网络可以是同类型网络,也可以是不同类型网络,或是运行
不同协议的设备和系统。
网络互连有两方面的内容:
①将多个独立的、小范围的网络连接起
来构成一个较大范围的网络;②将一个节点多、负载重的大网络分解成若干个小网络,再利用互连技术把这些小网络连接起来。
网络互连中常用的设备有中继器、集线器、网桥、交换机、路由器及网关等。
本任务我
们主要来认知当前两种最主流的网络互连设备,即交换机和路由器。
1.1交换机设备的认知
交换机(Switch)是一种在网络通信系统中完成信息交换功能的设备。
它是当前各类局
域网建设的主流设备之一,对局域网性能的提升起到了重要的作用。
1.1.1交换机的基本概念
所谓交换(Switching),即按照通信双方传输信息的需要,使用手动完成或设备自动完成的方法,把需要传输的信息传输到符合要求的相应路由上的技术统称。
广义的交换机(Switch)就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。
在局域网络系统中,交换机的诞生改变了其原来采用集线器(HUB)时的共享工作模式
特征。
集线器是一种共享设备,它工作在物理层,当同一网段内的某台主机要传输数据给另
一台主机时,数据以广播方式进行传输。
因此,在这种方式下,同一个时刻,局域网上只能有一对主机进行通信。
如果发生冲突,还需要重新检测信道是否空闲,然后才能再次发送。
所有主机都共享局域网的带宽,所以网络传输的效率较低。
交换机改变了共享的工作模式,它内部设计了一条高速带宽的背板总线和内容交换矩阵。
所有的接口都挂接在这条背板总线上,当控制电路收到数据包后,负责处理的接口会查找交换机内存中的MAC地址映射表,并确定数据包中的目的MAC地址挂接在哪个接口上,然后通过内部交换矩阵快速将数据包传送到目的接口。
如果目的MAC地址不在MAC地址映射表中,则交换机会将其广播到所有接口上。
接收的接口会“学习”该地址,并将其添加到MAC地址映射表中。
因此,交换机的这种工作方式极大地提高了局域网的工作效率,它可以允许若干对通信同时进行。
1.1.2交换机的工作原理
交换机在本质上和网桥一样。
网桥传统上是基于软件的,通过执行代码完成过滤和学习
的过程。
而交换机将这些功能移植到了硬件上,而且功能比网桥更加强大,处理能力更强。
二层交换技术发展比较成熟,二层交换机属于数据链路层设备,可以识别数据包中的MAC地址信息,根据MAC地址进行转发,并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个MAC地址映射表中。
具体的工作流程如下。
(1)当交换机从某个端口收到一个数据包,它先读取包头中的源MAC地址,这样它就
知道源MAC地址的计算机是连在哪个端口上的。
(2)再去读取包头中的目的MAC地址,并在地址表中查找相应的端口。
(3)如表中有与这目的MAC地址对应的端口,把数据包直接复制到这端口上。
(4)如表中找不到相应的端口,则把数据包广播到所有端口上。
当目的计算机对源计算
机回应时,交换机又可以学习目的MAC地址与哪个端口对应,在下次传送数据时就不再需
要对所有端口进行广播了。
不断地循环这个过程,对于全网的MAC地址信息都可以学习到,二层交换机就是这样
建立和维护它自己的地址表。
1.1.3交换机的主要分类
1.按照覆盖范围分类
按照网络的覆盖范围,交换机可以分为以下两类。
(1)局域网交换机:
应用于局域网的交换机,用于连接服务器、工作站、交换机、路由
器、防火墙等设备来提供高速独立的通信信道。
(2)广域网交换机:
主要用于电信城域网互连、互联网接入等领域的广域网络中。
2.按照传输介质与传输速率分类
按照传输介质与传输速率分,交换机可以分为以下几类。
(1)以太网、快速以太网、千兆位以太网及万兆位以太网交换机。
其传输介质主要有同
轴电缆、双绞线、光纤。
同轴电缆一般用于以太网中,双绞线和光纤则主要用于快速以太网
和千兆位以太网中,而万兆位以太网则主要是用光纤作为传输介质。
(2)ATM交换机。
它是ATM网络中的交换机产品,主要使用在电信网等的主干网段中。
ATM交换机的传输速率一般在150Mb/s左右。
(3)FDDI交换机。
FDDI交换机使用光纤作为传输介质,传输速率为100Mb/s,主要为解决以前10Mb/s以太网和16Mb/s令牌环的速度局限问题而设计的。
3.按照交换机工作的协议层分类
按照交换机工作的协议层次分,交换机可以分为以下几类。
(1)第二层交换机。
即工作在OSI模型的第二层(数据链路层)的交换机,它依赖于数
据链路层中的MAC地址等信息来完成不同端口数据间的线速交换,主要功能包括物理编址、
错误校验、帧序列及数据流控制等。
(2)第三层交换机。
即工作在OSl模型的第三层(网络层)的交换机。
它具有路由的功
能,能实现不同网段间数据的线速交换。
(3)第四层交换机。
即工作在OSI模型的第四层(传输层)的交换机。
它可以支持HTTP
FTP、TELNET和SSL等诸多协议。
4.按照交换机是否支持网管分类
按照交换机是否支持网络管理功能分,它可以分为以下两类。
(1)网管型交换机。
这类交换机可以通过其本身具备Console控制口进行登录管理,这
有的网管型交换机还支持Web及远程登录Telnet方式。
网管型交换机需要支持SNMP。
(2)非网管型交换机。
这类交换机只能用作网络连接,而不能像网管型交换机一样被管理。
5.按照交换机在分层网络中的位置分类
按照交换机在分层网络中的位置分,它可以分为以下三类。
(1)核心层交换机。
核心层交换机一般都处于整个网络的核心部位或主干,也可以说它
是交换机的网关。
核心层交换机需要具备很高的冗余能力和数据转发能力,而转发速率很大
程度上要取决于网络中的设备数量。
通过执行和查看各种流量报告和用户群分析确定所需要
的转发速率。
核心层交换机一般需要三层以上的千兆位或万兆位交换机,并需要具有极高的
转发速率,支持冗余、链路聚合及服务质量(Q0S)等。
(2)汇聚层交换机。
所谓汇聚层,是指它是若干个接入层交换机的汇聚点,并必须能够
处理来自接入层设备的所有通信量,然后将这些通信量提供到核心层的上行链路。
因此,对
汇聚层交换机的带宽及性能要求也较高,它一般需要具备路由、访问控制、重分配路由协议、
VLAN之间路由、定义组播域和广播域等功能。
(3)接入层交换机。
通常将网络中直接面向用户连接或访问网络的部分称为接入层。
一
般情况下,用户可以通过接入层交换机连接到网络,所以,接入层交换机具有低成本、高端
口密度等特性。
1.2路由器设备的认知
路由器(Router)是局域网、广域网中互连的主要设备,也是互连网络的重要枢纽。
目
前,路由器在各行各业中有着很普遍的应用,它的各种不同档次的设备也正应用于当前各种
骨干网络内部连接及骨干网络之间连接中。
1.2.1路由器的基本概念
所谓路由就是指通过互连的网络把要信息从源节点传输到目的节点的过程。
一般情况下,在这个路由过程中,信息至少会经过一个或者多个中间节点。
随着网络规模的扩大,路由器在网络中的作用也越加明显。
它是把网络互连起来的一个
枢纽,已经广泛应用于各行各业。
路由器是互连网的主要节点设备,它通过路由功能来决定数据往何处转发,一般把这种
转发的策略称之为路由选择(routing),路由器(Router)这个名称也由此而得到。
路由器系
统是基于TCP/IP的互连网的核心,它的处理速度也成为网络之间通信的一个瓶颈,它的可靠性也直接影响着网络互连的质量。
因此,高性能、高可靠性的路由器也在不断地研究和开发之中。
1.2.2路由器的工作原理
当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时,它将直接把P分组
送到网络上,对方就能收到。
而要送给不同IP于网上的主机时,它要选择一个能到达目的子网上的路由器,把IP分组送给该路由器,由路由器负责把IP分组送到目的地。
如果没有找到这样的路由器,主机就把IP分组送给一个称为“默认网关(defaultgateway)”的路由器上。
“默认网关”是每台主机上的一个配置参数,它是接在同一个网络上的某个路由器端口的P地址。
路由器转发IP分组时,只根据P分组目的IP地址的网络号部分,选择合适的端口,把
IP分组送出去。
同主机一样,路由器也要判定端口所接的是否是目的子网,如果是,就直接
把分组通过端口送到网络上,否则,也要选择下一个路由器来传送分组。
路由器也有它的“默
认网关”,用来传送不知道往哪儿送的IP分组。
这样,通过路由器把知道如何传送的IP分组
正确转发出去,不知道的IP分组送给“默认网关”路由器。
这样一级级地传送,IP分组最终将送到目的地,送不到目的地的IP分组则被网络丢弃了。
目前TCPAP网络,全部是通过路由器互连起来的,Internet就是成千上万个IP子网通
过路由器互连起来的国际性网络。
这种网络称为以路由器为基础的网络(RouterBased
Network),形成了以路由器为节点的“网间网”。
在“网间网”中,路由器不仅负责对IP
分组的转发,还要负责与别的路由器进行联络,共同确定“网间网”的路由选择和维护路
由表。
路由动作包括两项基本内容:
寻径和转发。
寻径即判定到达目的地的最佳路径,由路由选择算法来实现。
由于涉及不同的路由选择协议和路由选择算法,要相对复杂一些。
为了判定最佳路径,路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表。
其中,路由信息依赖于所用的路由选择算法不尽相同。
路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中,根据路由表可将目的网络与下一站(nexthop)的关系告诉路由器。
路由器间互通信息进行路由更新,更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化,并由路由器根据量度来决定最佳路径。
这就
是路由选择协议(routingprotocol)。
例如,路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先协议
(OSPF)和边界网关协议(BGP)等。
转发即按已寻径好的最佳路径传送信息分组。
路由器首先在路由表中查找,判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机)。
如果路由器不知道如何发送分组,通常将该分组丢弃;否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点,如果目的网络直接与路由器相连,路由器就把分组直接送到相应的端口上。
这就是路由转发协议(routedprotocol)。
路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念。
前者使用后者维护的路由表,同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。
下文中提到的路由协议,除非特别说明,都是指路由选择协议,这也是普遍的习惯。
1.2.3路由器的分类
当前路由器分类方法各异。
各种分类方法有一定的关联,但是并不完全一致。
(1)从能力上分,路由器可分高端路由器和中、低端路由器,各厂家划分并不完全一致。
通常将背板交换能力大于40Gb/s的路由器称为高端路由器,背板交换能力40Gb/s以下的路由器称为中低端路由器。
以市场占有率最大的Cisco公司为例,12000系列为高端路由器,7500以下系列路由器为中低端路由器。
(2)从结构上分,路由器可分为模块化结构与非模块化结构。
通常中高端路由器为模块化结构,低端路由器为非模块化结构。
(3)从网络位置上分,路由器可分为核心路由器与接入路由器。
核心路由器位于网络中心,通常是使用高端路由器。
要求快速的包交换能力与高速的网络接口,通常是模块化结构。
接入路由器位于网络边缘,通常使用中、低端路由器。
要求相对低速的端口及较强的接入控制能力。
(4)从功能上分,路由器可分为通用路由器与专用路由器。
一般所说的路由器为通用路由器。
专用路由器通常为实现某种特定功能对路由器接口、硬件等作专门优化。
例如,接入服务器用作接入拨号用户,增强PSTN接口及信令能力;VPN路由器增强隧道处理能力及硬件加密;宽带接入路由器强调宽带接口数量及种类。
(5)从性能上分,路由器可分为线速路由器和非线速路由器两类。
通常线速路由器是高端路由器,能以媒体速率转发数据包;中、低端路由器是非线速路由器。
但是一些新的宽带接入路由器也有线速转发能力。
路由器分类方法还有很多,并且随着路由器技术的发展,可能会出现越来越多的分类方法。
1.2.4路由器的重要组件
路由器的组成主要包括硬件和软件两部分,硬件主要由CPU、内存、接口、控制端口等硬件组成,软件主要是路由器的IOS操作系统。
其中,较为重要的组件有内存中的RAM、NVRAM、FLASH等存储器及各种类型的接口。
任务3路由器基本配置
路由器的基本配置主要包括对路由器的初始化配置、IOS的备份和恢复、密码的恢复等。
这些技能是维护路由器的基础,也是一个网络管理员需要掌握的必各技能。
3.1IOS的认知
IOS(InternetworkOperationSystem)是一个为网际互连优化的复杂的操作系统,它类似于PC的操作系统,是路由器和交换机的灵魂,所有配置都是通过IOS来完成的。
Cisco的IOS使用命令行界面(CommandLineInterface,CLI)来实现设备配置。
3.1.1CLI命令模式
DOS命令大家比较熟悉,它在DOS命令提示符下都可以执行。
但CiscolOS命令不同,它需要在各自的命令模式下才能执行。
因此,如果要执行某一条命令,则必须先进入相应的命令模式。
CiscoIOS在路由器和交换机中包括了多种不同的命令模式,每种模式都有不同的特点和用途。
3.1.2使用CLI命令行帮助
在交换机的各命令模式下面都有很多命令,且有些命令还有较多的运行参数。
如果要记所有的命令及其功能则相对比较困难。
在这种情况下,交换机IOS命令模式中提供了相应的帮助命令来解决这一问题。
3.1.3使用命令历史功能
Cisco的IOS提供命令的历史功能,此功能对重新输入比较长且较复杂的命令时特别有用。
可以通过命令来改变在当前终端会话的历史命令数目:
Switch#terminalhistory[sizenumber-of-lines]
其中,number-of-lines的取值范围为0~256,默认是10条。
这些历史命令存放于历史命令缓存中。
3.1.4使用IOS命令行编辑功能
命令行接口提供了基本的命令编辑功能,可以通过如表3-3所示的“Ctrl+P和Ctrl+N命令”或上、下光标键调出相应历史命令后,用其他编辑键来对它进行编辑。
3.2路由器初始化配置案例
1.案例应用场景分析
路由器在刚出厂时其内部没有任何的配置信息,在第一次使用时就需要对其进行初始化
配置。
在路由器打开电源后,如果没有有效的配置文件时,路由器会自动进入初始配置模式,设置完成后才能开始正式使用。
2.案例拓扑图
在配置路由器时可以通过不同设备,最常用的是将一台终端连在路由器控制台上(Console)口或辅助口(AUX)上。
还可以利用以太网或广域网上连接的本地或远程设备通过Telnet虚终端、TFTP服务器或网管工作站进行配置。
但是第一次配置Cisco设备时,必须通过Console口与PC的串口相连接,进行初始化配置。
3.配置步骤
假设路由器中没有任何配置文件。
(1)完成硬件连接并给路由器加电。
用路由器附带的Console配置线缆将计算机上的COM1口与交换机的Console口相连。
完成连接后,将路由器电源打开。
(2)在PC机上创建超级终端。
进入PCWindows操作系统后,单击“开始”一“程序”一“附件”一“通信”一“超级终端”命令。
为创建的超级终端取一个名字,如Router。
同时,还可以为它选择一个图标,设置完成后,单击“确定”按钮。
(3)选择COM1串行口。
在“连接时使用”下拉列表中选择COM1串行口,单击“确定”按钮进入“COMl属性”对话框。
(4)端口参数设置。
在“COM1属性”对话框中要对端口参数进行如下设置:
“每秒位数”
为9600,“数据位”为8,“奇偶校验”为无,“停止位”为1,“数据流控制”为无。
设置完成后,单击“确定”按钮,进入路由器的10S界面,可以看到路由器的提示信息。
(5)显示提示信息。
1)进入设置对话过程后,路由器首先会显示一些提示信息:
---SystemConfigurationDialog---
Atanypointyoumayenteraquestionmark1?
'forhelp.
Usectrl-ctoabortconfigurationdialogatanyprompt.
Defaultsettingsareinsquarebracketsj'.
这是告诉你在设置对话过程中的任何地方都可以输入“?
”得到系统的帮助,按Ctrl-c键可以退出设置过程,默认设置将显示在‘[]’中。
2)是否进入初始化配置对话,按y键或“回车”键:
Wouldyouliketoentertheinitialconfigurationdialog?
[yes]:
y
3)是否查看当前接口状态:
First,wouldyouliketoseethecurrentinterfacesummary?
[yes]:
y
Anyinterfacelistedwithok?
value"No"doesnothaveavalidconfiguration
InterfaceIP-Addressok?
MethodStatusProtocol
Ethernet0unassignedNounsetupup
Serial0unassignedNounsetupup
(6)配置全局参数。
Configuringglobalparameters:
1)设置路由器名:
Enterhostname[Router]:
xXxx//如RTA
2)设置进入特权状态的密文(secret),此密文在设置以后不会以明文方式显示:
Enterenablesecret:
xXxx//如cisco
3)设置进入特权状态的密码(password),此密码只在没有密文时起作用,并且在设置
以后会以明文方式显示
Enterenablepassword:
xxxx//如passwd
4)设置虚拟终端访问时的密码:
Entervirtualterminalpassword:
XXXx//如cisco
5)询问是否要设置路由器支持的各种网络协议:
ConfiguresNMPNetworkManagement?
[yes]:
ConfigureDECnet?
[no]:
ConfigureAppleTalk?
[no]:
ConfigureIPX?
[no]:
ConfigureIP?
[yes]:
ConfigureIGRProuting?
[yes]:
ConfigureRIProuting?
[no]:
(7)接口参数的设置。
接下来,系统会对每个接口进行参数的设置。
网络接口设置
ConfiguringinterfaceEtherneto:
1)是否使用此接口,按y键或“回车”键:
Isthisinterfaceinuse?
[yes]:
y
2)是否设置此接口的IP参数,按y键或“回车”键:
ConfigureIPonthisinterface?
[yes];
3)设置接口的IP地址按y键或“回车”键:
rPaddressforthisinterface:
XxX.Xxx.XXX.XXX//如192.168.0.1
4)设置接口的IP子网掩码:
Numberofbitsinsubnetfield[0]:
ClassCnetworkis192.168.0.0,0subnetbits;maskis/24
串口设置,我们这里不进行设置,按n键
ConfiguringinterfaceSerial0:
Isthisinterfaceinuse?
[yes]:
n
(8)显示结果。
在设置完所有接口的参数后,系统会把整个设置对话过程的结果显示
出来:
Thefollowingconfigurationcommandscriptwascreated:
hostnameRTA
enablesecret5$1sw50hSp6J7tIgRMBOIKVXVG53Uh1
enablepasswordpass
(9)应用设置。
显示结束后,系统会问是否使用这个设置:
usethisconfiguration?
[yes/no]:
yes
如果回答yes,系统就会把设置的结果存入路由器的NVRAM中,然后结束设置对话过程,使路由器开始正常的工作。
任务4静态路由配置
为了将信息从一个网络发送到另一个网络,设备必须要知道如何传输这些信息。
IP路由技术就是要确定一条信息从一个网络到达另一个网络的过程。
在拓扑结构比较简单的网络中,静态路由设置是网络中路由配置的一种主要方式。
4.1路由的认知
4.1.1什么是路由
路由器用于实现网络之间的互连,当路由器收到一个数据报后,需要按照一个事先设定能)的路径把它送往目的网络。
所以路由器必须能够了解到达各个网络的方法,这就是路由。
路由器转发数据报的依据就是其内存中的路由表,它记录了到达各个目的网络的转发下一跳(nexthop)路径。
路由器一般采用自主学习或通过管理员手工配置的方式来形成路由表中的路由信息。
假设R1收到一个目的地址到net5网络的数据报,它通过路由表将该数据报转发至R3;R3查自己的路由表,将该数据报转发至R4;R4查路由表,发现net5网络就连接在本路由器上,于是把数据报从对应的接口送入net5网络。
从上述例子中可以看出,网络中的路由器以“接力”的方式把数据报在网络中进行传递,
每个路由器都需要在路由表中记录到达各个网络的“下一跳”信息。
在实际的路由表中,目的地址可以是主机地址、网络地址,或地址为全0的默认地址。
下一跳地址可以是本路由器的接口号,也可以是对端路由器的IP地址。
路由器查找路由表的方法如下。
(1)搜索匹配的主机地址:
搜索路由表,寻找与目的IP地址完全匹配的表项(网络号和
主机号都匹配)。
如果找到,则把报文发送给指定的下一跳路由器。
(2)搜索匹配的网络地址:
搜索路由表,寻找与目的IP地址的网络号相匹配的表项。
如
果找到,则把报文发送给指定的下一跳路由器。
(3)搜索默认表项:
寻找默认路由表项。
如果找到,则把报文发送给表项指定的下一跳
路由器。
路由器按上面的顺序匹配路由,当上述步骤都没有成功时,报文将不能被传送。
4.1.2静态路由与默认路由的认知
根据路由器学习路由信息、生成并维护路由表的方法,包括直连路由(Direct)、静态路由(Static)和动态路由(Dynamic)。
1.直连路由
直连路由就是与路由器直接相连的网络。
这种路由在我们配置好路由器的各个接口时就自动生成了。
所以我们可以认为路由器可自动识别与它直接相连的各个网络。
路由器的三个接口分别连直连网络
接了三个不同的网段:
192.168.1.0/24、192.168.2.0/24和192.168.3.0/24。
路由器会自动生成
本路由器激活接口所在网段的路由条目,通过showiproute命令可以查看到这些直连路由信息。
2.静态路由和默认路由
(1)静态路由。
静态路由是由网络管理员根据网络拓扑结构,使用手工配
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