第8章路由器与IP交换

1、问题一：OSI参考模型、TCP/IP模型及各层功能。OSI 7OSI 7层参考模型与层参考模型与TCP/IP 4TCP/IP 4层参考模型层参考模型 为了解决不同网络间互联时的兼容性问题，1978年，国际标准化组织提出开放系统互联参考模型OSI，只要终端遵守这一个模型，就可以与全球范围内遵守这一标准的计算机进联网通信。 OSI参考模型按功能分为7个分立的层次 （1）物理层 负责将信息编码变成电流脉冲或其它形式的信号在网上传输。 定义了物理链路的机械电气特性，负责激活、维护、关闭这条链路的各项操作。 （2）数据链路层 物理链路上的数据传输是不可靠，在数据链路层通过一定的手段，将有差错的物理链路转

2、化为对上层没有错误的数据链路。 主要功能有：链路的建立、拆除、分离；帧定界和同步；差错控制和流量控制等。 （3）网络层 负责在源和终点之间建立连接。 相同MAC标准的网段，数据传输只涉及数据链路层，不同MAC标准的网段，数据传输涉及网络层 （4）传输层 提供对上层的可靠数据传输，其主要功能有：流控、多路技术、虚电路管理及纠错等。 （5）会话层 建立、管理、终止表示层和实体之间的通信会话 （6）表示层 进行代码转换，保证源、目的端的数据能识别 （7）应用层 通过软件，实现网络与用户的直接对话。TCP/IP是Internet最基本的协议，是当今计算机网络最成熟，应用最广泛的互连技术。该协议具有支持

3、不同操作系统的计算机网络的互连，支持多种信息传输介质和网络拓扑结构等特点。TCP/IP采用分层体系结构，它与开放系统互连OSI模型的层次结构相似，它可分为4层，由低到高依次为：网络接口层、网际层（即IP层）、传输层（即TCP层）和应用层。TCP/IP分层模型 （1）第1层网络接口层 提供TCP/IP协议数据结构和物理硬件间的接口 （2）第2层网际层（IP层） 网际层主要解决计算机间能通信问题，负责管理不同设备间的数据交换，是Internet通信子网的最高层，提供的是不可靠的无连接数据报服务。 IP层主要有以下协议。IP协议（网际协议）使用IP地址确定收发端，提供端到端的“数据报”传递ICMP协

4、议（网络控制报文协议）处理路由，协助IP层实现报文传送控制机制，提供错误和信息报告。ARP协议（正向地址解析协议）地址转换RARP协议（逆向地址解析协议）地址转换（3）第3层传输层 TCP协议传输控制协议，提供面向连接的数据传输服务。 UDP协议无连接数据报传送协议（4）第4层应用层 FTP文件传输协议为主机与主机（服务器）之间的文件 传送提供路径 HTTP超文本传输协议访问WWW服务器页面 DNS域名服务系统实现主机域名到IP地址的转换 TELNET虚拟终端服务实现工作站登录远程服务器能力 SMTP简单邮件传输协议实现电子邮件传送 NFS网络文件系统实现不同主机之间的信息共享 RIP路由信息

5、协议网络设备间交换路由信息问题二：IP地址的表示方法、分类、IP地址的分配原则及子网掩码的作用。 计算机在网络内通信，必须具有唯一的身份标记。在TCP/IP协议中，这个身份标记就是IP地址。 IP地址由两部分组成：网络号和主机号。 网络号用于标识一个物理的网络，在同一个网络上主机网络号相同，该号在互联网中是唯一的； 主机号用于确定网络中的一个工作端、服务器、路由器或主机，对于同一个网络号来说，主机号是唯一的。 IP地址有两种表示形式：二进制表示和点分十进制表示。每个IP地址的长度为4字节，由四个8位域组成，我们通常称之为八位体。如：12 八位体由句点“.”分开，表示为一个

6、0255之间的十进制数。 一个IP地址的4个域分别标明了网络号和主机号。 为了适应不同大小的网络，Internet定义了五种类型的网络，见下表网 络 类 型特征地址位开 始 地 址结 束 地 址A类0B55B类10B55C类110B55D类1110B239. 255.255.255E类1111B55表表8-1 8-1 IPIP地址分类地址分类 A类地址：可以拥有很大数量的主机，最高位为0，紧跟的7位表示网络

7、号，其余24位表示主机号，总共允许有126个网络。 B类地址：被分配到中等规模和大规模的网络中，最高两位总被置于二进制的10，允许有16 384个网络。 C类地址：被用于局域网。高3位被置为二进制的110，允许大约200万个网络。 D类地址：被用于多路广播组用户，高4位总被置为1110，余下的位用于标明客户机所属的组。 E类地址：以“1111”开始，为将来使用保留 在分配网络号和主机号时应遵守以下几条准则。 （1）网络号不能为127，该标识号被保留作回路及诊断功能。 （2）不能将网络号和主机号的各位均置1。如果每一位都是1的话，该地址会被解释为网内广播而不是一个主机号。 （3）相应于上面一条，

8、各位均不能置0，否则该地址被解释为“就是本网络”。 （4）对于本网络来说，主机号应该是唯一。否则会出现IP地址已分配或有冲突之类的错误。子网掩码 如果根据传统的IP地址分类方式来划分网络，那么有的网络就会很大而且会迅速耗尽地址空间，因此需要在大的网络的基础上划分子网。 将单一的IP网络划分为多个更小的子网，需要引入子网掩码的概念。 子网掩码和IP地址一样，有4字节的地址，用来区分网络号和主机号。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。 当网络还没有划分为子网时，可以使用缺省的子网掩码；当网络被划分为若干个子网时，就要使用自定义的子网掩码了。问题三：IP地址解析为硬件地址是如何实现的。

9、IP、ICMP、TCP、UDP协议的功能地址解析协议 计算机要在网络上通信，源主机必须知道对方主机的硬件地址。但对用户来讲，他一般只知道逻辑地址IP地址。 IP不是硬件地址，想通过物理网络进行帧传递必须在帧中有目的地的硬件地址。 因此在进行底层数据传输时必须通过一定的方法将IP地址转换为硬件地址。 地址解析就是将主机IP地址映射为硬件地址的过程。1ARP缓存 为减少广播量，ARP在缓存中保存地址映射以备用。 ARP缓存保存有静态项和动态项。动态项是自动添加或删除的，静态项是保留在Cache中直到计算机重启。 ARP缓存总是为本地子网保留硬件广播地址作为永久项，以使本主机可以接收广播。2主机IP

10、地址解析为硬件地址 （1）当一台主机要与别的主机通信时，初始化ARP请求。当断定目的主机的IP地址是本地时，源主机在ARP缓存中查找目标主机的硬件地址。 （2）要是找不到映射的话，源主机通过ARP建立一个请求，源主机IP地址和硬件地址会被包括在请求中，该请求通过广播，使所有本地主机均能接收并处理。 （3）本地网上的每个主机都收到广播并根据ARP请求中的目的机IP与自身比较。 （4）当目标主机断定请求中的IP地址与自己的相符时，直接发送一个ARP答复，将自己的硬件地址传给源主机。并以源主机的IP地址和硬件地址更新自己的ARP缓存。 源主机收到回答后，便建立起了通信。3解析远程IP地址 不同网络中

11、的主机互相通信，ARP广播的是源主机的缺省网关。 （1）源主机通信请求初始化时，得知目标IP地址为远程地址，源主机先在本地路由表中查找目的机的硬件地址，若无，则认为是缺省网关的地址，在ARP中查找该网关的IP（硬件）地址。 （2）若没找到缺省网关的记录，ARP将广播请求网关地址，路由器（缺省网关）用自己的硬件地址响应源主机的ARP请求，源主机将数据包送到路由器。 （3）在路由器上，根据目的IP决定是本地还是远程。若是本地，路由器用ARP（缓存中的记录或是广播）获得硬件地址；若是远程，则在路由表中查找目的IP所在的网关，运用ARP获得硬件地址，数据包被发送到目标主机。 （4）目标主机收到请求后，

12、进行响应。4ARP结构的字段图图8-2 ARPP8-2 ARPP报头结构报头结构IP协议 IP协议定义在TCP/IP的网络层，是Internet最重要的协议。在IP协议中规定了在Internet上进行通信时应遵守的规则，例如IP数据包的组成、路由器如何将IP数据包送到目的主机等。 无论是哪一种物理网络，在链路层（第2层）数据传递都是以帧为基本单元，但是帧格式随物理网络而异，并且物理网络的物理地址（MAC地址）也随物理网络而异。IP协议的作用就是向传输层（TCP层）提供统一的IP包，即将各种不同类型的MAC帧转换为统一的IP包，并将MAC帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址（IP地址）。这样，这

13、些不同物理网络MAC帧的差异对上层而言就不复存在了。 正因为这一转换，才实现了不同类型物理网络的互连。 IP数据报由报头和正文两部分组成。图图8-3 IP8-3 IP数据报格式数据报格式互联网控制报文协议ICMP协议IP协议只是将不同类型的帧变成统一的IP包，不保证数据被送达，那么保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是ICMP（网络控制报文）协议。所有IP服务器和主机都支持这种协议。当传送IP数据包发生送达错误，如主机不可达，路由不可达等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机，给主机一个处理错误的机会。图图8-4 ICMP8-4 ICMP报文结构报文结构

14、TCP协议 TCP协议位于传输层，是一种面向连接的、在主机间实现高可靠性的交换传输协议。 它提供两台计算机之间的可靠通信：当一台计算机需要与另一台远程计算机通信时，TCP协议会让它们建立一个连接、发送和接收资料以及终止连接。 传输控制协议TCP协议利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化，即使在 Internet 暂时出现堵塞的情况下，TCP也能够保证通信的可靠。图图8-5 TCP8-5 TCP段格式段格式用户数据报协议（UDP） 用户数据报协议（UDP）也是另外一个传输层协议，是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。 与

15、TCP不同，UDP并不提供对IP协议的可靠机制、流控制以及错误恢复等功能。使用UDP数据服务的应用程序必须由自身提供可靠性，即由应用程序对重要数据提供重传控制。 另外，UDP也不保证数据的传输顺序。 UDP是一种轻权协议，处理开销小，适用于不需要可靠机制的情况，服务于应用层程序，如：NFS、TFTP等。图图8-6 UDP8-6 UDP数据报文格式数据报文格式现用的IP是32位的编码，是互联网的IPV4协议，可以提供约40亿个IP地址，由于Internel的迅速发展，现有的IP将面临地址枯竭的危机。IPv6被称作下一代互联网协议，它是用来替代现行的IPv4的一种新的IP协议， IPv6具有128

16、位编码。与IPv4相比，IPv6具有以下几个优势。 （1）IPv6具有更大的地址空间。 （2）IPv6使用更小的路由表。遵守聚类原则，用一条记录可表示一个子网，减小路由表长度，提高数据包转发速度。 （3）IPv6增加了增强的组播支持以及对流的支持，这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量控制提供了良好的网络平台。 （4）IPv6加入了对自动配置的支持。 （5）IPv6具有更高的安全性。 可以对数据进行加密，并对IP报文进行检验。问题四：路由器的结构、原理及路由协议路由器工作原理 因特网是以“存储转发”为核心通信机制的数据传输模型。在这种通信机制下，网络上流动的数据都是以数据包的形

17、式被发送、传输和接收处理的。 数据包在到达目的地之前，必须经过因特网上为数众多的通信设备或者计算机的层层转发、接力传递。 路由器是互联网上的主要节点设备，路由器在网络中正是起着路由查找和转发数据包的作用。 路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，主要完成两个功能：（1）寻找去目的网络的最佳路径，由路由协议完成；（2）转发分组，即对每一个经过路由器的分组都需要一系列操作，包括转发决策、交换分组、输出链路的调度等。 路由器包含硬件和软件两大部分。 硬件主要由中央处理器、内存、接口、控制端口等物理硬件和电路组成；软件主要指路由器的IOS操作系统。 1中央处理器中央处理器负责路由器的配置管理和数据包

18、的转发负责路由器的配置管理和数据包的转发 2内存内存（1）只读存储器（）只读存储器（ROM）（2）闪存（）闪存（Flash）（3）非易失性）非易失性RAM（NVRAM）（4）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM） 3接口接口 4控制台端口控制台端口管理员利用终端与路由器进行通信，完成路由器配置管理员利用终端与路由器进行通信，完成路由器配置 5辅助端口辅助端口远程管理远程管理1、路由表 路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。 选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。 为了完成路由，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路径表

19、，供路由选择时使用。 路由表的构成如表8-2所示。目的IP地址掩码端口下一跳地址路由费用路由类型状态表表8-2 8-2 路由表的构成路由表的构成2路由器分组转发过程 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IP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，它要根据路由表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“缺省网关”的路由器上。 路由器转发IP分组时，只根据目的IP地址的网络号，选择合适的端口，把IP分组送出去。3路由协议 典型的路由

20、选择方式有两种：静态路由和动态路由。 静态路由是路由器中设置的固定的路由表，具有简单、高效、可靠的特点，适用于规模不大，拓扑结构固定的网络，静态路由的优先级最高。 动态路由是根据路由器之间的相互通信，根据路由信息更新的路由表。适合网络规模大，拓扑结构复杂的网络。 静态路由和动态路由自有自己的特点，在寻径时，路由器先查找静态路由，再查找动态路由。4路由算法 路由算法在路由协议中起着至关重要的作用，采用何种算法往往决定了最终的寻径结果，因此选择路由算法一定要仔细。 通常需要综合考虑以下几个设计目标。 （1）最优化 选择最佳路由的能力 （2）简洁性 算法简洁，用最少的软件和开销，提供最好效能 （3）

21、坚固性 在各种网络环境下均可以正常运行 （4）快速收敛 最佳路由的选择上所有路由器达到一致 （5）灵活性 路由器可以快速、准确适应各种网络环境问题五：IP交换的定义、IP与ATM融合模型、IP交换的工作原理IP交换技术 ATM交换具有带宽高、交换速度快和服务质量保证的特点，而IP交换具有易于实现异种互联网的互连，对延迟、带宽等要求不高的特点。宽带网的发展方向是将最先进的ATM和最普遍的IP交换结合起来，形成一种新的交换方式。IP交换就是Ipsilon提出的一种在ATM网上传送IP分组的技术。所谓IP交换，就是利用第2层交换作为传送IP分组通过一个网络的主要转发机制的一组协议和机制。IP与ATM

22、的比较及相结合的模型 1IP与ATM特 性IPATM连接方式无连接面向连接信息传送最小单位可变长度分组固定长度信元（53byte）交换方式数据报方式ATM方式路由方向单向双向组播多点到多点点到多点服务质量保证尽力而为根据不同业务提供不同服务质量保证成本低高发展推动力市场驱动技术驱动表表8-3 8-3 IPIP与与ATMATM的特性比较的特性比较2IP与ATM融合模型 根据IP与ATM融合方式的不同，其实现的模型可分为两大类：重叠模型和集成模型。 （1）重叠模型 IP（第3层）运行在ATM（第2层）之上，IP选路和ATM选路相互独立。系统运行两种选路协议。 符合重叠模型的主要技术包括ATM上的传

23、统IPOA，局域网仿真（LANE）和ATM上的多协议（MPOA）等。 重叠模型的优点是复杂度较低，成熟程度较高，与ATM网络及业务兼容，对将来通信网向B-ISDN方向发展比较有利。但从目前的应用看来，存在传送IP包的效率较低，地址和路由功能重复等缺点。（2）集成模型 集成模型是将IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交换中形成的一体化平台。 与重叠技术不同，在集成模型实现中，它将ATM单元实体与ATM网络地址分配策略和路由选择协议分离；ATM层被看作是IP层的对等层，ATM网络实体采用与IP协议完全相同的协议体系和地址分配策略；ATM系统仅需要分配IP地址，网络中则采用IP选路技术，不再需要A

24、TM的地址解析规程。特 性重 叠 模 型集 成 模 型地址二套（IP和ATM地址）一套（IP地址）选路协议IP和ATM选路协议IP选路协议地址解析功能需要不需要ATM信令需要不需要IP映射至直通连接专用协议不需要v需要实例IPOA、LANE、MPOAIP交换、标记交换、ARIS、MPLS表表8-4 8-4 重叠模型与集成模型技术特点的比较重叠模型与集成模型技术特点的比较3IP交换中的流 流是IP交换的基本概念，流是从ATM交换机输入端口输入的一系列有先后关系的IP包，它将由IP交换机控制器的路由软件来处理。 IP交换的核心是把输入的数据流分为两种类型。 （1）持续期长、业务量大的用户数据流,包

25、括文件传输协议（FTP）、远程登录（Telnet）、HTTP数据、多媒体音频、视频等数据。 （2）持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据流,包括域名服务器（DNS）查询、简单邮件传输协议（SMTP）数据、简单网络管理协议（SNMP）查询等。 IP交换可提供两种信息传送方式，一种是ATM交换式传输，另一种是基于hop-by-hop方式的传统IP传输。 采用何种方式取决于数据流的类型，对于连续的、业务量大的数据流采用ATM交换式传输，对于持续时间短的、业务量小的数据流采用传统IP传输技术，IP交换是基于数据流驱动的。 IP交换机是IP交换的核心，它由IP交换控制器和ATM交换器两部分构成。IP交换的工作原理 IP交换机通过传统的IP方式和通过ATM交换机的直接交换方式来实现IP分组的传输其工作过程可分为4个阶段。（1）默认操作与数据流的判别 系统开始运行时，输入端口输入传统的封装在信元中的IP数据包，通过默认的通道传送到IP交换机，由IP交换控制器将信元中的信息重新组合成IP数据分组。 按传统IP选路方式在第3层进行存储转发，在输出端口拆分为信元，在默认的通道传送。 IP交换控制器中的流识别软件对数据流进行判别，对于连续、业务量大的数据流，进行ATM交换；对于持续时间短、业务量小的数据流，采用传统IP的“存储转发”方式。（2）向上