《计算机网络技术基础 》（王崇刚）教案 （理论部分） 网络互联技术（二）网络互联设备

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课题局域网技术（二）——网络互联设备课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握中继器、集线器的作用、特点与用途（2）掌握网桥的作用、特点与类别（3）掌握网关的作用与分类（4）掌握二层交换机与三层交换机的作用思政育人目标：体会网络互联技术的发展为现实生活带来的巨大改变，帮助学生增长知识、丰富见识，培养学生珍惜学习时光的习惯，鼓励学生努力追求真理的科学精神，为实现民族复兴的伟大愿望而奋斗。教学重难点教学重点：网络互联设备：中继器、集线器、网桥、网关教学难点：在不同层次选择正确的网络互联设备教学方法问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、文旌课堂APP教学设计第1节课：2传授新知（30min）6第2节课：传授新知（30min）课堂小结（3min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】引入新课以前的课程当中我们学习到了OSI参考模型以及TCP/IP模型两种计算机网络的体系结构，上节课我们又介绍到了网络互联介质，我们把它们比喻为网络传输的公路，那么请大家回忆一下，这些网络互联介质的传播距离是无限的嘛？当距离过远时我们通常采用哪些技术手段呢？本节课我们就来重点学习网络传输的“驿站”网络互联设备。【学生】聆听、观看、思考、讨论【教师】通过学生的回答引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（30min）【教师】结合教材讲解网络互联设备根据OSI参考模型的层次结构，网络互连的层次与相应的互连设备如图所示。一、中继器、集线器物理层与物理层之间的互连属于同一个局域网内的计算机之间的互连，可以通过中继器和集线器实现。1．中继器中继器又称为转发器，是最简单的网络互连设备。（1）工作原理中继器执行物理层协议，实现电气信号的“接收—放大—整形—发送”。（2）用途中继器常用于在两个网络节点的物理层之间按比特位双向传递物理信号，完成信号的复制、调整和放大功能，以扩大数据的传输距离。（3）特性①中继器的两端连接的只是网段，而不是子网。②不能用于隔离网段之间的不必要的流量。③不能互连不同类型的网络。④在放大了网络上有用信息的同时，也放大了有害的噪声。（4）参数支持100Mbps、155Mbps、1000Mbps以太网，可广泛应用于局域网、广域网的互连及数据通信领域。✈【教师】提出问题，课堂互动思考：搜索光纤中继器的应用案例，并简单描述。✈【学生】聆听、思考、回答问题（5）“5-4-3”规则①通常在一个网络中，最多可以分为5个网段②其中用4个中继器连接③只允许在其中3个网段包含计算机或设备，其他2个网段只能用于延长传输距离。（6）类型①双口中继器②多口中继器③多路复用器④模块转发器⑤缓冲转发器（7）联网示意图✈【教师】提出问题，课堂互动思考：分析中继器的优缺点。✈【学生】聆听、思考、回答问题2．集线器集线器，俗称HUB，是一种具有多个转发端口的特殊中继器。（1）主要功能对接收到的信号进行再生、整形、放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。（2）优点：某条线路产生故障时并不影响其他线路的工作。（3）缺点：①网络的安全性和可靠性低②端口带宽低（4）联网示意图（5）用途：主要用于共享网络的组建，是解决从服务器直接到桌面最经济的方案。✈【教师】提出问题，课堂互动思考：对比中继器与集线器说明不同之处。✈【学生】聆听、思考、回答问题二、网桥和二层交换机1．网桥网桥也叫桥接器，是连接两个或多个在数据链路层以上具有相同或兼容协议的局域网的一种存储—转发设备。网桥在局域网互连中，起到数据接收、地址过滤（不传输本网段内的信息）与数据转发的作用。（1）网桥的功能和特点①能将一个较大的局域网分割为多个较小的局域网，进而分隔较小局域网之间的广播通信量，有利于提高互连网络的性能与安全性。②网桥能将两个以上相距较远的局域网互连成一个大的逻辑局域网，使局域网上的所有用户都可以访问服务器，扩大网络的范围。③网桥可以互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质或不同传输速率的网络，但这两个网络在数据链路层以上应采用相同或相兼容的协议。④网桥以“存储—转发”的方式实现互连网络之间的通信。（2）网桥的分类根据网桥工作原理的不同，可以将网桥分为透明网桥和源路由网桥：①透明网桥是指网桥对于通信双方完全是透明的。在透明网桥中，所有的路由选择全部由网桥自己确定，局域网上各节点不负责路由选择。数据处理方式：采用“学习、泛洪、过滤、转发和老化”的方式处理数据帧。（详见教材）②源路由网桥路由选择由发送帧的源节点负责，即源路路由网桥要求信息源（不是网桥本身）提供传递帧到终点所需的路由信息。工作原理：源节点在发送帧时，需要将详细的路由信息放在帧的首部，网桥只需要根据数据帧中的路由信息进行存储和转发即可。应用：源路由网桥在理论上可用于连接任何类型的局域网，但主要用于互连令牌环网。（3）网桥的局限性（1）网桥互连的多个网络要求在数据链路层以上的各层采用相同或相兼容的协议。（2）网桥要处理接收到的数据信息，需要先存储，再查找MAC地址与端口的对应记录表，因此增加了时延及数据的传输时间，降低了网络性能。（3）网桥不能对广播分组进行过滤，因此对于避免广播风暴，网桥无能为力。（4）网桥没有路径选择能力，不能对网络进行分析并选择数据传输的最佳路由。✈【教师】提出问题，课堂互动思考：网桥在实际应用中需要注意哪些问题。✈【学生】聆听、思考、回答问题2．二层交换机二层交换机工作于OSI参考模型的第二层，其本质是网桥，所以又可以称为多端口网桥。（1）特性①工作在数据链路层，是基于MAC地址的找表、转发。②具有帧转发、帧过滤和生成树算法功能。（2）功能①物理编址②构建网络拓扑结构③错误校验④传输数据帧序列⑤流量控制3．交换机与集线器的区别（1）工作层次不同：集线器属于OSI参考模型的物理层设备，而交换机属于数据链路层设备。（2）工作方式不同：集线器采用的是广播模式，容易产生广播风暴；而交换机工作时，只有发出请求的端口和目的端口之间进行通信，并不会影响其他端口，这种方式隔离了冲突域，有效抑制了广播风暴的产生。（3）端口带宽使用方式不同：集线器的所有端口共享带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据；而交换机的每个端口独享自己的固定带宽，既可以工作在半双工模式下，也可以工作在全双工模式下。【学生】聆听、思考、记忆通过教师的讲解和演示，帮助学生掌握双绞线的组成结构与传输特性、掌握双绞线的分类与特点以及掌握同轴电缆的分类与特点课堂互动（6min）【教师】提出问题，要求学生讨论并回答问题思考交换机与集线器的区别。【学生】思考、讨论、回答问题通过练习题巩固所学知识，加深对知识点的理解评价修正（2min）【教师】点评学生的回答，并总结、巩固知识点【学生】聆听、思考、记忆通过形成性检测进行强化矫正第二节课问题导入（5min）【教师】引入新课在上节课中我们主要学习了物理层的网络互联设备中继器和集线器，以及数据链路层的网络互联设备交换机和网桥，在讲解本次课程我们将继续学习网络层的互联设备路由器以及三层交换机，学习之前请同学们回忆一下：思考：物理层、数据链路层的网络互联设备的优缺点【学生】聆听、思考、回答问题通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知（30min）【教师】结合教材讲解路由器和三层交换机一、路由器1．定义路由器（router）是一种连接多个相同或不同类型网络的网络互连设备。它具有按某种准则自动选择一条到达目的子网的最佳传输路线的能力，用来连接两个及以上复杂网络。2．路由器的组成（以QuidwayR2621路由器为例）路由器由硬件和软件组成。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。（1）硬件组成从硬件的角度看，路由器是一台连接两个或多个网络的专用计算机，它是用于在与它相连接的各个网络之间传送数据的专用的高性能计算机。CPU处理器；RAM存储器（存储正在运行的配置文件）；FLASH存储器（负责保存OS的映像和路由器的微码）；NVRAM存储器（保存配置文件）；ROM存储器（加载OS）；接口（完成路由器与其它设备的数据交换）。（2）软件主要由路由器的IOS操作系统和各种网络运行参数所组成。BOOTROM（主要功能是路由器加电后完成有关初始化工作，并向内存中加入操作系统代码）；VRP（通用路由平台）（3）典型的路由器结构✈【教师】提出问题，课堂互动思考：简述路由器的作用。✈【学生】聆听、思考、回答问题3．路由器的功能路由器的作用就是完成这些子网之间的数据传送，它从一个子网接收输入的分组，然后向另一个子网转发。（1）路由选择：路由是指路由器接收到数据时，选择最佳路径将数据穿过网络传递到目标地址的行为。（2）连接网络：路由器既可以将不同类型的网络连接起来，又可以将局域网连接到Internet。（3）划分子网：路由器可以从逻辑上把网络划分成多个子网段，对数据转发实施控制。（4）隔离广播：自动过滤网络广播，避免“广播风暴”。4．路由器的工作原理（1）路由表路由表是工作在网络层实现子网之间数据转发的核心组件。①格式目的地址和掩码：整个表的关键字，指出目的网络地址。转发地址：下一跳路由器的地址，转发地址字段可能是连接到网络的接口地址。接口：指出数据转发所使用的路由器接口信息，一般为端口号或其他逻辑标识符。标识：用于说明路由的类型和情况。H：主机路由，即该路由项指明到一台具体的主机G：转发地址是一个有效的下一跳路由器的地址；C：下一跳是与本站直接相连的；S：该路由表项是静态的；O：该路由表项是通过OSPF路由协议得到的。R：是通过RIP协议得到5．路由器的工作过程举例（详见教材）在查找路由表时，要求使用最佳匹配原则。（2）IP数据报的转发过程（案例详见教材）IP数据报转发的过程可以总结如下：（详见教材）①IP数据包到达网络层之后，首先根据目的IP地址得到目的网络号，然后决定是直接交付还是转发数据包。如果网络号不匹配，需要转发数据包，则跳到3）；②将数据包转发给目的主机；③根据目的IP地址在路由表（转发表）中查找下一跳IP地址；④在路由器的ARP高速缓存表中查找下一跳IP地址对应的MAC地址，如果找到下一跳路由器的MAC地址，则将查到的MAC地址填入数据帧的首部6字节（即更新链路层的数据帧）；如果ARP高速缓存表中不存在此IP地址，则通过向当前局域网内广播一个ARP分组来请求下一跳路由器的MAC地址。⑤根据得到的下一跳路由器MAC地址来更新数据链路层的数据帧，即帧头的目的MAC地址字段；⑥转发数据包。✈【教师】提出问题，课堂互动源主机如何判断目的主机是否与自己在同一个网络中？✈【学生】聆听、思考、回答问题二、三层交换机三层交换机对数据包（或分组）的处理与传统路由器相似，它可以实现如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能。1．三层交换机的工作过程（详见教材）三层交换技术也称为IP交换技术或高速路由技术，三层交换机既可以完成数据交换功能，又可以完成数据路由功能。三层路由器的工作顺序就是：数据包进来—查看路由表—变换二层封装—数据包出去。三层交换机最突出的地方就是：（1）“一次路由，多次交换”；（2）第一次路由本质上找到了IP和接口的对应关系；（3）直接利用IP和接口的对应关系进行数据交换，省掉了查找路由表的环节。2．三层交换机与路由器的区别（1）主要功能不同。路由器的主要功能是路由功能，而三层交换机主要功能仍是数据交换。（2）处理数据的方式不同。路由器一般由基于微处理器的软件路由引擎执行数据包交换，采用最长匹配的方式，而三层交换机通过硬件执行数据包交换。（3）用途不同。在数据交换方面，三层交换机一般适用于数据交换频繁的相同协议局域网的互连。而路由器适用于局域网与广域网之间的连接、不同协议的网络之间的连接等。3．三层交换机的应用三层交换机作为核心交换设备，被广泛应用于校园网、城域教育网中。同一个局域网中各个子网的互联以及VLAN间的路由使用三层交换机；而局域网与公网之间的互联，则使用专业路由器。✈【教师】提出问题，课堂互动三层交换机是否可以完全取代路由？✈【学生】聆听、思考、回答问题【学生】聆听、思考、记忆【教师】结合教材讲解网关三、网关1．网关的作用（1）在互连的、不同结构的网络中的主机之间相互通信时，由网关完成这两种网络的数据报格式的相互转换，以实现不同网络协议的翻译和转换工作。（2）网关能够连接多个高层协议完全不同的局域网。因此，网关是连接局域网和广域网的首选设备。2．网关的分类按照网关的应用功能不同，网关可分为协议网关、应用网关和安全网关3种类型：（1）协议网关在多个使用不同协议及数据格式的网络间提供数据转换功能。（2）应用网关在使用不同数据格式的环境中进行数据翻译的专用系统。（3）安全网关安全网关是综合运用多种技术手段，能够对网络上的信息进行安全过滤以及控制的安全设备的总称。【学生】聆听、思考、记忆结合教材讲解帮助学生掌握路由器与三层交换机的相关内容课堂互动（5min）【教师】提供练习题，并找学生进行讲解1．源主机如何知道路由器的存在？2．路由器收到IP数据报后如何转发？思考、讨论、完成练习、讲解通过练习题巩固所学知识，加深对知识