交换机路由器课件(初版)

计算机路由器专题计算机网络结构交换机专题路由器专题计算机网络结构

1.OSI参考模型2.网络分类3.网络拓扑4.网络传输介质5.计算机网卡1.OSI参考模型1.1

OSI参考模型概述1.2OSI参考模型的各层1.3

TCP/IP参考模型1.1OSI参考模型概述

第7层应用层Application第6层表示层Presentation第5层会话层Session第4层传输层Transport第3层网络层Network第2层数据链路层DataLink第1层物理层Physical1.2OSI参考模型各层物理层数据链路层网络层传输层5~7层OSI/RM模型层次结构物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

由低层到高层提供物理链路，实现比特流的透明传输。

为数据〔帧〕块发送提供必要的同步、过失控制和流控制。数据传输的根本单位是帧。为更高层次提供独立于数据传输和交换技术的系统连接，并负责建立、维持和结束连接。传输的根本单位是分组。为不同系统的会晤实体建立端--端之间透明、可靠的数据传输，并提供端点间的错误校正和流控制。传输的根本单位是报文提供给用进程在数据表示〔语法〕差异上的独立性提供给用户对OSI环境的访问和分布式信息效劳。应用层以下各层均通过应用层向应用进程提供效劳为应用程序间的通信提供控制结构，包括建立、管理、终止连接〔任务〕1.2.1物理层通过物理传输比特〔bit〕流中继器和集线器建立、维护和取消物理连接1.2.2数据链路层将比特信息加以组织封装成数据帧〔Frame〕通过使用接收系统的硬件地址或物理地址来寻址硬件地址或物理地址〔即MAC地址〕两个子层媒体访问控制〔MAC〕逻辑链路控制〔LLC〕网卡、网桥和交换机1.2.4网络层基于网络层地址进行不同网络系统间的路径选择网络层地址〔IP地址〕分割和重新组合数据包〔Packet〕过失检验和可能的修复可能的数据流量控制路由器1.2.4传输层在不同物理节点上的应用程序间建立连接以传输数据将数据组织成数据段〔Segment〕连接类型类型面向连接(Connection-oriented)无连接(Connectionless)用一个寻址机制来标识一个特定的应用程序传输层地址〔即端口号〕1.2.55~7层会话层建立、管理和终止会话表示层系统的应用层送出的信息可被另一个系统的应用层所读取利用一种公用的信息表示格式翻译多种信息数据表示、数据平安、数据压缩应用层网络效劳与使用者应用程序间的一个接口1.2.6数据传输的封装和封装1.3TCP/IP参考模型3.1.1TCP/IP与OSI的对应3.1.2TCP/IP参考模型的各层TCP/IP与OSI的对应TCP/IP模型也称为互联网参考模型，虽然它与OSI模型各有自己的结构，但是大体上两者仍能相互对照，如图3-9所示。TCP/IP模型由四个层次组成，下面介绍它们的功能。1．网络接口层2．网际层3．传输层3.应用层1.3.2TCP/IP参考模型的各层第1层：网络接口层(NetworkInterface)网络接口层对应OSI物理层和数据链路层并实现与它们相同的功能，其中包括LAN和WAN的技术细节。这一层也称为主机到网络层(Host-to-Network)。1.3.3TCP/IP参考模型的各层第2层：互联网络层(internet)互联网络层的目的是运送数据包，将数据从任何在相连的网络上送到目的地，而不在乎走的是哪个路径或网络。管理这层的特定协议称为互联网络协议(IP)。最正确的路径选定和数据包交换都发生在这层。1.3.4TCP/IP参考模型的各层第3层：传输层(Transport)传输层负责处理有关效劳质量等事项，如可靠度、流量控制和错误校正。该层可以提供不同效劳质量、不同可靠性保证的传输效劳，并且协议发送端和目标端的传输速度差异。这一层也称为主机到主机层(Host-to-Host)。1.3.5TCP/IP参考模型的各层

第4层：应用层(Application)应用层包括会话层和表示层的功能，用来建立应用层来处理高层协议、有关表达、编码和会话控制。TCP/IP将所有应用程序相关的内容都归为一层，并保证为下层适当的将数据封装成数据包。2网络的分类2.1按照地理范围分类2.2按照管理方式分类2.4按照数据传输方式分类2.1按照地理范围分类局域网(LocalAreaNetwork,LAN)覆盖范围一般不超过数十公里，通常是一幢建筑物内、相邻的几幢建筑物之间或者是一个园区的网络。

广域网(WideAreaNetwork,WAN)

覆盖范围通常为数百公里到数千公里，甚至数万公里，可以是一个地区或一个国家，甚至世界几大洲或整个地球。

城域网(MetropolitanAreaNetwork,MAN)

覆盖的地理范围介于局域网和广域网之间，通常为数十公里到数百公里的一座城市内。2.1按照地理范围分类2.2按照管理方式分类对等网(PeertoPeer)通常是由很少几台计算机组成的工作组。对等网采用分散管理的方式，网络中的每台计算机既作为客户机又可作为效劳器来工作，每个用户都管理自己机器上的资源。客户机/效劳器网(Client/Server)网络的管理工作集中在运行特殊网络操作系统效劳器软件的计算机上进行，这台计算机被称为效劳器，它可以验证用户名和密码的信息，处理客户机的请求。而网络中其余的计算机则不需要进行管理，而是将请求通过转发器(Redirector)发给效劳器。2.2按照管理方式分类2.4按照数据传输方式分类播送网络(BroadcastingNetwork)网络中的计算机或设备通过一条共享的通信介质进行数据传播，所有节点都会收到任何节点发出的数据信息。这种传输方式主要应用于局域网中。播送网络中有三种传输类型：单播、组播和播送。在IPv6协议中还有另一种传输类型：任意播。 点对点网络(PointtoPointNetwork)网络中的计算机或设备通过单独的链路进行数据传输，并且两个节点间都可能会有多条单独的链路。这种传播方式主要应用于广域网中。播送网络的三种类型3网络拓扑结构

3.1

总线拓扑3.2

星形拓扑3.3

环形拓扑3.4

网状拓扑3.5

混合拓扑3.6

蜂窝拓扑3.1总线拓扑3.2星形拓扑3.3环形拓扑3.4网状拓扑3.5混合拓扑4网络传输介质

4.1

双绞线概述4.2同轴电缆4.3光纤4.1双绞线概述4.1.1双绞线的两种类型4.1.2双绞线的结构4.1.3双绞线的颜色4.1.4双绞线的接头(RJ45)4.1.5双绞线的线材等级4.1.1

双绞线的两种类型非屏蔽双绞线(UnshieldedTwisted-Pair,UTP)屏蔽双绞线(ShieldedTwisted-Pair,STP)比UTP多一层屏蔽层

4.1.2双绞线的结构(1)

4.1.2双绞线的结构(2)4.1.3双绞线的颜色序号12345678颜色橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕

4.1.4双绞线的接头(RJ45)正面侧面双绞线的线材等级类别最大传输速度应用1类2Mbit/s模拟和数字语音(电话)通信以及低速的数据传输。2类4Mbit/s语音、ISDN和不超过的4Mbit/s的局域网数据传输。3类16Mbit/s不超过16Mbit/s的局域网数据传输。4类20Mbit/s不超过20Mbit/s的局域网数据传输。5类100Mbit/s100Mbit/s距离100米的局域网数据传输。E5类1000Mbit/s1000Mbit/s的局域网数据传输6类2.4Gbit/s1000Mbit/s以上的的局域网数据传输。※制作和测试双绞线(UTP)准备工具和材料连接UTP和RJ45接头制作和测试直通缆(参见第四章)制作和测试交叉缆(参见第四章)准备工具和材料UTP压线钳RJ45接头护套简易测线仪连接UTP和RJ45接头(1)

连接UTP和RJ45接头(2)

连接UTP和RJ45接头(3)4.2同轴电缆4.2.1同轴电缆的结构4.2.2同轴电缆的分类和技术标准4.2.3同轴电缆的结构同轴电缆的类型和技术标准类型技术标准细缆粗缆直径0.25英寸0.5英寸传输距离185m500m接头螺旋形BNC头(端接)T形头(分接)AUI阻抗50Ω50Ω应用的局域网类型10Base2(细缆以太网)10Base5(粗缆以太网)4.3光纤4.3.1光纤的结构4.3.2光纤的尺寸4.3.3光纤的类型4.3.4光纤通信系统4.3.1光纤的结构4.3.2光纤的尺寸描述光纤尺寸的参数有两个：内芯直径和反射层直径，其度量单位都为微米(μm,1μm=1×10-6m)。最细的光纤其内芯直径通常只有5~10μm，粗一些的光纤其内芯直径为50~100μm。局域网中最常用的光纤是62.5μm/125μm的光纤，其中62.5μm是内芯直径，而125μm是反射层的直径。4.3.3光纤的类型多模光纤(MultimodeFiber,MMF)光信号不止一种波长，典型的多模光纤尺寸为62.5μm/125μm单模光纤(SinglemodeFiber,SMF)光信息只有一种波长，典型的单模光纤尺寸为8μm/125μm4.3.3光纤的类型4.3.4光纤通信系统第2局部网络互联设备2.1中继器和集线器2.2网桥2.4

交换机2.4路由器2.5网关2网卡的MAC地址存在形式由网卡的生产厂商固化在每块网卡只读存储器(ROM)中。作用计算机或设备之间进行通信时，需要使用MAC地址格式MAC地址由48位二进制数组成，使用12个十六进制数字来表示，如00-80-C8-EF-D2-C3。2MAC地址IEEE的注册管理委员会RAC是局域网全球地址的法定管理机构，负责分配地址字段6个字节中的前三个字节。IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位表示单一地址或组地址。IEEE规定地址字段的第一个字节的次最低位表示全球地址或局部地址。网卡从网络上受到MAC帧的处理方法，MAC帧的三种目的地址：单播、播送、多播。2Ethernet地址结构Ethernet地址网络物理地址;Ethernet地址=ManufactureID+NICID24bit24bit

公司：Cisco00-00-0cNovell00-00-1B00-00-D83Com00-20-AF

00-60-8CIBM08-00-5A典型的Ethernet地址：

00-60-8C-01-28-12

Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡；2.1.1中继器的功能中继器(Repeater)最简单的互连设备。它工作在OSI模型的物理层，用于扩展LAN网段的长度，延伸信号传输的范围，例如可加大线缆的传输距离。中继器可以连接不同类型的线缆。2.1.2中继器的功能中继器的工作就是重发bit，将所收到的bit信号进行再生和复原并传给每个与之相连的网段。中断器是一个没有鉴别能力的设备，它会精确的再生所收到的bit信号包括错误信息，而且再生后传给每个与之相连网段而不管目的计算机是否在该网段上。但是，中继器的速度很快且时延很小。2.1.3集线器的功能

集线器(Hub)其实是一个具有多个端口的中继器。它可以集中网络连接，可以重发bit信号。最常用的集线器是连接以太网中计算机的集线器，线缆从单个节点的NIC连接到中心集线器。一般8~24个端口。其他类型的集线器包括用于令牌环网络的多站接入单元(MAU/MSAU)等。中继器和集线器

MACaMACbMACcPORT1PORT2PORTNbbbACB2.1.4集线器根本工作流程2.1.5集线器的应用与计算机直接连接与集线器形成堆叠与集线器形成级联2.1.6集线器的安装购置集线器选择安装位置识别接口和指示灯连接电源连接集线器和计算机集线器互相连接2.2网桥和交换机

2.2.1网桥的功能2.2.2网桥的工作原理2.2.4交换机的功能2.2.4交换机与集线器的区别交换机的类型交换机的根本工作流程网段的形成交换环境下的播送2.2.9网桥同交换机的比较冲突域在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧播送域网络中能接收任一设备发出的播送帧的所有设备的集合。播送：指数据帧发给所有的节点2.2.1网桥的功能

网桥(Bridge)工作在OSI模型的数据链路层，可以用于连接具有不同物理层的网络，如连接使用同轴电缆和UTP的网络。网桥是一种数据帧存储转发设备，它通过缓存、过滤、学习、转发和扩散等功能来完成操作。

网桥的作用分割网段减少冲突网桥2.2.2网桥的工作原理(1)

缓存：网桥首先会对收到的数据帧进行缓存并处理

过滤：判断入帧的目标节点是否位于发送这个帧的网段中，如果是，网桥就不把帧转发到网桥的其他端口

转发：如果帧的目标节点位于另一个网络，网桥就将帧发往正确的网段2.2.2网桥的工作原理(2)

学习：每当帧经过网桥时，网桥首先在网桥表中查找帧的源MAC地址，如果该地址不在网桥表中，则将有该MAC地址及其所对应的网桥端口信息参加数据帧要去往的目标MAC地址使用的网桥端口MACA端口3MACB端口2MACC端口12.2.2网桥的工作原理(2)

扩散：如果在表中找不到目标地址，则按扩散的方法将该数据发送给与该网桥连接的除发送该数据的网段外的所有网段。又称为扩散泛洪〔flooding〕。2.4交换机交换机交换机的功能地址学习转发/过滤防止回路交换机的功能交换机(Switch)其实是更先进的网桥，它除了具备网桥的所有功能外，还通过在节点或虚电路间创立临时逻辑连接，使得整个网络的带宽得到最大化的利用。通过交换机连接的网段内的每个节点，都可以使用网络上的全部带宽来进行通信，而不是各个节点共享带宽。交换机的特性交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域交换机所连接的设备仍然在同一个播送域内，也就是说，交换机不隔绝播送〔惟一的例外是在配有VLAN的环境中〕交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备交换机的分类

直通式存储转发转发速度快延迟固定转发错误帧转发速度慢延迟可变转发前校验

Frame

Frame

Frame

Frame交换机与集线器的区别交换机的并行程度更高，不同于集线器的共享带宽。8口集线器(100Mbps)与8口交换机(400Mbps)的带宽比较。交换机的缓存能力更强交换机的智能化程度更高交换机具有支持虚拟局域网(VLAN)的能力不可管理交换机不具备可管理性，没有CPU或集中管理芯片，只是并行程度、吞吐能力等优于集线器。可管理式交换除了具有不可管理交换机的全部功能，还带有CPU或集中管理芯片，可以支持VLAN及SNMP管理，又称为智能型交换机。交换机的类型二层交换机二层交换技术是开展比较成熟，二层交换机属数据链路层设备，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地址表中。三层交换机就是具有局部路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的效劳的，能够做到一次路由，屡次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而象路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。传统交换技术是在OSI网络标准模型第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发，既可实现网络路由功能，又可根据不同网络状况做到最优网络性能。MACaMACbMACdPORT1PORT2PORTNMACcPORT1PORT2PORT2MACaMACbMACcPORTNMACdMACTABLEbbbADCB交换机的根本工作流程PORT1PORT2PORTN网段1网段3网段2ABCDcPORT1PORT2PORT2MACaMACbMACcPORTNMACdMACTABLE网段的形成PORT1PORT2PORTN网段1网段3网段2ABCDPORT1PORT2PORT2MACaMACbMACcPORTNMACdMACTABLExx=MAC“FFFFFFFFFFFF未知或广播xx透明网桥相当于交换环境下的播送交换机的地址学习以太网交换机通过内部的MAC地址表做出转发/过滤的决定MAC地址表存放在交换机的RAM中初始的MAC地址表为空MACaddresstable0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD交换机的地址学习〔续〕交换机的接口收到数据帧后，查找MAC地址表，如没有相应的表项，交换机将该数据帧泛洪〔flood〕到所有其它的接口上通过读取帧中的源MAC地址，交换机将端口及其连接的主机映射起来，放入MAC地址表0260.8c01.4444MACaddresstable0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.3333E0E1E2E3DCBA交换机的地址学习(续〕如果交换机连接的所有主机都发送过数据帧，就可以建立起一个完整的MAC地址表，交换机将据此做出转发/过滤的决定MAC地址表是动态变化的，如果在一定时间内某一主机没有新的数据帧发送，则相应的表项将被清除0260.8c01.3333E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E2:0260.8c01.4444MACaddresstable0260.8c01.11110260.8c01.2222E0E1E2E3DCBA0260.8c01.4444交换机的转发与过滤如果数据帧的目的MAC地址在MAC地址表中有相应的表项，则交换机将该数据帧直接发往对应的接口，从而保证其它接口上的主机不会收到无关的数据帧播送帧和组播帧仍将被泛洪〔flood〕到除接收接口以外的所有其它接口0260.8c01.33330260.8c01.22220260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.44440260.8c01.1111E0E1E2E3DCABMACaddresstable网桥同交换机的比较一般用做网段互连可连PC或网段网桥交换机基于软件实现转发基于硬件实现转发单个生成树多个生成树通常不超过16个端口可多至数百个端口2.4路由器

路由器的功能路由器的工作原理路由器根本工作流程路由器对播送的控制路由与交换的比较2.4.1路由器的功能

路由器(Router)工作在OSI模型的网络层，因此可以连接1层和2层结构不同的网络。路由器通过在相邻的路由器节点之间进行路径选择(即路由)功能，通过最正确的路径来传送数据包。隔离播送，阻止播送风暴。所有通过路由器连接的网络必须使用相同的寻址机制(通常使用IP地址)。路由器路由器简介隔绝播送，划分播送域通过路由选择算法决定最优路径转发基于三层地址的数据包〔网络层设备〕其他功能10.120.2.0172.16.1.02.4.2路由器的工作原理(1)

与网桥和交换机使用帧中的MAC地址转发帧相比较，路由器是通过数据包中的网络层地址(如IP地址)来转发数据包的，不对MAC地址进行操作。因此，在用路由器连接的网络上，源节点不需要知识目的节点的MAC也能够找到它。2.4.2路由器的工作原理(2)

与网桥和交换机类似，路由器的内存中也存有一个表，叫做路由表(RoutingTable)，其中记录的是数据包地址(网络层地址)和物理端口号的对应关系。路由器根据路由表来转发数据包。如果包中的目标地址与源地址在同一个网段内，路由器就数据流限制在那个网段内，不转发数据包；如果目标地址在另一个网段，路由器就把包发送到与目标网段相对应的物理端口上。PORT1PORT2PORTN子网：192.0.1.XXXABCD子网：192.4.96.XXX子网：192.2.16.XXXPORT1PORT2PORTNROUTETABLE192.0.1.XXX192.2.16.XXX192.4.96.XXXaaIP:aaMAC:aIP:ccMAC:caa播送域：路由器每个端口是一个播送域交换机所有端口都属于同一个播送域2.4.3路由器根本工作流程aaaaPORT1PORT2PORTN子网：192.0.1.XXXABCDPORT1PORT2PORTNROUTETABLE子网：192.4.96.XXX子网：192.2.16.XXX192.0.1.XXX192.2.16.XXX192.4.96.XXXIP:aaMAC:aIP:ccMAC:c广播广播域2.4.4路由器对播送的控制IP路由的工作方式依据路由表转发路由表包含路由器直连的网络和学习到的目的网络RoutedProtocol:IP

Network

ProtocolDestination

NetworkExitInterfaceE0

S010.120.2.0

172.16.1.0

Connected

Learned

172.16.1.010.120.2.0S0E0静态路由与动态路由静态路由

人工配置在很少或只有一个路径时有用经常用于缺省路径可能会增加管理负担动态路由

由路由协议依据网络变化自动修改路由信息路由协议在路由器间交换彼此的了解的路径信息周期性的更新或在网络变化时立刻更新，以得到最新的路径内部与外部网关路由协议自治系统〔AutonomousSystem〕：在同一公共路由选择策略和公共管理下的网络集合，如一个ISP的网络内部网关协议〔IGP〕：在自主系统内交换路由信息外部网关协议〔EGP〕：在自治系统间交换路由信息AutonomousSystem100AutonomousSystem200IGPs:RIP,IGRPEGPs:BGP距离矢量路由协议周