北京郵電大學“局域網(wǎng)”聽課筆記（4－6章）

  第4章交換型以太網(wǎng)

本章首先介紹以太網(wǎng)從共享型到交換型的變遷，并介紹交換型以太網(wǎng)的特點和以太網(wǎng)交換器的工作原理。然后比較詳細地介紹以太網(wǎng)交換器的結構、交換方式、分類和典型應用。

4.1概述

1.共享型以太網(wǎng)：

（1）由網(wǎng)卡、集線器/中繼器、媒體三部分組成。整個系統(tǒng)的帶寬只有10Mbps，處在一個沖突域范圍。

（2）假設某系統(tǒng)共有n=20個節(jié)點，那么每個節(jié)點的帶寬則為：10Mbps/20=0.5Mbps.

（3）共享型以太網(wǎng)存在的問題是：

受到CSMA/CD的約束，一個碰撞域的帶寬是固定的；

在一個碰撞域的系統(tǒng)中，每個節(jié)點的帶寬為：系統(tǒng)帶寬/n；（n為節(jié)點數(shù)）

在一個碰撞域的系統(tǒng)中，可以是一個工作組，也可是多個工作組；

在多個工作組的碰撞域中，每個工作組的數(shù)據(jù)流廣播到系統(tǒng)中所有的站，安全性不

好。

覆蓋范圍受到限制。

2.交換型以太網(wǎng)：

可解決共享型以太網(wǎng)的不足。

4.2交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)的特點

4.2.1系統(tǒng)的特點

交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)中的交換型集線器，也稱以太網(wǎng)交換器，以其為核心連接站點或者網(wǎng)段。

交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）每個端口可以連接網(wǎng)段，也可連接站點。每個端口獨享10Mbps的帶寬；

（2）系統(tǒng)的最大帶寬可達到端口帶寬的n倍；

（3）交換器連接了多個網(wǎng)段，網(wǎng)段上運作都是獨立的，被隔離的。但如果需要的話，獨立網(wǎng)段之

間通過其端口也可建立暫時的數(shù)據(jù)通道。

（4）被交換器隔離的獨立網(wǎng)段上數(shù)據(jù)信息流不會隨意廣播到其它端口上去。

4.2.2以太網(wǎng)交換器工作的邏輯機理

特點：

（1）交換器上可同時多個數(shù)據(jù)通道并存；

（2）端口間既隔離又連接；

（3）上圖中共有30個數(shù)據(jù)通道，如果采用雙工的方式，同時最多可通15個數(shù)據(jù)通道；

（4）從上圖可看到，各端口信息流是被隔離的，如果要連通，必須進行控制，方可交互。

4.3以太網(wǎng)交換器的結構

共有四種不同的結構：

1.軟件執(zhí)行交換結構

2.矩陣交換結構

3.總線交換結構

4.共享存儲器交換結構

4.3.1軟件執(zhí)行交換結構

4.3.2矩陣交換結構

特點

（1）地址表：地址——輸入/輸出端口

（2）利用硬件交換，結構緊湊，交換速度快，時延?。?br>
（3）不易于簡單堆疊和集成。

（4）使用廣泛，如：ATM.

注意：

（1）當輸入端口與輸出端口相等時，不會發(fā)生阻塞；

（2）當輸入端口多于輸出端口時，就會發(fā)生阻塞；

（3）為避免幀的丟失，必須增加緩沖區(qū)。

4.3.3總線交換結構

總線交換結構的優(yōu)點：

1.便于疊堆擴展；

2.容易監(jiān)控和管理

3.容易實現(xiàn)幀的廣播；

4.容易實現(xiàn)多個輸入對一個輸出，即客戶機—服務器的方式。

4.3.4共享存儲器交換結構

特點：

（1）使用大量的高速RAM來輸入數(shù)據(jù)；

（2）輸入輸出會產(chǎn)生時延；

（3）交換器結構簡單；

（4）冗余結構比較復雜；

（5）適合小型交換器。

4.4以太網(wǎng)交換器的交換方式

4.4.1靜態(tài)交換與動態(tài)交換

1.靜態(tài)交換

端口間的通道連接是事先人工預定的。端口間并沒有實現(xiàn)網(wǎng)段的隔離。被稱為“端口交換機”。

2.動態(tài)交換

（1）是基于網(wǎng)橋工作機理的交換方式，根據(jù)透明網(wǎng)橋工作機理，動態(tài)交換端口間通道的形成是基于MAC地址的*作，根據(jù)輸入端口上幀的目的地址來查看交換器中自學習生成的端口——地址表后，就能決定端口間的連接，形成幀傳送通道。

（2）一次連接只能傳送一幀。

（3）動態(tài)交換方式又分為存儲轉(zhuǎn)發(fā)和穿通兩種方式。

4.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式

特點：

（1）交換時間長。每一幀必須全部接收完成后，才檢查地址，再送出去；還需要串/并轉(zhuǎn)換。

（2）可靠性高。輸入、輸出都要進行差錯檢驗。

4.4.3穿通交換方式

特點：

（1）當輸入端收到幀的開始6個字節(jié)后，交換器根據(jù)目的地址查端口——地址表，獲得輸出端地址后，就把整個幀導向輸出端口；縮短了時延。

（2）可靠性不高；

（3）適用于鏈路可靠性高的環(huán)境中。

（4）穿通交換方式/存儲轉(zhuǎn)發(fā)共用，先采用穿通交換方式，若鏈路可靠性差，則自動轉(zhuǎn)到存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。得到最大的交換器的效率。

4.5以太網(wǎng)交換器的分類

1.分類：

（1）單臺（不可堆疊）

（2）可堆疊集成

（3）廂體模塊

2.各類的使用

（1）單臺（不可堆疊）

只能單臺使用

（2）可堆疊交換器

可單臺使用多臺堆疊使用時，必須在外部附加一個集成裝置。

（3）廂體模塊

三個優(yōu)點

維修方便。每一個模塊可以熱插拔。

高可靠性。電源備份；可采用無源母板；有備用交換引擎。

系統(tǒng)集成和配置靈活。

4.6以太網(wǎng)交換器的典型應用

1.以太網(wǎng)應用的分類

（1）群組

（2）部門

（3）主干

群組部門主干

架構單臺可疊堆集成廂體模塊式

典型端口數(shù)8、12、2412-24，可成倍擴展12/模塊，可成倍擴展

端口傳輸率10/100Mbps10/100Mbps，1Gbps100Mbps，1Gbps

高速端口1~2個100Mbps1Gbps，ATM接服務器或干線1Gbps，ATM

支持其它網(wǎng)絡FDDI，ATM

支持L3路由可能支持可能支持

典型背板帶寬100~200Mbps4Gbps10Gbps以上

典型組網(wǎng)群組桌面聯(lián)網(wǎng)小型樓宇或園區(qū)系統(tǒng)干線大中型樓宇或園區(qū)系統(tǒng)

干線

2.各種典型應用

（1）群組

一般集中在一個辦公室，也可能在一個樓層，數(shù)據(jù)在一個小范圍交互。

在這類交換機中，必須設置高速端口（如100Mbps），客戶機獨享10Mbps或者共享集線器的10Mbps，也可在交換機和站點之間在配置一種稱為“端口交換機”的設備，“端口交換機”的設備采用靜態(tài)交換方式，可人工靈活組合站點共享端口的10Mbps帶寬。

（2）部門

對于小型樓宇或者小型園區(qū)的應用環(huán)境來說，除配置面向連接客戶站群組交換器外，還需配置組成系統(tǒng)干線的交換器。部門以太網(wǎng)交換器另一個特點是可堆疊以擴展交換器的端口和帶寬。

（3）主干交換器

在中、大型樓宇或園區(qū)應用環(huán)境中，一般配置功能很強、性能很好的主干交換器。主干交換器具

有廂式體架構。其模塊上端口傳輸率通常為100Mbps或1000Mbps.

有的廂體除支持以太網(wǎng)外，還可插入FDDI模塊，甚至還可插入ATM模塊，因此交換器背板帶寬可達10Gbps.

4.7全雙工以太網(wǎng)

4.7.1全雙工以太網(wǎng)技術的重要性

（1）雖然交換其本身工作已不受CSMA/CD的約束，但站點到交換器或交換器之間如果還采用半雙工以太網(wǎng)傳輸?shù)脑?，那么網(wǎng)段還是受到CSMA/CD的約束，使網(wǎng)段的媒體長度受到限制，尤其是在高速率情況下。

（2）鑒于以上情況，采用了全雙工以太網(wǎng)技術。

4.7.2全雙工以太網(wǎng)技術特點

（1）全雙工端口上采用兩根傳輸線，收發(fā)分開；

（2）全雙工以太網(wǎng)不受沖突域的限制，只于媒體衰耗有關；

（3）全雙工以太網(wǎng)的傳輸帶寬可提高一倍；

（4）在10Mbps端口傳輸率情況下，只有10BASET及10BASEFL支持全雙工以太網(wǎng)；

（5）在100Mbps快速以太網(wǎng)情況下，除100BASET4外，其他都支持全雙工以太網(wǎng)。

4.7.3全雙工以太網(wǎng)的組網(wǎng)應用

第5章環(huán)網(wǎng)

目前常用的環(huán)網(wǎng)包括令牌環(huán)網(wǎng)和光纖分布式數(shù)據(jù)接口兩種。

5.1概述

1.以太網(wǎng)（10BASE5、10BASE2）的不足：

（1）不適應重負荷應用環(huán)境；

（2）無實時性能和優(yōu)先權機制；

（3）在拓撲結構為公共總線的以太網(wǎng)上，媒體使用光纖比較困難；

（4）共享型以太網(wǎng)的覆蓋范圍受限于沖突域，無法進一步拓展。

2.環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點：

（1）適應重負荷應用環(huán)境；

（2）具有實時性能和優(yōu)先權機制；

（3）環(huán)網(wǎng)的媒體可以使用光纖；

（4）覆蓋范圍較大，可達數(shù)十公里。

5.2令牌環(huán)網(wǎng)媒體訪問技術

5.2.1令牌環(huán)*作

（1）令牌環(huán)技術的基礎是使用了一個稱之為令牌的特定比特串，當環(huán)上所有的站都處于空閑時，令牌沿著環(huán)旋轉(zhuǎn)。

（2）當某站想發(fā)送幀時，必須等待直至收到空令牌才可發(fā)送。

（3）在輕負荷時，效率較低；

（4）在重負荷時，既公平又有效，各站按順序發(fā)送。

5.2.2 MAC幀

1.幀格式

SD幀首定界符（1個8位位組）AC訪問控制（1個8位位組）FC幀控制（1個8位位組）DA目的地址2~6個8位位組）SA源地址2~6個8位位組）INFO信息0或多個8位位組）FCS幀檢驗序列（4個8位位組）ED幀尾定界符（1個8位位組）FS幀狀態(tài)（1個8位位組）幀首序列I FCS作用范圍I幀尾序列

2.令牌格式

SDACED

3.幀首定界符（SD）

JK0JK000

J—非數(shù)據(jù)，與發(fā)送的“0”、“1”不同的編碼，

K—非數(shù)據(jù)，與發(fā)送的“0”、“1”不同的編碼，

4.訪問控制（AC）

PPPTMRRR

PPP—優(yōu)先級比特，共有8級優(yōu)先級。當某站發(fā)送優(yōu)先級為n的幀時，它必須等待，直到截獲了優(yōu)先級比n小或者等于n的空令牌，這九保證了高優(yōu)先級的幀有更多的機會發(fā)送幀。為了避免各站將優(yōu)先級抬高，在將令牌提升的站，發(fā)送完數(shù)據(jù)后，必須將令牌減下來。

T—令牌比特：令牌時，T=0；傳輸幀時，T=1.

M—監(jiān)控比特：令牌環(huán)的維護是一種集中式管理，由一個監(jiān)控站來管理，用于防止持久的數(shù)據(jù)幀或令牌幀，從令牌到幀時，M比特的數(shù)字轉(zhuǎn)換。

在源站發(fā)出某幀時，，M=0，當一個幀第一次經(jīng)過監(jiān)控站時，M被置為1，當M=1的幀再次經(jīng)過監(jiān)控站時，該幀即被清除。

保證環(huán)路的最小時延，令牌的長度為24字節(jié)，這就要求環(huán)路至少應能容納24比特，如長度不夠，

監(jiān)控站就插入延時比特。

為了保證令牌的不丟失，每個監(jiān)控站都設有一計時器，它設置為最長令牌持有時間，當在此時間內(nèi)沒有收到令牌時，即判定令牌丟失，這時監(jiān)控站收回環(huán)路上的數(shù)據(jù)（若有），并發(fā)出一個新令牌。

RRR—預留比特

5.幀控制（FC）

FFZZZZZZ

FF=01 LLC數(shù)據(jù)幀

FF=00 MAC控制幀

當FF=00時，ZZZZZZ指出的是MAC幀的類型

6.幀尾定界符（ED）

JK1 JK1IE

J—非數(shù)據(jù)

K—非數(shù)據(jù)

I—中間幀比特（I=1，后面還有幀；I=0，后面沒有幀了）

E—差錯檢驗比特，檢測出錯，將E置位。

7.幀狀態(tài)（FS）

ACrrACrr

A—地址識別比特，識別出地址，將A置位，否則，將A不置位；

C—幀已復制比特，幀已復制，將C置位，否則，將C不置位；

r—預留比特，一般置為“0”。

由于幀狀態(tài)在FCS之外，因此重復一次，進行檢錯。

8.地址字段（MAC）

（1）源地址字段中的第一個比特總是為“0”。

目的地址中的第一個比特置成“0”，表示一個單地址；

目的地址中的第一個比特置成“1”，表示一個組地址；

全“1”的組地址是對環(huán)上所有工作的站的廣播地址。

（2）對于48比特的地址字段，將其源和目的地址字段中的第2個比特置為“0”，表示是一全局管理地址置為“1”，表示局部管理地址；

16比特地址：

15bit

I/G

16比特局部管理格式：

7bit環(huán)編號8bit站編號

I/G

48比特地址：

46bit地址

I/G U/L

48比特局部管理格式：

14bit環(huán)編號32bit站編號

I/G U/L

注意：令牌環(huán)規(guī)定使用屏蔽雙絞線。

5.2.3 MAC基本*作

（1）一個站要發(fā)送，要等到令牌經(jīng)過，它由AC字段中的令牌比特置為“0”來表明空令牌，被捕獲得令牌的ED字段被該站吸收和丟棄；

（2）然后將其他都接在后面發(fā)送；

（3）該站可以連續(xù)地發(fā)送直到無數(shù)據(jù)或到令牌計時器滿為止。（將ED字段中的I置為“1”）。

各站的情況：

每個站引入一比特的時延，

每個站都對通過幀進行差錯檢查，如果出錯，就將ED字段中的E置位

每個站檢測目的地址，如果是本站地址，就將A比特置“1”；

如果該站有足夠的空間，就復制該幀，并將C比特置“1”。

源站能區(qū)別以下三種情況：

（1）目的站不存在/未被復制；

（2）目的站存在但幀未被復制；

（3）幀已被目的站復制。

發(fā)出幀的站應該將該幀從環(huán)上清除。

如果報告有錯，MAC并不再重傳，這是LLC層協(xié)議的職責。

5.3差分曼徹斯特碼

標準規(guī)定使用的數(shù)據(jù)速率是：4Mbps或16Mbps，采用曼徹斯特編碼，編碼規(guī)則為：“0”為比特時間開始和中間均跳變，“1”只在比特中間跳變。

J——比特開始時沒有跳變，

K——比特開始時有跳變。

5.4 FDDI網(wǎng)媒體訪問控制技術

5.4.1 FDDI標準的范圍

FDDI標準的包含了MAC子層和物理層。標準分為四部分：

（1）媒體訪問控制（MAC）

（2）物理層協(xié)議（PHY）

（3）物理媒體相關子層（PMD）

（4）層管理（LMT）

5.4.2令牌環(huán)*作

注意：令牌環(huán)網(wǎng)與FDDI存在的差別：

（1）FDDI并不是通過改變一個比特來抓住令牌的；

（2）FDDI在一個站完成其幀發(fā)送后，即使尚未開始收到它發(fā)送的幀，也立即送出一新令牌。在環(huán)上可以有多個幀。

5.4.3 MAC幀

注意：對于FDDI的MAC實體間交換是以符號為單位的，每一符號對應4比特。這是因為FDDI是采用4B/5B的方式進行信息交換的。

1.FDDI的幀格式

（1）幀格式

PA前導碼（16或更多個符號）SD幀首定界符（2個符號）FC幀控制（2個符號）

DA目的地址（4或12個符號）SA源地址（4或12個符號）INFO信息0或更多個符號對）FCS幀檢驗序列ED幀尾定界符（1個符號）FS幀狀態(tài)（3或更多個符號）

幀首序列FCS作用范圍幀尾序列

（2）令牌格式

PASDFCED

（3）幀首定界符（SD）

J K

J—非數(shù)據(jù)（1個符號）

K—非數(shù)據(jù)（1個符號）

（4）幀控制（FC）

CLFFZZZZ

C—類別比特

L—地址長度比特

FF—格式比特

ZZZZ—控制比特

（5）幀尾定界符（ED）

T

T—終止符號

（6）令牌尾定界符（ED）

TT

T—終止符號

注意：幀尾定界符（ED）與令牌尾定界符（ED）的區(qū)別。

（7）幀狀態(tài)（FS）

E A C

R/SR/SR/SR/SR/SR/ST

A—地址識別符

C—幀已復制符

E—檢測到差錯

注意：

如果附加的符號為奇數(shù)個，結尾用一個“T”結束；使總長度為8比特的整數(shù)倍。

如果附加的符號為偶數(shù)個，結尾用兩個“T”結束。使總長度為8比特的整數(shù)倍。

（8）地址字段

（1）源地址字段中的第一個比特總是為“0”。

目的地址中的第一個比特置成“0”，表示一個單地址；

目的地址中的第一個比特置成“1”，表示一個組地址；

全“1”的組地址是對環(huán)上所有工作的站的廣播地址。

（2）對于48比特的地址字段，將其源和目的地址字段中的第2個比特置為“0”，表示全局管理地址；

置為“1”，表示局部管理地址；

16比特地址：

15bit

I/G

48比特地址：

46bit地址

I/G U/L

I/G=0單地址

I/G=1組地址

U/L=0全局管理地址；

U/L=1局部管理地址。

FDDI幀的類型：詳見P.73（由FC字段確定的各種類型）

各字段的說明：

1.前導碼（PA）：用來使幀與每一站的時鐘建立同步，幀的始發(fā)為16個空閑符號，后繼的轉(zhuǎn)

發(fā)站可以改變字段的長度以與時鐘同步。

2.幀首定界符（SD）：表示一幀的開始。

3.幀控制（FC）：

C——指明是同步還是異步；C=1，同步，C=0異步。

L——指明地址是16比特還是48比特；

FF——指明是LLC幀還是MAC幀，在MAC幀中，ZZZZ表示幀的形式；

4.目的地址（DA）

5.源地址（SA）

6.信息：0~n

7.幀檢驗序列（FCS）

8.幀尾定界符（ED）

9.幀狀態(tài)（FS）

（1）E——檢測到差錯

（2）A——地址被識別

（3）C——幀以被識別

其中：R——表示斷或假；

S——表示通或真。

如果附加的符號為奇數(shù)個，則FS以一個T結束。

FS字段還包括附加的控制字符。

*FDDI的類型（P.73）

5.4.4基本*作

1.一個站要發(fā)送，要等到令牌經(jīng)過，它由FC字段中的FF比特置為“00”和ZZZZ比特置為“0000”來表明；

2.該站在重復整個FC字段前，將令牌從環(huán)上吸收掉，以此來抓住令牌。

3.然后將其他都接在后面發(fā)送；

4.該站可以連續(xù)地發(fā)送直到無數(shù)據(jù)或到令牌計時器滿為止。

*各站的情況：

每個站引入一比特的時延，作為檢查、復制或者改變一比特所需的時間。

每個站都對通過的幀進行差錯檢查，如果出錯，就將ED字段中的E置位；

每個站檢測目的地址，如果是本站地址，就將A比特置“1”，還可將該幀復制下來，并將C比特置“1”。

如果該站有足夠的空間，就復制該幀，并將C比特置“1”。

*源站能區(qū)別以下三種情況：

目的站不存在/未被復制；

目的站存在/未被復制；

幀已被目的站復制。

*發(fā)出幀的站應該將該幀從環(huán)上清除。

每個發(fā)送幀當其回到源站時都被該站吸收。通過檢查幀尾序列中的狀態(tài)指示符（E、A、C）來確定傳輸?shù)慕Y果。

如果報告有錯，MAC并不再重傳，這是LLC層協(xié)議的職責。

5.5 FDDI網(wǎng)物理層

5.5.1數(shù)據(jù)編碼

幾種常用的數(shù)字到模擬的編碼技術

ASK

FSK

PSK

為了提取定時時鐘，需對脈沖進行編碼。（如將數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，但效率不高。）

FDDI使用4B/5B編碼

FDDI的編碼方案如下：

（1）不采用簡單的強度調(diào)制編碼（用有無載波來確定），因同步信號難于提??；

（2）FDDI采用兩級編碼的方式，第一級選用4B/5B碼，效率高，并保證出現(xiàn)躍變；

（3）第二級編碼，將4B/5B碼進一步編成NRZI（非立即歸零碼），改善接收的可靠性；NRZI（非立即歸零碼）為差分編碼。

（4）NRZI（非立即歸零碼）的編碼規(guī)則：“1”用躍變表示，“0”則不躍變。

（5）4B/5B碼的選擇基于這樣一個保證，采用NRZI（非立即歸零碼），在一行中不允許出現(xiàn)多于3個“0”的情況，提供同步信息。

（6）關于4B/5B碼：除0~15數(shù)字外，其他的碼還可代表其他意義，見P.75.

5.5.2物理層中與媒體相關的部分

1.標準中含有加強可靠性的技術規(guī)范，為以下三項技術：

站旁路：對故障站旁路；

布線集中器：用于星型布線中；

雙環(huán)：使網(wǎng)絡自動恢復。

2.關于光源與光纖

光源：可以為激光器和發(fā)光二極管；

光纖：用光纖直徑與圍繞纖芯包層的外徑來確定。

62.5/125、85/125一般用這種。

50/125、100/140

3.站的分類

A站：同時連接主環(huán)和副環(huán)的站；

B站：只連接主環(huán)的站。

令牌環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)技術

5.5.3令牌環(huán)網(wǎng)基本組成

5.5.4星—環(huán)形組網(wǎng)結構

5.5.5交換型令牌環(huán)網(wǎng)

FDDI網(wǎng)組網(wǎng)技術

5.5.6應用領域

后端局域網(wǎng)：連接主服務器和大容量存儲設備；

高速辦公室網(wǎng)：他們要求從低速到高速的數(shù)據(jù)傳輸；

主干局域網(wǎng)：用一個大容量的局域網(wǎng)連接若干各集中器或交換器。

5.7.2 FDDI組網(wǎng)技術要點

星—環(huán)形拓撲結構

（1）單連接站和雙連接站A、B站的結合

（2）園區(qū)主干網(wǎng)將集中器、交換器、服務器、網(wǎng)橋等按需要進行連接。

（30CDDI（TPDDI）

在不易用光纜連接的地方，用雙絞線連接。

光纜口往往用作集中器之間的遠距離連接，而雙絞線用作近距離連接。

第6章路由器

本章首先介紹路由器的性能特點和工作原理。并且提出了兩種常用的內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議（包括RIP和

OSPF），并著重討論了RIP.

然后討論了路由器產(chǎn)品的幾種結構，最后介紹了局域網(wǎng)系統(tǒng)中使用路由器的解決方案。

6.1路由器的性能特點和工作原理

6.1.1路由器的性能特點

1.路由器的性能

路由器是跨越互聯(lián)網(wǎng)，把信息從源端送到目的端。

2.路由器的特點

路由器與橋接器比較：

相同點：均為網(wǎng)絡互連設備；

不同點：路由器工作在第三層，通過網(wǎng)絡地址（IP）作為轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)，一般耗時較長，具有廣播包抑制和子網(wǎng)隔離功能；而網(wǎng)橋工作在第二層，通過物理地址（MAC）作為轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)，一般耗時較短；

6.1.2路由器組網(wǎng)體系結構

（1）一臺功能完整的路由器中，常?？梢灾С侄喾N協(xié)議棧數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）路由器的功能還包括數(shù)據(jù)過濾、計費、網(wǎng)絡管理等多項功能。

（3）路由器屬中間系統(tǒng)（IS），主機屬端系統(tǒng)（ES）。

6.1.3路由器工作原理

（1）接收幀，并分解IP數(shù)據(jù)包；

（2）IP包頭合法性驗證；

鏈路層幀長必須足夠大（20字節(jié)）；

CRC驗證；

版本號必須為4；

IP數(shù)據(jù)包長度必須足夠大，以容納IP數(shù)據(jù)包頭。

（3）IP數(shù)據(jù)包選項處理；

紀錄路由選項：路由器在選項數(shù)據(jù)域中寫入自己的IP地址；

對于時間戳選項，寫入自己的IP地址及當前以毫秒為單位的世界標準時間計算值；

對于源路由選項，要先寫入自己的IP地址，后面還要做進一步的處理。

（4）IP數(shù)據(jù)包本地提交和轉(zhuǎn)發(fā)；確定數(shù)據(jù)包是當?shù)氐倪€是需轉(zhuǎn)發(fā)。

（5）轉(zhuǎn)發(fā)尋徑；根據(jù)目的地址確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

（6）轉(zhuǎn)發(fā)驗證；主要對IP地址進行驗證。

（7）TTL處理；TTL——Time to live（生存時間），經(jīng)過一個路由器，TTL的值減1，如果TTL的值為0時，這個

數(shù)據(jù)包被丟棄。且路由器發(fā)給源站點一個ICME超時控制報文。

（8）數(shù)據(jù)包分段；

當要轉(zhuǎn)發(fā)的IP數(shù)據(jù)包中長度大于要輸出的物理網(wǎng)絡的MTU（最大傳輸單元）時，路由器要把這個數(shù)據(jù)包分段。

（9）鏈路層尋址。

根據(jù)路由器的路由表選擇下一個輸出端口。

實例：在Internet上路由IP數(shù)據(jù)包的傳送

下面從一個實例說明IP數(shù)據(jù)包在Internet上如何從一臺主機到另一臺主機。

主機A是如何發(fā)送數(shù)據(jù)到主機B的。

步驟1：主機A

在網(wǎng)絡128.1.0.0上的主機A想用Telnet協(xié)議連接網(wǎng)絡128.4.0.0上的主機B.網(wǎng)絡128.1.0.0上的主機A和主機B在不同網(wǎng)絡上，網(wǎng)絡A必須用IP路由器的服務把數(shù)據(jù)報傳輸給主機B.根據(jù)初始設置，主機A知道它的默認網(wǎng)關是路由器A，其IP地址為128.1.0.2.

（1）主機A必須將所有的數(shù)據(jù)包通過路由器A送往主機B.

（2）如果主機A的ARP緩沖中沒有路由器A的MAC地址，它發(fā)出ARP請求，并等待路由器A響應。

（3）當?shù)刂酚成浯嬖诤?，主機A將送給主機B的數(shù)據(jù)包封裝到目的MAC地址為080002001231（路由器A的端口1），源MAC地址為080002001111（主機A），類型域為0800h（IP）的以太網(wǎng)中。

（4）注意：在傳輸過程中，IP地址一直不變，而MAC地址一直在變化。

目的主機128.4.0.1源主機128.1.0.1IP數(shù)據(jù)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

目的MAC080002001231源MAC080002001111類型0800以太網(wǎng)數(shù)據(jù)CRC

網(wǎng)絡128.1.0.0上的數(shù)據(jù)包

步驟2：網(wǎng)絡128.2.0.0上的數(shù)據(jù)包

當接收到來自主機A的數(shù)據(jù)包時，路由器A刪除以太網(wǎng)報頭，檢查類型域，然后將數(shù)據(jù)包送給IP模塊

（軟件進程）。IP模塊檢查IP報頭中的目的網(wǎng)絡號并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。

路由器A的路由表

網(wǎng)絡號下一個跳步路由器跳步

128.1.0.0直接端口0

128.2.0.0直接端口0

128.3.0.0128.2.0.31

128.4.0.0128.2.0.32

由上表可知，路由器A知道目標網(wǎng)絡有兩個跳步的距離，它必須將數(shù)據(jù)包裝發(fā)給路由器B，IP地址為128.2.0.3.

如果路由器A的ARP緩存中沒有路由器B的硬件地址，它會發(fā)出一個ARP請求并且等待，路由器B響應。得到地址后，路由器A將數(shù)據(jù)包封裝在以太網(wǎng)幀中，目的MAC地址為080002001233（路由器B的端口

1），源MAC地址為080002001232（路由器A的端口2），類型域為0800（IP），然后路由器A幀發(fā)送到端口2.

目的主機128.4.0.1源主機128.1.0.1IP數(shù)據(jù)

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)目的MAC080002001233源MAC080002001232類型0800以太網(wǎng)數(shù)據(jù)CRC

網(wǎng)絡128.2.0.0上的數(shù)據(jù)包

步驟3：網(wǎng)絡128.3.0.0上的數(shù)據(jù)包

當接收到來自主機A的數(shù)據(jù)包時，路由器B刪除以太網(wǎng)報頭，檢查類型域，然后將數(shù)據(jù)包送給IP模塊（軟件進程）。IP模塊檢查IP報頭中的目的網(wǎng)絡號并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。

路由器B的路由表

網(wǎng)絡號下一個跳步路由器跳步

128.1.0.0128.2.0.21

128.2.0.0直接端口0

128.3.0.0直接端口0

128.4.0.0128.3.0.31

由上表可知，路由器B知道目標網(wǎng)絡有1個跳步的距離，它必須將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由器C，IP地址為

128.3.0.3.

如果路由器B的ARP緩存中沒有路由器C的硬件地址，它會發(fā)出一個ARP請求并且等待路由器C響應。

得到地址后，路由器B將數(shù)據(jù)包封裝在以太網(wǎng)幀中，目的MAC地址為080002001234（路由器B的端口

1），源MAC地址為080002001232（路由器B的端口2），類型域為0800（IP），然后路由器B將幀發(fā)送到端口

2.

目的主機128.4.0.1源主機128.1.0.1IP數(shù)據(jù)

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

目的MAC080002001235源MAC080002001234類型0800以太網(wǎng)數(shù)據(jù)CRC

網(wǎng)絡128.3.0.0上的數(shù)據(jù)包

步驟4：網(wǎng)絡128.4.0.0上的數(shù)據(jù)包

當接收到來自主機B的數(shù)據(jù)包時，路由器C刪除以太網(wǎng)報頭，檢查類型域，然后將數(shù)據(jù)包送給IP模塊

（軟件進程）。IP模塊檢查IP報頭中的目的網(wǎng)絡號并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。

路由器C的路由表

網(wǎng)絡號下一個跳步路由器跳步

128.1.0.0128.3.0.22

128.2.0.0128.3.0.21

128.3.0.0直接端口10

128.4.0.0直接端口21

由上表可知，路由器C知道目標網(wǎng)絡直接連在端口2上，它能夠直接發(fā)送數(shù)據(jù)報。

如果路由器C的ARP緩存中沒有主機B的硬件地址，它會發(fā)出一個ARP請求并且等待主機B的響應。得到地址后， ，路由器C將數(shù)據(jù)包封裝在以太網(wǎng)幀中，目的MAC地址為08000200 （路由器B的端口1），源MAC地址為080002001232（主機B），源MAC地址為，080002001236（路由器C的端口2），類型域0800（IP），

然后路由器C將幀發(fā)送到端口2.

目的主機128.4.0.1源主機128.1.0.1IP數(shù)據(jù)

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)目的MAC080002002222源MAC080002001236類型0800以太網(wǎng)數(shù)據(jù)CRC

網(wǎng)絡128.4.0.0上的數(shù)據(jù)包

步驟5：網(wǎng)絡128.4.0.0上主機B的數(shù)據(jù)包

主機B收到幀，刪掉以太網(wǎng)報頭，檢查類型域，將數(shù)據(jù)包送給它的IP模塊。IP模塊確認該數(shù)據(jù)包是發(fā)給本機的，刪掉IP報頭，將TCP消息送給TCP模塊。TCP模塊檢查端口號，將消息送給本地Telnet程序訪問的Telnet端口。

6.1.4路由器組網(wǎng)特點

1.網(wǎng)絡的互連

路由器可實現(xiàn)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互連以及廣域網(wǎng)之間的互連，路由器的功能如下：

（1）地址映射

IP——MAC地址之間的轉(zhuǎn)換

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

路由器互連的網(wǎng)絡的最大傳輸單元（MTU）不同，路由器應解決分段和重傳的問題。（3）路由選擇

根據(jù)路由表選擇。

（4）協(xié)議轉(zhuǎn)換

2.網(wǎng)絡的隔離

（1）路由器可以根據(jù)網(wǎng)絡號、主機的網(wǎng)絡地址、地址掩碼、數(shù)據(jù)類型來監(jiān)控、攔截和過濾信息，

而網(wǎng)橋只能根據(jù)局域網(wǎng)的MAC地址和第三層協(xié)議類型來隔離信息。

（2）路由器具有更強的網(wǎng)絡隔離能力，可避免廣播風暴，提高整個網(wǎng)絡的性能。

（3）路由器抑制廣播風暴：當路由器收到一個尋址報文時（ARP），由于該報文的目的地址是廣播地址，路由器不會將其廣播，而是將自己的MAC地址發(fā)送給源主機。源主機在發(fā)送數(shù)據(jù)時就可以直接填寫路由器的MAC地址，避免了路由器發(fā)廣播。

注意：為什么會發(fā)生廣播風暴？這是因為IP和MAC的原因。

3.流量的控制

主要采用路由算法均衡網(wǎng)絡負載。

6.2兩種常用的內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議

內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議（IGP）即是在一個自治系統(tǒng)（AS）內(nèi)部路由器使用的路由協(xié)議。

外部網(wǎng)關協(xié)議（EGP）即是在自治系統(tǒng)（AS）之間互連時，路由器使用的路由協(xié)議。

在一個自治系統(tǒng)（AS）內(nèi)部，只使用一種IGP.

6.2.1路由和尋址

IP地址的定義適用于不同的網(wǎng)絡類型，因而成為Internet的基礎。

1.物理地址：MAC（又稱為硬件地址）

2.邏輯地址：IP地址

3.路由表：是整個路由器的核心，它是動態(tài)建立的。

6.2.2距離向量算法和RIP（路由信息協(xié)議）

RIP與其說是一種協(xié)議，不如說是一種路由算法。

RIP是典型的距離向量法。

1.由表的格式

典型的RIP路由表

目的地下一站地址距離計時器標志位

網(wǎng)絡1路由器13t1，t2，t3x，y

網(wǎng)絡2路由器22t1，t2，t3x，y

網(wǎng)絡3路由器31t1，t2，t3x，y

網(wǎng)絡4路由器4t1，t2，t3x，y

…………………………

2.RIP（選路信息協(xié)議）包格式

不同網(wǎng)絡系統(tǒng)中RIP包的格式是不一樣的。下面介紹TCP/IP協(xié)議棧中RIP實現(xiàn)的數(shù)據(jù)包。

命令版本號0

地址類型標志0

目的網(wǎng)絡地址

目的網(wǎng)絡掩碼*

下一站路由器地址

0距離

說明：

（1）命令：表示該包是一個請求包（值為1時），響應：表示該包是一個響應包（值為2時）響應是對請求的答復。

（2）版本號：表示當前實現(xiàn)的RIP版本。目前有兩種版本：版本1和版本2.

（3）地址類型標志：表明說傳輸?shù)牡刂奉愋汀Ｔ贗NTERNET中，該值為2，表示傳輸?shù)氖荌P地址。

（4）目的網(wǎng)絡掩碼地址：目的網(wǎng)絡地址和掩碼惟一地確定一個網(wǎng)絡。RIP版本1僅支持標準目的網(wǎng)絡地址，因此網(wǎng)絡掩碼地址部分為0.

（5）距離：共16比特。表示從發(fā)送路由器到目的路由器所經(jīng)過的路由器的數(shù)目。

3.RIP協(xié)議的工作過程：

（1）RIP采用主動發(fā)送，被動接收的機制來實現(xiàn)路由信息的交換。

（2）RIP有一個路由更新時鐘，一般設置為30秒，每個路由器每隔30秒都要把它的整個路由表向

其相鄰的路由器發(fā)送。

（3）RIP定義了一種受激更新。即每當路由器檢測到新的網(wǎng)絡拓撲結構的變化時，除了重新計算

自己的信息外，都要立即向其他方向發(fā)送該更新消息。

（4）RIP僅為每一個目的網(wǎng)絡保留一條最佳路由。當有新的更佳的路由時，就有新路由代替舊路

由。

（5）網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化時，就會自動更新路由。

（6）RIP用時鐘保證其性能。

路由更新時鐘：一般設為30秒；

路由器無效時鐘：每激活一次，就給每個路由表項中的時間項加1.如果時間項的值超過規(guī)定的無效時間，則把該路由項置為無效，并通知相鄰的路由器。一般設為90秒。

路由清除時鐘設置為270秒。

6.3路由器產(chǎn)品結構

路由器產(chǎn)品的分類：

1.用傳統(tǒng)的計算機結構

（1）特點：

采用了共享中央總線、中央CPU內(nèi)存儲器及外圍插卡；

中央CPU必須執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，根據(jù)需要修改數(shù)據(jù)包投標，更新路由表及地址數(shù)據(jù)庫，響應管理請求；

每塊插卡執(zhí)行MAC層功能，使系統(tǒng)與外界連接。

數(shù)據(jù)包需兩次穿過總線。

（2）缺點

CPU必須處理每一個數(shù)據(jù)包，限制了吞吐量；

數(shù)據(jù)包需兩次穿過總線到打岔卡，性能降低；

數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)由CPU執(zhí)行軟件完成，受CPU的速度影響；

中央CPU及內(nèi)存儲器的故障將影響整個設備。

2.用并行處理的結構

（1）特點：

每個外圍插卡上都設置了獨立的CPU和內(nèi)存貯器，并行處理數(shù)據(jù)；

轉(zhuǎn)發(fā)只需經(jīng)過一次內(nèi)部總線。

（2）缺點：

數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由CPU執(zhí)行軟件來完成，受CPU的運行速度影響；

由于共享總線，每次只允許轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)包，限制了系統(tǒng)性能。

3.背板采用縱橫式交換結構

（1）是目前先進路由器采用的背板結構；

（2）用縱橫式交換結構替代了共享總線結構，允許數(shù)據(jù)包進行高速轉(zhuǎn)發(fā)，大大提高了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)率。

4.并行處理與背板交換相結合的結構

（1）并行處理各個輸入數(shù)據(jù)包，通過交換背板的高速交換，實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)包的同時轉(zhuǎn)發(fā)極大地提高了路由器的性能。

（2）背版的速率為各割端口速率的總和。

6.4局域網(wǎng)系統(tǒng)中使用路由器的解決方案

6.4.1局域網(wǎng)間的隔離和互連

路由器的作用為隔離和過濾。

6.4.2局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)