網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)第五章路由器基礎(chǔ)電子教案(1).doc

江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程分院網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)課程電子教案授課標(biāo)題：路由器基礎(chǔ) 學(xué)時(shí)：理論2節(jié) 授課日期：2008-03-24教學(xué)目的和要求l 了解路由器面板中各種接口的類型及作用l 知道數(shù)據(jù)包路由和交換的過程（關(guān)鍵要知道IP地址和MAC地址在數(shù)據(jù)包路由和交換過程中的作用）l 掌握路由器中四種存儲(chǔ)器之間的關(guān)系l 掌握路由器的啟動(dòng)過程l 了解路由器的結(jié)構(gòu)l 掌握路由器配置模式及其切換命令教學(xué)手法l 采用“案例驅(qū)動(dòng)”教學(xué)方法：將圍繞某一實(shí)踐的所有理論知識(shí)綜合講解，并在理論基礎(chǔ)上完成具體實(shí)踐的操作。l 注重理論與實(shí)踐操作相結(jié)合；充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，以實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的良性互動(dòng)，一方面提高教師的教學(xué)效果，另一方面則提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)際能力。l 采用多媒體教學(xué)手段+PPT多媒體課件授 課 重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：1、路由器啟動(dòng)過程及四種存儲(chǔ)器之間的關(guān)系 2、路由器配置模式及其切換命令難點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)包路由和交換過程 2、路由器的硬件和軟件結(jié)構(gòu)授課要點(diǎn)與授課設(shè)計(jì)（注明授課時(shí)間安排）1、（知道）路由器的接口類型2、（掌握）路由基礎(chǔ)3、（知道）路由器的組成4、（掌握）路由器的啟動(dòng)過程5、（附加）路由器的結(jié)構(gòu)6、（掌握）路由器配置方式 教學(xué)設(shè)計(jì)：本節(jié)最主要的教學(xué)內(nèi)容是讓學(xué)生在了解ARP地址解析協(xié)議工作原理的基礎(chǔ)上掌握路由器的工作原理（路由器需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包和封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中源IP地址、目標(biāo)IP地址、源MAC地址、目標(biāo)MAC地址的變化情況）；并在此基礎(chǔ)上了解路由器的幾種常見的工作模式及各種工作模式之間的切換；在了解上述內(nèi)容后掌握路由器的啟動(dòng)過程和組成。作業(yè)1、簡(jiǎn)述路由器有哪幾種存儲(chǔ)器及其作用。2、簡(jiǎn)述路由器的啟動(dòng)過程3、簡(jiǎn)述路由器的配置模式及其切換命令教學(xué)心得本節(jié)需要重點(diǎn)掌握的是路由器的幾種工作模式，路由器的存儲(chǔ)器組成及路由器的工作理，通過arp協(xié)議的講解逐步使學(xué)生了解路由器的基本工作原理。一、路由器的接口類型1、局域網(wǎng)接口：l 10BaseT，即10M傳統(tǒng)以太網(wǎng)口。在路由器的配置過程中，端口名稱為：interface Ethernet */*l 100BaseT，即100M快速以太網(wǎng)口。在路由器的配置過程中，端口名稱為：interface Fastethernet */*2、廣域網(wǎng)接口l 同步串口，在路由器的配置過程中，這種端口的名稱一般為：interface serial */* l 異步串口，在路由器的配置過程中，這種端口的名稱一般為：interface serial */*，在這種接口的封裝協(xié)議選擇中，將無法進(jìn)行HDLC協(xié)議的封裝。l ISDN接口，在路由器的配置過程中這種端口的名稱一般為：interface bri */* l E1 接口，即信道化的E1端口。在路由器的配置過程中，這種端口的名稱一般為：interface serial */*3、提示：端口名稱后面的 */* 中前一個(gè)“*”表示端口所在的模塊號(hào)；后一個(gè)“*”表示在此模塊中端口的序號(hào)4、路由器配置接口：路由器的配置端口有兩個(gè)，分別是“Console”和“AUX”，“Console”通常是用來進(jìn)行路由器的基本配置時(shí)通過專用連線與計(jì)算機(jī)連用的，而“AUX”是用于路由器的遠(yuǎn)程配置連接用的。l Console端口：Console端口使用配置專用連線直接連接至計(jì)算機(jī)的串口，利用終端仿真程序（如Windows下的“超級(jí)終端”）進(jìn)行路由器本地配置。路由器的Console端口多為RJ-45端口。l AUX端口：AUX端口為異步端口，主要用于遠(yuǎn)程配置，也可用于拔號(hào)連接，還可通過收發(fā)器與MODEM進(jìn)行連接。AUX端口與Console端口通常同時(shí)提供，因?yàn)樗鼈兏髯缘挠猛静灰粯?。二、路由基礎(chǔ)路由器是非常典型的廣域網(wǎng)設(shè)備，或者說是非常典型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。使用路由器可以連接不同的網(wǎng)絡(luò)，雖然路由器常常用于廣域網(wǎng)的互聯(lián)，但是路由器也可以用于局域網(wǎng)的互聯(lián)。從路由器的工作原理來看，路由器有兩項(xiàng)功能：為要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包選擇最佳路徑以及將數(shù)據(jù)包交換到正確的端口，即路由器具有路由和數(shù)據(jù)交換（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）兩大功能。1、路由選擇功能路由選擇發(fā)生在OSI的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），因此，路由器是網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備，路徑選擇實(shí)際上也就是網(wǎng)絡(luò)尋址，即路由器知道要到達(dá)哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包應(yīng)該從哪個(gè)接口發(fā)送出去。在此需要解決兩個(gè)問題：（1）首先要解決如何表示網(wǎng)絡(luò)：IP地址中的網(wǎng)絡(luò)位就是用來表示網(wǎng)絡(luò)的。（2）第二個(gè)問題就是要建立路由表：路由表中應(yīng)該有到達(dá)每一網(wǎng)絡(luò)的路由條目。2、路由的交換（轉(zhuǎn)發(fā)）功能路由器交換數(shù)據(jù)之前要先進(jìn)行路由選擇。當(dāng)PC1主機(jī)要發(fā)送IP數(shù)據(jù)包到PC2主機(jī)，由于PC1和PC2主機(jī)不在同一子網(wǎng)，所以數(shù)據(jù)要經(jīng)過路由器的轉(zhuǎn)發(fā)。PC1主機(jī)先用ARP協(xié)議獲得R1路由器E0接口的MAC地址，然后PC1主機(jī)用以太網(wǎng)的幀格式對(duì)IP數(shù)據(jù)包（IP數(shù)據(jù)包的源IP地址為“”，目標(biāo)IP地址為“”）進(jìn)行封裝，成為幀（幀的源MAC地址為“MAC-PC1”，幀的目標(biāo)MAC地址為“MAC-R1-1”）。由于幀中目標(biāo)MAC地址為路由器R1的e0接口的MAC地址，所以幀會(huì)被路由器R1接收。路由器接收到幀后，解封出IP數(shù)據(jù)包，從而知道數(shù)據(jù)包是從PC1出發(fā)的，要到達(dá)PC2主機(jī)。路由器通過查找路由表，知道應(yīng)從接口e1轉(zhuǎn)發(fā)出去，因此路由器先用APR協(xié)議獲得PC2主機(jī)的MAC地址，然后路由器用以太網(wǎng)的幀格式對(duì)IP數(shù)據(jù)包（IP數(shù)據(jù)包的源IP地址為“”，目標(biāo)IP地址為“”）進(jìn)行封裝成為幀（幀的源MAC地址為“MAC-R1-2”，幀的目標(biāo)MAC地址為“MAC-PC2”）。從上述數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程可以看出，在數(shù)據(jù)包的傳遞過程中，數(shù)據(jù)包的源IP地址和目標(biāo)IP地址永遠(yuǎn)沒有變化。但在每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間封裝成幀進(jìn)行傳遞時(shí)，幀的源MAC地址和目標(biāo)MAC地址總在永遠(yuǎn)在變化。通過上述過程可以看出，在數(shù)據(jù)傳遞過程中既使用了IP地址，也使用了MAC物理地址。IP地址的主要目的是為了對(duì)主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)定位（即路由選擇功能），MAC地址的目的是為了在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行幀封裝（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能）。3、IP路由過程簡(jiǎn)析當(dāng)主機(jī) A 要向另一個(gè)主機(jī) B 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，先要檢查目的主機(jī) B 是否與源主機(jī) A 連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上：l 如果是，就將數(shù)據(jù)報(bào)直接交付給目的主機(jī) B 而不需要通過路由器。l 但如果目的主機(jī)與源主機(jī) A 不是連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，則應(yīng)將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給本網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)路由器，由該路由器按照轉(zhuǎn)發(fā)表指出的路由將數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)路由器。這就叫作間接交付。每當(dāng)路由設(shè)備接收到一個(gè)數(shù)據(jù)，它會(huì)首先拆分出網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包，它需要判斷將此數(shù)據(jù)包發(fā)向哪個(gè)方向，于是它根據(jù)數(shù)據(jù)包中的IP地址和子網(wǎng)掩碼相與的結(jié)果判斷目的地所在的大的范圍，即網(wǎng)絡(luò)號(hào)。經(jīng)過從源到目的地之間的這些路由設(shè)備時(shí)，每臺(tái)設(shè)備都會(huì)根據(jù)當(dāng)前它所保留的信息表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到有利于到達(dá)目的地的下一臺(tái)設(shè)備，最后到達(dá)了直接連接目的網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)備，由它將數(shù)據(jù)包直接發(fā)向目的節(jié)點(diǎn)。4、IP路由過程圖示三、路由器的組成路由器由硬件和軟件組成。硬件主要包括處理器、內(nèi)存、接口、控制端口等物理硬件和電路組成；軟件主要由路由器的IOS操作系統(tǒng)和運(yùn)行配置文件組成。1、路由器硬件組成（1）CPU：與計(jì)算機(jī)相類似，運(yùn)行著IOS的Cisoc路由器也包括一個(gè)“中央處理器（CPU）”。不同系列和型號(hào)的路由器，CPU也不盡相同。Cisco一般采用兩種類型的處理器，如Motorola68030和Orion/R4600等。路由器的處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包所需的工作，如維護(hù)路由器和橋接所需的各種路由表和路由運(yùn)算等，路由器對(duì)數(shù)據(jù)包的處理速度很大程度上取決于處理器的類型和性能。（2）內(nèi)存：Cisoc路由器主要采用下列四種類型的內(nèi)存：ROM、FLASH、RAM、NVRAM。l RAM/DRAM：內(nèi)存，用于存儲(chǔ)臨時(shí)的運(yùn)算結(jié)果，如路由表、緩存、ARP表、運(yùn)行配置文件等。眾所周知，RAM中的數(shù)據(jù)在路由器斷電后是會(huì)丟失的。l FLASH Memory：可擦除、可編程的ROM，用于存放路由器的IOS，F(xiàn)lash的可擦除特性允許更新、升級(jí)IOS而不用更換路由器內(nèi)部的芯片。路由器斷電后，F(xiàn)lash的內(nèi)容不會(huì)丟失。只要FLASH的容量足夠大，便可以保存多個(gè)IOS映象文件，以提供多重啟動(dòng)。l NVRAM：非易失性RAM，主要作用是保存IOS在路由器啟動(dòng)時(shí)讀入的配置數(shù)據(jù)，即常說的啟動(dòng)配置或備份配置。當(dāng)路由器加電啟動(dòng)時(shí)，首先尋找和執(zhí)行的即是該配置，如果該配置存在，路由器啟動(dòng)后，該配置就成了“運(yùn)行配置”，當(dāng)修改運(yùn)行配置并執(zhí)行存儲(chǔ)后，運(yùn)行配置就被復(fù)制到NVRAM中，當(dāng)下次路由器加電后，該配置就會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。l Boot ROM：只讀存儲(chǔ)器，ROM保存著路由器的引導(dǎo)或啟動(dòng)軟件。這也是路由器運(yùn)行的第一個(gè)軟件，負(fù)責(zé)讓路由器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。ROM中軟件升級(jí)需要更換芯片。路由器啟動(dòng)時(shí)，先讀取BOOTROM中的啟動(dòng)版本進(jìn)行自檢操作，緊接著讀取Flash中的軟件，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的加載，然后會(huì)到NVRAM中讀取啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該使用的配置文件，并寫入SDRAM，這些都完成之后，就會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和其他數(shù)據(jù)包的傳輸和處理陸續(xù)將路由表的表項(xiàng)增加完整，之后就可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)了。（3）接口：所有路由器都有“接口（Interface）”，每個(gè)接口都有自己的名字和編號(hào)。一個(gè)接口的全名由類型標(biāo)識(shí)及數(shù)字構(gòu)成，編號(hào)自0開始。l 對(duì)于接口固定的路由器（如2500系列）或采用模塊化接口的路由器（如4700系列），在接口的全名稱中，只采用一個(gè)數(shù)字，并根據(jù)它們?cè)诼酚善鞯奈锢眄樞蜻M(jìn)行編號(hào)，如Ethernet0、Serial0等l 對(duì)于支持“在線撥插和刪除”或具有動(dòng)態(tài)更改物理接口配置的路由器，其接口全名稱中則包含兩個(gè)數(shù)字，如2600系列、7200系列，其接口標(biāo)識(shí)名稱為Ethernet0/0、Serial1/0等l 對(duì)于支持“通用接口處理器（VIP）”的路由器，其接口編號(hào)形式為“插槽/端口適配器/端口號(hào)”，如7500系列路由器，其接口標(biāo)識(shí)名稱編號(hào)為：Ethernet4/0/1等。（4）控制臺(tái)端口和輔助端口：所有的路由器都有控制臺(tái)端口，能使用戶或管理員利用終端與路由器進(jìn)行通信，完成路由器配置；大多數(shù)路由器還有一個(gè)輔助端口，通過連接Modem，使用戶或管理員對(duì)路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。2、路由器的軟件組成（1）操作系統(tǒng)：路由器既然是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，因此就需要像計(jì)算機(jī)一樣有操作系統(tǒng)，Cisco路由器的操作系統(tǒng)稱為IOS（internetwork Operating Sysetm，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作系統(tǒng)）。這個(gè)操作系統(tǒng)根據(jù)管理員設(shè)置好的配置來運(yùn)行，控制著數(shù)據(jù)包的流向，利用路由協(xié)議和路由表為數(shù)據(jù)包選擇最佳路由。（2）配置文件：共有兩種類型的配置文件，它們是：運(yùn)行配置文件和啟動(dòng)配置文件，兩者均以ASCII文本格式顯示。l 運(yùn)行配置：有時(shí)也稱作“活動(dòng)配置”，駐留于RAM，包含了目前在路由器中“活動(dòng)”的I0S配置命令。配置10S時(shí)，就相當(dāng)于更改路由器的運(yùn)行配置，斷電丟失，在重起前需要保存為啟動(dòng)配置文件。l 啟動(dòng)配置：?jiǎn)?dòng)配置駐留在NVRAM中，包含了希望在路由器啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的配置命令。啟動(dòng)完成后，啟動(dòng)配置中的命令就變成了“運(yùn)行配置”。有時(shí)也把啟動(dòng)配置稱作“備份配置”。這是由于修改并認(rèn)可了運(yùn)行配置后，通常應(yīng)將運(yùn)行配置復(fù)制到NVRAM里，將作出的改動(dòng)“備份”下來，以便路由器下次啟動(dòng)時(shí)調(diào)用。（3）進(jìn)程：是指一個(gè)在路由器上運(yùn)行的特殊軟件任務(wù)，用于實(shí)現(xiàn)某種功能。例如，IP包的路由選擇是由一個(gè)進(jìn)程完成的；而AppleTalk包的路由選擇是由另一個(gè)進(jìn)程完成的。當(dāng)我們將命令放人配置文件對(duì)10S進(jìn)行配置時(shí)，實(shí)際就相當(dāng)于對(duì)構(gòu)成10S各進(jìn)程的行為加以控制。所有這些進(jìn)程都在路由器上同時(shí)運(yùn)行。至于能在一個(gè)路由器上運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)量和種類，則取決于路由器CPU的速度以及安裝的RAM容量。四、路由器的啟動(dòng)過程1、系統(tǒng)硬件加電自檢。運(yùn)行BOOTROM中的硬件檢測(cè)程序，檢測(cè)各組件能否正常工作。完成硬件檢測(cè)后，開始軟件初始化工作。2、軟件初始化過程。運(yùn)行BOOTROM中的引導(dǎo)程序，進(jìn)行初步引導(dǎo)工作。3、尋找并載入操作系統(tǒng)文件。操作系統(tǒng)文件可以存放在多處，至于到底采用哪一個(gè)操作系統(tǒng)，是通過命令設(shè)置指定的。4、操作系統(tǒng)裝載完畢，系統(tǒng)在NVRAM中搜索保存的Startup-Config文件，進(jìn)行系統(tǒng)的配置。如果NVRAM中存在Startup-Config文件，則將該文件調(diào)入RAM中并逐條執(zhí)行。否則，系統(tǒng)默認(rèn)無配置，直接進(jìn)入用戶操作模式，進(jìn)行路由器初始配置。五、路由器的結(jié)構(gòu)1、路由器的硬件結(jié)構(gòu)從體系結(jié)構(gòu)上看，路由器可以分為：第一代單總線單CPU結(jié)構(gòu)路由器、第二代單總線主從CPU結(jié)構(gòu)路由器、第三代單總線對(duì)稱式多CPU結(jié)構(gòu)路由器、第四代多總線多CPU結(jié)構(gòu)路由器、第五代共享內(nèi)存式結(jié)構(gòu)路由器、第六代交叉開關(guān)體系結(jié)構(gòu)路由器和基于機(jī)群系統(tǒng)的路由器等多類。從應(yīng)用角度可以將路由器的分類作如下分析：從第一代的固定配置路由器，其中的集中的CPU和網(wǎng)絡(luò)接口均直接與總線連接，所有的數(shù)據(jù)包均交給CPU處理，并且網(wǎng)絡(luò)接口不能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)起來不是很靈活；第二代是在第一代的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)接口的模塊化；第三代在第一代的基礎(chǔ)上在每個(gè)接口模塊上增加了CPU處理器，這樣不是所有的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過總線交給CPU處理，在本地接口解決一部分?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；到了第四代，網(wǎng)絡(luò)接口采用了ASIC接口，可以支持更高的接收速率并且采用交換矩陣的方式實(shí)現(xiàn)接口模塊之間的互連；第五代在第四代的基礎(chǔ)上在接口板中增加了專門為IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的可編程的專用網(wǎng)絡(luò)處理器（NP），使用微碼編譯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了比通用CPU更快的處理速度。2、路由器軟件結(jié)構(gòu)六、路由器配置方式路由器的5種配置方式：控制臺(tái)連接、AUX口接MODEM、通過Ethernet上的TELNET程序、通過局域網(wǎng)上的TFTP服務(wù)器、通過局域網(wǎng)上的SNMP網(wǎng)管工作站。七、路由器配置模式1、關(guān)鍵四種模式簡(jiǎn)介（1）“Router”（普通）用戶EXEC模式，這是一種“只能查看”的模式，用戶只能查