计算机网络工程PPT课件

.,1,计算机网络工程,第三章路由器,.,2,3-1路由器概述,一、什么是路由器,路由器英文名称为Router，是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行翻译，以使它们能够相互读懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。路由器是一种典型的网络层设备，完成网络层中继的任务。,.,3,3-1路由器概述,二、路由器的结构,四部分,中央处理器,存储器,接口（端口）,交换开关,.,4,3-1路由器概述,二、路由器的结构,1.中央处理器,与计算机一样，路由器也包含了一个中央处理器(CPU)。不同系列和型号的路由器，其中的CPU也不尽相同。Cisco路由器一般采用Motorola68030和Orion/R4600两种处理器。路由器的CPU负责路由器的配置管理和数据包的转发工作，如维护路由器所需的各种表格以及路由运算等。路由器对数据包的处理速度很大程度上取决于CPU的类型和性能。,.,5,3-1路由器概述,二、路由器的结构,2.存储器,路由器中主要有四种类型的内存:ROM、RAM、FLASH、NVRAM。内存用作存储配置、路由器操作系统、路由协议软件等。,.,6,3-1路由器概述,二、路由器的结构,2.存储器,只读存储器（ROM）ROM在Cisco路由器中的功能与计算机中的ROM相似，主要用于系统初始化等功能。ROM中主要包含：（1）系统加电自检代码（POST），用于检测路由器中各硬件部分是否完好；（2）系统引导区代码（BootStrap），用于启动路由器并载入IOS操作系统；（3）备份的IOS操作系统，以便在原有IOS操作系统被删除或破坏时使用。通常，这个IOS比现运行IOS的版本低一些，但却足以使路由器启动和工作。,.,7,3-1路由器概述,二、路由器的结构,2.存储器,随机存储器（RAM）和计算机中的RAM一样，路由器中的RAM也是运行期间暂时存放操作系统和数据的存储器，让路由器能迅速访问这些信息。运行期间，RAM中包含路由表、ARP高速缓冲、日志项目和队列中排队等待发送的分组。除此之外，还包括运行配置文件、正在执行的代码、IOS和一些临时数据信息。路由器的类型不同，IOS代码的读取方式也不同。如思科2500系列只在需要时才从Flash中读入部分IOS；而4000系列整个IOS必须先全部装入RAM才能运行。前者称为Flash运行设备，后者称为RAM运行设备。,.,8,3-1路由器概述,二、路由器的结构,2.存储器,闪存（Flash）Flash是可读可写的存储器，在系统重新启动或关机之后仍能保存数据。Flash中存放着当前使用中的IOS。事实上，如果Flash容量足够大，甚至可以存放多个操作系统，这在进行IOS升级时十分有用。当不知道新版IOS是否稳定时，可在升级后仍保留旧版IOS，当出现问题时可迅速退回到旧版操作系统，从而避免长时间的网路故障。,.,9,3-1路由器概述,二、路由器的结构,2.存储器,非易失性RAM（NVRAM，NonVolatileRAM）NVRAM是可读可写的存储器，在系统重新启动或关机之后仍能保存数据。由于NVRAM仅用于保存启动配置文件（Startup-Config），故其容量较小，通常在路由器上只配置32KB128KB大小的NVRAM。同时，NVRAM的速度较快，成本也比较高。,.,10,3-1路由器概述,二、路由器的结构,3.接口,所有路由器都有“接口”(Interface)。在采用IOS的路由器中，每个接口都有自己的名字和编号。一个接口的全名由它的类型标识以及至少一个数字构成。编号自零0开始。例如，Ethernet0是第一个以太网接口的名称；而Serial2是第三个串口的名称。,.,11,3-1路由器概述,二、路由器的结构,3.接口（端口）,输入端口输入端口的功能：进行数据链路层的封装和解封装；在路由表中输入分组目的地址从而决定目的端口；为了提供QoS，端口要对收到的分组分成几个预定义的服务级别；路由查找完成后，通过交换开关将分组发送输出端口；参加对公共资源的仲裁协议。,.,12,3-1路由器概述,二、路由器的结构,3.接口（端口）,输出端口输出端口的功能：从交换结构接收分组，然后将它们发送到路由器外面的线路上。,.,13,3-1路由器概述,二、路由器的结构,3.接口（端口）,控制台端口几乎所有路由器都在路由器背后安装了一个控制台端口。控制台端口提供了一个EIATIA232(以前叫作RS232)异步串行接口、使我们能与路由器通信。至于同控制台口建立哪种形式的物理连接，则取决于路由器的型号。有些路由器采用一个DB25母连接(DB25F)，有些则用RJ45连接器。通常，较小的路由器采用RJ45控制台连接器，而较大路由器采用DB25控制台连接器。,.,14,3-1路由器概述,二、路由器的结构,3.接口（端口）,辅助端口大多数Cisco路由器都配备了一个“辅助端口”（AuxiliaryPort）。它和控制台湍口类似，提供了一个EIATIA232异步串行连接，使我们能与路由器通信。辅助端口通常用来连接Modem，以实现对路由器的远程管理。远程通信链路通常并不用来传输平时的路由数据包，它的主要的作用是在网络路径或回路失效后访问一个路由器。,.,15,3-1路由器概述,二、路由器的结构,4.交换开关,交换开关又称交换结构，其作用是根据转发表对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。三种常用交换方法：通过存储器交换；通过总线交换；通过交换矩阵交换。,.,16,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,1.路由器功能,协议转换路由器作为三层的网络设备，对接收来的数据进行下三层的解封装，最后发送到出口网络中，从而实现了不同协议、不同体系结构的网络之间的互连互通。,.,17,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,1.路由器功能,寻径寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化，并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议（routingprotocol）,.,18,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,1.路由器功能,转发转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点（路由器或主机），如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃；否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议（routedprotocol）。,路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念，前者使用后者维护的路由表，同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。,.,19,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,2.路由器工作原理,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（defaultgateway）”的路由器上。“缺省网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。,.,20,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,2.路由器工作原理,路由器转发IP分组时，只根据IP分组目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP分组送出去。路由器也要判定端口所接的是否是目的子网，如果是，就直接把分组通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来传送分组。路由器也有它的缺省网关，用来传送不知道往哪儿送的IP分组。这样，通过路由器把知道如何传送的IP分组正确转发出去，不知道的IP分组送给“缺省网关”路由器，这样一级级地传送，IP分组最终将送到目的地，送不到目的地的IP分组则被网络丢弃了。,.,21,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,2.路由器工作原理,如果一个主机有多个网络接口，当向一个特定的IP地址发送分组时，它怎样决定使用哪个接口呢？例子：目的子网掩码网关标志接口201.66.37.0255.255.255.0201.66.37.74Ueth0201.66.39.0255.255.255.0201.66.39.21Ueth1,路由表,.,22,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,2.路由器工作原理,说明：将所有目的地为网络201.66.37.0内主机（201.66.37.1201.66.37.254）的数据通过接口eth0（地址为201.66.37.74）发送；所有目的地为网络201.66.39.0内主机的数据通过接口eth1（地址为201.66.39.21）发送。标志U表示该路由状态为“up”（即激活状态）。对于直接连接的网络，一些软件并不象上例中一样给出接口的IP地址，而只列出接口。,路由表,.,23,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,2.路由器工作原理,上面只涉及了直接连接的主机，那么目的主机在远程网络中如何呢？,如果通过IP地址为201.66.37.254的网关连接到网络73.0.0.0，那么可以在路由表中增加这样一项：目的子网掩码网关标志接口73.0.0.0255.0.0.0201.66.37.254UGeth0此项告诉主机所有目的地为网络73.0.0.0内主机的分组通过201.66.37.254路由过去。标志G（gateway）表示此项把分组导向外部网关。,路由表,.,24,3.路由协议,静态路由是在路由器中设置的固定的路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。,两种典型的路由选择方式,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,25,动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果路由更新信息表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。,两种典型的路由选择方式,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,26,根据是否在一个自治域内部使用，动态路由协议分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。自治域指一个具有统一管理机构、统一路由策略的网络。自治域内部采用的路由选择协议称为内部网关协议，常用的有RIP、OSPF；外部网关协议主要用于多个自治域之间的路由选择，常用的是BGP和BGP-4。,两种典型的路由选择方式,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,27,RIP协议最初是为Xerox网络系统设计的，是Internet中常用的路由协议。RIP采用距离向量算法，即路由器根据距离选择路由，所以也称为距离向量协议。路由器收集所有可到达目的地的不同路径，并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路径信息，除到达目的地的最佳路径外，任何其它信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP协议通知相邻的其它路由器。这样，正确的路由信息逐渐扩散到了全网。,RIP路由协议,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,28,RIP使用非常广泛，它简单、可靠，便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络，因为它允许的最大站点数为15，任何超过15个站点的目的地均被标记为不可达。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络的广播风暴的重要原因之一。,RIP路由协议,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,29,80年代中期，RIP已不能适应大规模异构网络的互连，OSPF随之产生。它是网间工程任务组织（IETF）的内部网关协议工作组为IP网络而开发的一种路由协议。OSPF是一种基于链路状态的路由协议，需要每个路由器向其同一管理域的所有其它路由器发送链路状态广播信息。利用OSPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息，并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径。而基于距离向量的路由协议仅向其邻接路由器发送有关路由更新信息。,OSPF路由协议,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,30,与RIP不同，OSPF将一个自治域再划分为区，相应地即有两种类型的路由选择方式：当源和目的地在同一区时，采用区内路由选择；当源和目的地在不同区时，则采用区间路由选择。这就大大减少了网络开销，并增加了网络的稳定性。当一个区内的路由器出了故障时并不影响自治域内其它区路由器的正常工作，这也给网络的管理、维护带来方便。,OSPF路由协议,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,31,BGP是为TCP/IP互联网设计的外部网关协议，用于多个自治域之间。它既不是基于纯粹的链路状态算法，也不是基于纯粹的距离向量算法。它的主要功能是与其它自治域的BGP交换网络可达信息。各个自治域可以运行不同的内部网关协议。BGP更新信息包括网络号/自治域路径的成对信息。自治域路径包括到达某个特定网络须经过的自治域串，这些更新信息通过TCP传送出去，以保证传输的可靠性。在最新的BGP-4中，还可以将相似路由合并为一条路由。,BGP和BGP-4路由协议,3.路由协议,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,32,4.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，通常需要综合考虑以下几个设计目标：最优化：指路由算法选择最佳路径的能力。简洁性：算法设计简洁，利用最少的软件和开销，提供最有效的功能。坚固性：路由算法处于非正常或不可预料的环境时，如硬件故障、负载过高或操作失误时，都能正确运行。快速收敛：收敛是在最佳路径的判断上所有路由器达到一致的过程。灵活性：路由算法可以快速、准确地适应各种网络环境。,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,33,路由算法的分类路由算法按照种类可分为以下几种：静态和动态单路和多路平等和分级源路由和透明路由域内和域间链路状态和距离向量,4.路由算法,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,34,链路状态算法（也称最短路径算法）发送路由信息到互联网上所有的结点，然而对于每个路由器，仅发送它的路由表中描述了其自身链路状态的那一部分。距离向量算法（也称为Bellman-Ford算法）则要求每个路由器发送其路由表全部或部分信息，但仅发送到邻近结点上。从本质上来说，链路状态算法将少量更新信息发送至网络各处，而距离向量算法发送大量更新信息至邻接路由器。,4.路由算法,3-1路由器概述,三、路由器的功能与工作原理,.,35,3-1路由器概述,四、路由器的分类,1.按数据交换能力分类,高端路由器：背板交换能力40Gbps吞吐量10Gbps如Cisco的12000系列中端路由器：背板交换能力25Gbps40Gbps吞吐量几Gpbs10Gbps如Cisco的7500、7000、4000、3000系列低端路由器：背板交换能力10万小时。故障恢复时间：系统故障恢复时间=路由器的速率，并且最好将路由器直接连接至交换机。,一、路由器与局域网交换设备的连接,3-2路由器的连接,.,58,2.AUItoRJ-45,这种情况主要出现在路由器与集线器相连，如果路由器仅拥有AUI端口，而集线设备提供的是RJ-45端口，那么，必须借助于AUItoRJ-45收发器才可实现两者之间的连接。收发器与集线设备之间的双绞线跳线也必须使用直通线，,一、路由器与局域网交换设备的连接,3-2路由器的连接,.,59,.,60,3.SCtoRJ-45或SCtoAUI,这种情况一般是路由器与交换机之间的连接，如交换机只拥有光纤端口，而路由设备提供的是RJ-45端口或AUI端口，那么必须借助于SCtoRJ-45或SCtoAUI收发器才可实现两者之间的连接。收发器与交换机设备之间的双绞线跳线同样必须使用直通线。但是实际上出现交换机为纯光纤接口的情况非常少见。,一、路由器与局域网交换设备的连接,3-2路由器的连接,.,61,1.通过异步串行口连接,异步串口主要是用来与Modem设连接，用于实现远程计算机通过公用电话网拨入局域网络。除此之外，也可用于连接其他终端。当路由器通过电缆与Modem连接时，必须使用RJ-45toDB25或RJ45toDB9适配器来连接。,二、路由器与Internet接入设备的连接,3-2路由器的连接,.,62,.,63,2.同步串行口