现代交换原理与技术(第2版)课件第9章 路由器与IP交换技术

第9章路由器与IP交换技术本章主要内容TCPIP原理TCP/IP体系结构IP地址分配地址解析TCP/IP协议簇IPV6路由器工作原理路由器的硬件结构路由器原理及路由协议IP交换技术IP与ATM结合模型IP交换三层交换技术2025/12/221本章重点难点本章重点TCP/IP原理路由器原理及路由协议IP交换技术三层交换技术本章难点对路由器原理的理解第9章路由器与IP交换技术2025/12/222第9章路由器与IP交换技术计算机通信网的发展20世纪60年代末70年代初的ARPAnet

ARPAnet是美国国防部高级研究计划局建立的，它是世界上最早出现的计算机网络，现代计算机网络的许多概念和方法，如分组交换技术都来自ARPAnet，ARPAnet不仅进行了租用线互联的分组交换技术研究，而且作了无线、卫星网的分组交换技术研究。其结果导致了网络协议TCP/IP（TransmissionControl/InternetProtocol)的问世1994年是Internet轰动全球的一年，这年5月，中国加入了Internet网络

1995年，除了Internet应用继续迅猛发展外，随着Internet技术的深入发展，一个使用方便、价格低廉的企业(单位)内部信息交换网Internet应运而生。Internet发展势头迅猛，它将企业（单位）带进网络时代2025/12/223计算机网络基础计算机网络的分类按规模局域网(LocalAreaNetwork，LAN)：是小范围的计算机网络。它的覆盖范围一般在10公里以内。设备的更新、新技术的引用都比较容易，所以传输速率也比较高，常常可以达到10-100Mbps。以太网（Ethernet）：最广泛的局域网广域网(WideAreaNetwork，WAN)

也叫做远程网，它可以覆盖几公里至几千公里的范围。广域网的通信子网主要使用分组交换技术，并使用传统的电话网(公用通信网)、卫星通信网、无线网来传输信息。广域网的传输速率较低，一般在几十K至几Mbps之间。Internet可视为世界上最大的广域网2025/12/226局域网标准20世纪70年代，电子和电器工程师协会（IEEE）制定了三个局域网标准三个局域网标准IEEE802.3(CSMA/CD)采用载波侦听多路访问/冲突检测技术IEEE802.4(令牌总线)：令牌来控制发送数据站点IEEE802.5(令牌环网)：令牌来控制发送数据站点

值得注意的是，这三个标准只描述了分层结构中下面一层半（即物理层和介质访问子层）的内容，数据链路子层的上半层（LLC）由IEEE802.2描述。著名的以太网（Ethernet）就是IEEE802.3的一个典型产品这三个局域网标准都是广播型网络，网上的所有站点共享传送信道，一站点发送数据，其它站点都能收到。在广播型网络上，同时只能有一个站点处于发送数据状态，因此，必须解决谁使用信道发送数据的信道竞争问题。以太往采用载波侦听多路访问/冲突检测技术，在发送数据的同时进行冲突检测，一旦检测到冲突则立即停止发送，当发现空闲时立刻发送数据；而令牌总线和令牌环则采用令牌来控制，只有获得令牌的站点能向网上发送数据。2025/12/227计算机网络的拓扑结构计算机网络拓扑结构是指网络中各结点与通信线路之间的关系结构，实际上主要是指通信子网的拓扑结构。常见的几种拓扑结构星型拓扑：由一个中心结点与各站点之间呈辐射状连接，中心结点对全网的通信实行集中控制，任何两个结点之间的通信都必须通过中心结点来实现。星型拓扑结构简单，访问协议简单，单机故障不会影响网络运行；但是对中心结点的可靠性要求高，中心结点出现故障，整个网络就会瘫痪，系统的扩充比较困难总线型拓扑：所有的站点都连接到一条公用传输线--总线上，就形成了总线型计算机网络结构。其优点是结构简单，易于扩充、价格低廉，容易安装。缺点是出现故障后需要检查总线在各结点的连接，因此查错比较困难；虽然某台计算机故障不会影响网络运行，但是若总线断开则网络将不可使用2025/12/228环型拓扑：使网络中各站点首尾相连，以通信线路连接成一个封闭的环路，数据只能在环路中沿着一个方向逐点传输。环型拓扑结构简单，传输延时确定，适合光纤介质网络；但是任何一个结点的故障都会使全网瘫痪，而且结点的增加或减少都比较困难树型拓扑：由星型拓扑演变而来，形状像一棵根在上方的大树。各结点按层次进行连接，信息交换主要在上下结点之间进行。树型拓扑结构中的故障比较容易检测和隔离2025/12/229计算机通信的演进和发展

使用RS-232技术的近程互连结构使用调制解调器技术的远程互连结构计算机A计算机B计算机A计算机B调制解调器调制解调器图9.1计算机的互联结构（一）2025/12/2210计算机总线型局域网互连通信结构计算机A计算机B计算机C图9.2计算机的互联结构（二）2025/12/2211两个局域网互连结构路由器LANLAN在Internet中，完成信息交互和网络互联的技术是通过路由器(网关)来实现的路由器连接的两个网络可以是同种类型的，也可以是不同类型的图9.2计算机的互联结构（三）2025/12/2212互联网网络1网络4网络3网络2图9.4计算机的互联结构（四）2025/12/2213Internet的原型思想用不同的网卡插入某台计算机就可以使该计算机接入到不同技术的局域网上，并且能与网上的其他计算机进行通信。另外，在一台计算机上可以同时插入两种或更多种不同技术的网卡，那么一台计算机就可以连接到两个或更多的网络上。如果对该台计算机所连接的多个网络及其站点进行网络编号，并运行网间数据转发协议软件，那么该台计算机就可以执行异构网络站点之间的分组数据转发任务，这就是Internet的原型思想

路由选择选择一个网络向其发送分组的过程称为路由选择路由器在互联网络中执行路由选择任务的专用计算机称为路由器或称其为网关2025/12/2214网络互连的目标是通过异构网络实现通用服务，路由器必须把一个网络中的源计算机发出的信息，转发到另一个网络中的目标计算机，这一任务是很复杂的，因为组成互连网的各个子网使用的帧格式和编址方案不尽相同。这样为了实现通用服务，在计算机和路由器上都要协议软件。如同两个人必须会同一种语言才能交流一样，这一道理同样适用于计算机，因此在因特网中，也为异构网互联定义了一系列通信协议，这些协议简称为传输控制协议/网络互连协议（TCP/IP）网络协议在计算机网络中，计算机之间通信时必须遵守一定的规定和规程，以便保证能够互相连接和正确交换信息，这些约定和规程是事先制定的，并以标准的形式固定下来，这就是网络协议2025/12/2215

9.1TCP/IP基本原理什么是TCP/IP协议

TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写，中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议是Internet最基本的协议，简单地说，就是由底层的IP协议和TCP协议组成的。TCP/IP协议的开发工作始于70年代，是用于互联网的第一套协议

在Internet没有形成之前，各个地方已经建立了很多小型的网络，称为局域网，Internet的中文意义是“网际网”，它实际上就是将全球各地的局域网连接起来而形成的一个“网之间的网（即网际网）”。然而，在连接之前的各式各样的局域网却存在不同的网络结构和数据传输规则，将这些小网连接起来后各网之间要通过什么样的规则来传输数据呢？这就象世界上有很多个国家，各个国家的人说各自的语言，世界上任意两个人要怎样才能互相沟通呢？如果全世界的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗？TCP/IP协议正是Internet上的“世界语”

2025/12/2216TCP/IP的突出特点在于其网络互连功能

TCP/IP它本身是在物理网（X.25、FR、LAN等）上的一组网络协议族。TCP/IP是两个最著名的协议，其它协议包括用户数据报协议（UDP）、互联网控制报文协议（ICMP）以及地址解析协议（ARP）等计算机通信是一项非常复杂的工作，不可能把它作为一个整体来处理，也不能设计出包括所有功能的协议。因此，一般把网络按功能分层，使每一层的功能易于实现和管理TCP/IP协议的开发工作始于70年代，是用于互联网的第一套协议。下面就为大家介绍TCP/IP协议的相关内容2025/12/2217TCP/IP分层模型与OSI模型的对比应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层7654321SMTPDNSNSPFTPTelnet

TCP

IP以太网、令牌总线、令牌环、FDDI、ARPANET、PDN等协议电缆、连接器、信号等电器特性协议ICMPRARPARPIP5、应用层1、物里层2、网络接口层4、传输层3、网间网层简单由间传送协议域名服务协议命名服务协议远程登陆协议文件传输协议2025/12/2218物理层TCP/IP第一层为物理层对应于网络的基本硬件，这也是Internet物理构成，即我们可以看得见的硬设备，如PC机、互连网服务器、网络设备等，必须对这些硬设备的电气特性作一个规范，使这些设备都能够互相连接幷兼容使用，如同OSI的第一层网络接口层TCP/IP第二层为网络接口层，它定义了将资料组成正确帧的规程和在网络中传输帧的规程，帧是指一串资料，它是资料在网络中传输的单位，类似于OSI的第二层网间网层TCP/IP第三层为网间网层即IP层，本层定义了互联网中传输的“信息包”格式，以及从一个用户通过一个或多个路由器到最终目标的"信息包"转发机制2025/12/2219传输层TCP/IP第四层为传输层，为两个用户进程之间建立、管理和拆除可靠而又有效的端到端连接，类似于OSI的第四层应用层TCP/IP第五层为应用层，它定义了应用程序使用互联网的规程，对应于开放系统的第5--7层在TCP/IP协议族分层模型中，核心层是网间网层和传输层，相应的接口协议是IP和TCP两大协议

TCP/IP协议是Internet网中计算机通信的一组约定，不是计算机语言2025/12/2220

IP协议网间网协议IP(InternetProtocol):提供无连接的包传送服务。主要功能包括无连接数据报传送、数据报寻径和差错处理三个部分网际协议IP协议提供了能适应各种各样网络硬件的灵活性，对底层网络硬件几乎没有任何要求，任何一个网络只要可以从一个地点向另一个地点传送二进制数据，就可以使用IP协议加入

Internet了

IP协议对于网络通信有着重要的意义：网络中的计算机通过安装IP软件，使许许多多的局域网络构成了一个庞大而又严密的通信系统。从而使

Internet看起来好象是真实存在的，但实际上它是一种并不存在的虚拟网络，只不过是利用IP协议把全世界上所有愿意接入

Internet的计算机局域网络连接起来，使得它们彼此之间都能够通信

IP层的特点提供无连接的数据报传输机制。IP数据报协议非常简单，不能保证传输的可靠性IP协议是点到点的协议。IP层点对点通信的一个最大问题是寻径，即通过信宿IP地址如何确定通信的下一点的问题。一旦确定了通信的下一点，点到点通信便可建立起来

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IP数据报格式IP数据报格式：由报头和正文两部分组成。报头有20字节的固定段和任选的变长段版本头标长服务类型总长度标识标志段偏移量生存时间协议头标校验和源IP地址信宿IP地址任选项填充域

数据

报头数据区0481516202431bit表9-1IP数据报格式2025/12/2222

IP地址模式IP地址用来惟一识别Internet网中的计算机，任何两台计算机不能具有相同的IP地址，在1981年定义的IP版本4(IPV4）中，IP地址长度为4个字节32位，包括网络编号和主机号两部分0网络号主机号10网络号主机号110网络号主机号1110多目的地址（多点广播组地址）11100保留实验用01624318表9-2IP地址模式2025/12/2223在Internet中，按网络规模的大小，将IP地址分为A、B、C三类，D类是为同播定义的，E类地址，保留为实验用。IP地址用四组十进制点分表示，每组数的取值范围为0--255，利用圆点将各组分开。IP地址方案是为主机和路由器指定的高级协议地址0~127A类地址：第1字节表示网络号，第2、3、4字节表示主机号，可以划分27个网络，每个网络有224台主机。所以A类地址通常分配给规模特别庞大的网络使用128~191B类地址：第1、2字节表示网络号，可以划分214个网络，每个网络有216台主机。所以B类地址通常分配给大型网络使用192~223C类地址：第1、2、3字节表示网络号，可以划分221个网络，每个网络有28台主机。所以C类地址通常分配给小型网络，如大量的局域网和校园网都使用C类地址2025/12/2224

地址解析协议（ARP）

什么是ARP协议

ARP协议是“AddressResolutionProtocol”的缩写。在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程，即将一台计算机的IP地址翻译成等价的硬件地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。地址解析是一个网络内的局部过程，即一台计算机能够解析另一台计算机的充要条件是两台计算机都连在同一物理网络中，一台计算机无法解析远程网络上的计算机地址。（IP软件地址→MAC硬件地址）2025/12/2225ARP定义了两类基本消息请求消息:一个请求消息，包含一个IP地址和对相应硬件地址的请求应答消息:一个应答消息既包含发来的IP地址，也包含相应的硬件地址ARP标准ARP标准精确规定了ARP消息怎样在网上传递。协议规定：所有ARP请求消息都直接封装在LAN帧中，广播给网上所有计算机，每个计算机收到请求后都会检测其中的IP地址，与IP地址匹配的计算机发送一个应答，与IP地址不匹配的计算机则会丢弃收到的请求，不发任何应答

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互连网控制消息协议（ICMP）

什么是ICMP协议ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息协议）的缩写。它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用

我们在网络中经常会使用到ICMP协议，只不过我们觉察不到而已。比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令，这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。还有其它的网络命令如跟踪路由的Tracert命令也是基于ICMP协议的互连网控制报文协议的目的就是为了诊断将报文传送到目的地有无错误，是IP中不可分割的一部分，仅仅是关于网络问题的返回报告，并不是为了增加IP数据报的可靠性2025/12/2227ICMP报文格式包含类型、代码及校验和三个固定的域，剩余的内容依赖于消息类型

类型代码校验和未使用出错报文的IP报头+64源数据段0815162431Bit2025/12/2228

TCP协议

传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol):TCP是面向连接的协议，它提供两个网络设备间数据有保障的顺序传递尽管计算机通过安装IP软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收资料，但IP协议还不能解决资料分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可能出现的问题，连上

Internet的计算机还需要安装TCP协议来提供可靠的幷且无差错的通信服务

TCP协议被称作一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间的连接起了重要作用：当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，TCP协议会让它们建立一个连接、发送和接收资料以及终止连接传输控制协议TCP利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化。即使在Internet暂时出现堵塞的情况下，TCP也能够保证通信的可靠2025/12/2229

TCP协议众所周知，

Internet是一个庞大的国际性网络，网络上的拥挤和空闲时间总是交替不定的，加上传送的距离也远近不同，所以传输资料所用时间也会变化不定。TCP协议具有自动调整“超时值”的功能，能很好地适应

Internet上各种各样的变化，确保传输数值的正确因此，从上面我们可以了解到：IP协议只保证计算机能发送和接收分组资料，而TCP协议则可提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务综上所述，虽然IP和TCP这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用，但它们是在同一时期作为一个协议来设计的，幷且在功能上也是互补的。只有两者的结合，才能保证

Internet在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到

Internet的计算机，都必须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把这两个协议统称作TCP/IP协议

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TCP协议TCP段格式：TCP采用段来指明一个消息

源端口目的端口序号确认号段头长度保留码位窗口校验和紧急指针任选项填充数据

……2025/12/2231

TCP协议与IP的关系TCP使用IP来携带消息，每一个TCP消息封装成一个IP数据报后通过互联网。当数据报到达目的主机，IP将数据报的内容传给TCP。注意：尽管TCP使用IP来携带消息，但IP并不阅读或干预这些消息。因而，TCP只把IP看作一个负责连接两个端点主机的通信系统，而IP只把每个TCP消息看作数据传输

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UDP（用户数据报）协议UDP协议是英文UserDatagramProtocol的缩写，即用户数据报协议，UDP提供无连接的数据报服务（TCP是面向连接的协议），广泛用于倾向于直接使用数据报服务的应用程序，UDP非常适合于单个报文的请求与应答，通常用来实现事务功能。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议UDP是轻权协议，处理开销很小。由于简单，它很适合那些不需要TCP全部特性的应用UDP不提供有保证的数据传送，也不保证数据的传输顺序UDP协议与我们所熟知的TCP（传输控制协议）协议一样，直接位于IP协议的顶层。根据OSI（开放系统互连）参考模型，UDP和TCP都属于传输层协议2025/12/2233UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式。一个典型的数据报就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据报的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据UDP的数据报格式源端口目的端口长度校验和数据

……1516Bit头部8个字节2025/12/2234

IPV6

因特网在1978年第一次出台的时候，4字节32比特的地址看起来还是非常充裕的,因为这种地址方案能方便地将地址保存在32比特宽的内存中，而且还能很好地将报头对齐，提高编程效率随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。新版IP于1995年取得标准化，称为IPv6。它简化了IP报文格式，把IP地址增加到16字节128比特，这可以让TCP/IP继续应用越来越大的应用范围IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005～2010年间将被分配完毕；而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题。2025/12/2235IPv6的主要优势体现在以下几方面扩大地址空间提高网络的整体吞吐量改善服务质量(QoS)安全性有更好的保证支持即插即用和移动性更好实现多播功能。

2025/12/2236第9章路由器与IP交换技术9.2路由器工作原理因特网是一个由众多网络互联而成的世界范围内的计算机网络。因特网完成信息交互和网络互联的技术是通过路由器来实现的。

路由器路由器是互联网络中必不可少的网络设备之一，路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备。所谓“路由”，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作。而路由器，正是执行这种行为动作的机器，它的英文名称为Router。路由器作用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。2025/12/2237第9章路由器与IP交换技术路由器有两大典型功能数据通道功能：包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成；控制功能：一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。路由器的基本功能

路由器是一种多端口设备，它可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议。路由器属于O

S

I

模型的第3层--网络层路由器指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网络向另一种网络的数据传输。其功能有：网络互连：路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连局域网和广域网，实现不同网络互相通信；数据处理：提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能；网络管理：路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。

2025/12/2238第9章路由器与IP交换技术路由器的工作原理为了完成“路由”的工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据－－路由表（RoutingTable），供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。在路由器中涉及到两个有关地址的名字概念，那就是：静态路由表和动态路由表。静态（static）路由表是由系统管理员事先设置好固定的路由表。一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议（RoutingProtocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。2025/12/2239路由器的基本组织结构路由器实际上是一台计算机，只是多了一些连接不同网络介质类型的网卡而已网卡1网卡2接收/发送缓存区1接收/发送缓存区2IP协议处理软件路由选择表IP路由软件图9.5路由器的基本组织结构网络1网络22025/12/2240

路由器的报文转发原理当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子网上的主机时，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地址目前TCP／IP网络，全部是通过路由器互连起来的，Internet就是成千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。这种网络称为以路由器为基础的网络（routerbasednetwork），形成了以路由器为节点的“网间网”。在“网间网”中，路由器实现两个基本功能：一、负责对IP分组的转发；二、负责与别的路由器进行联络，共同确定“网间网”的路由选择和维护路由表2025/12/2241路由动作包括两项基本内容：寻径和转发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。由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法，要相对复杂一些。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（nexthop）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），例如路由信息协议（RIP）、开放式最短路径优先协议（OSPF）和边界网关协议（BGP）等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2025/12/2242一个互联网通信实列网络1路由器1网络2网络3路由器2用户B用户A0C1C2R02输出接口序号直接连接协议路由目的网络地址下一路由器的网络接口地址C1C2R1路由选择表路由选择表图9.6互联通信网实例2025/12/2243

路由选选择表的生成和维护路由选择表：是关于当前网络拓扑结构的信息并为网间所有的路由器共享。路由选择表的信息包括哪些链路是可操作的哪些链路是高容量的等等，共享的具体信息内容由所采用的路由信息协议决定。维护路由选择表功能：就是利用路由信息协议，随着网络拓扑的变换不断地自动更新路由选择表的内容路由表的生成方式

手工方式自动方式2025/12/2244任何路由器启动时，都必须获取一个初始的路由选择表。不同的网络操作系统，获取初始路由选择表的方式可能不同。总的来说，有三种方式路由器启动时，从外存读入一个完整的路由选择表，长驻内存使用；系统关闭时，再将当前路由选择表（可能经过维护更新）写回外存，供下次使用路由器启动时，只提供一个空表，通过执行显示命令（比如批处理文件中的命令）来填充路由器启动时，从与本路由器直接相连的各网络的地址中推导出一组初始路由，当然，通过初始路由只能访问相连网络上的主机由此可见，无论哪种情况，初始路由选择表总是不完善的，需要在运行过程中不断地加以补充和调整，这就是路由选择表的维护2025/12/22459.3IP交换技术IP交换的产生基于共享介质的传统因特网适于低速通信；存在资源竞争；用户数增加导致效率下降；没有Qos保障。多媒体通信的发展要求高速通信；要求Qos保障；因特网的发展用户和规模增长；WWW带来的信息量增加；多层路由器饱和；继续扩充使经济性和效率下降。共享介质的传统的因特网——路由器技术：主是基于共享介质类型的物理网络通过路由器互连而成，它适于低速数据通信；共享介质型网络结构，用户必须竞争网络资源；当用户数量增加时，每个用户获得的链路传送能力将大幅度下降，不能保证用户的通信服务质量要求2025/12/2246在路由器网络引入交换机构（产生了IP交换）来源：IPSwitch是Ipsilon专门用于ATM网上传送IP分组的技术目的：使IP更快并提供业务质量支持。方法：抛弃面向连接的ATM软件，保留ATM交换硬件结果：同时获得无连接IP的强壮性以及ATM交换的高速和大容量IP交换（IPSwitch）是Ipsilon公司在1996年提出的专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，即（人们常说的IPoverATM技术），IP交换技术是一种多层交换技术。IP交换根据IP流的业务特征（即端口号），对不同业务的IP流采用不同的路由。IP交换技术能使具有ATM交换机性能的设备执行路由器的功能；Internet骨干网的首选技术无疑是ATM，这就涉及到了IP交换技术，即在ATM网上跑IP包。

IP交换技术打算抛弃面向连接的ATM软件，而在ATM硬件的基础之上直接实现无连接的IP选路。该方法是为了获得无连接的IP的强壮性以及ATM交换的高速、大容量等优点Ipsilon定义了叫作IP交换机的新设备，本质上它是连接到ATM交换机上的路由器，去除了所有ATM论坛的协议2025/12/2247IP交换的构成及工作原理IP交换机的构成定义：一个附有交换硬件的路由器，能够在交换硬件中高速缓存路由策略。构成：ATM交换机硬件＋IP交换控制器。改造：AAL5的控制软件，用IP路由软件取代。图9.7IP交换机结构GSMP：ATM交换机和IP控制器之间的控制管理IFMP：用于在两个IP交换机之间传送数据，为了获得交换的效益，它定义一种既具有ATM标签也符合IP流的机制2025/12/2248图：IpsilonIP交换机组成路由器路由器交换机交换机IP交换机IP交换机重新标记数据流重新标记数据流重新标记数据流选路通路交换通路图9.8IpsilonIP交换功能模型2025/12/2249交换协议RFC（RequestforComments）请求注释。是关于ARPANET和Internet所有标准、协议、文献、资料等的头标RFC1987通用交换管理协议（GSMP）：ATM交换机和IP控制器之间的控制管理；RFC1953Ipsilon流管理协议（IFMP）：两个IP交换机之间传输数据。默认虚信道：启动阶段在IP交换机及其邻接交换机的控制软件之间建立，用于缺省的Hop-by-Hop转移路径。IP交换的基本概念是流的概念流的定义：从ATM交换机输入端口输入的一系列有先后关系的IP包，由IP控制器的路由软件处理。

IP交换机的工作原理IP交换机系统启动阶段，就在IP交换机和相邻交换机的控制软件之间建立一条默认的虚信道，随后这条信道将被用作缺省的IP数据报的跳到跳转移路径。在ATM交换机和IP交换控制器之间所使用的控制协议为通用交换管理协议（GSMP），它使IP交换控制器能对ATM交换机进行完全控制。在IP交换机之间运行的是流管理协议（IFMP），该协议用于在两个IP交换机之间传送数据，为了获得交换的效益，它定义一种既具有ATM标签也符合IP流的机制2025/12/2250IP交换的核心是把输入的数据流分类流分类器作用：决定是否要交换一个流、并用一个驱动器来控制硬件。IP交换把输入的数据流分为持续期长、业务量大的用户数据流：如FTP、Telnet、HTTP、多媒体和视频数据，采用ATM直接交换；要建立连接，交换速度快、质量高、可广播、多播；要在ATM内部建立VCI（同一个流的个信元VCI相同），采用IFMP协议管理VCI标签和流之间的关系。持续期短，业务量小，呈突发分布的用户数据流。如DNS、SMTP、SNMP数据，采用IP路由；通过IP交换控制器中的IP路由软件完成转送，即采用传统路由器类似的跳到跳的存储转发方式，采用这种方法省去了建立ATM虚连接的开销（不要建立连接，传统方法，较慢）2025/12/2251图9.9IP交换与传统的路由器转发方式比较IP交换机上的数据转发方式IP交换机是通过直接交换或跳到跳得存储转发方式实现IP分组的高速转移，如图b所示2025/12/2252IP交换机通过ATM交换机完成直接交换的过程ATMSwitchIPSwitch控制器ATMSwitchIPSwitch控制器(a)(b)①①接收输入流，交IP交换控制器的选路软件处理。首先根据TCP或UDP的port识别流分类；其次如果不用ATM交换，就用Hop-by-Hop路由处理②②一但业务流被识别为直接的ATM交换,那么，IP交换机要求上游节点把该业务流放在一条新的虚通路上③③如果上游节点同意建立虚通路，则该业务流就在这条虚通路上进行传送上游节点上游节点下游节点下游节点2025/12/2253AIPSwitch控制器

ATMSwitchIPSwitch控制器(c)(d)上游节点下游节点上游节点下游节点④⑤

ATMSwitch⑥④下游节点要求IP交换机控制器为该业务建立一条输出的虚电路⑤通过③和④，该业务流被分离到特定的呼入虚通路和特定的输出虚通路上⑥通过旁路路由，IP交换机控制器指示ATM交换机完成直接交换图9.10IP交换机通过ATM交换机完成直接交换的过程2025/12/2254

IP交换机所使用的协议

IP交换通用交换管理协议（GSMP协议）定义：GSMP是一个多用途的协议，用于IP交换机控制器，它是一个异步协议。在GSMP中，它把IP交换机控制器设置为主控制器，ATM交换机被设置为从属的受控设备GSMP是运行在IP交换机内部的IP交换机控制器和ATM交换机之间，使得IP交换机的路由实体能够控制ATM交换机内部的资源和连接表作用：IP交换机控制器利用GSMP指导ATM交换机为某个用户业务流建立新的VPI/VCIIP交换机控制器通过GSMP协议向ATM交换机发出下列管理要求建立和释放跨越ATM交换机的虚连接；在点到多点连接中，增加或删除端点；控制ATM交换机端口；进行配置信息查询；进行统计信息查询。2025/12/2255GSMP协议内容特点：简单、主从方式、请求响应式、不可靠消息传输、没有错误检测和重传功能；GSMP消息通路：默认虚通路（VPI/VCI＝0/15）消息封装：AAL5LLC/SNAP（尽量小，可以复用）状态同步机制：邻接协议（AdjacencyProtocol）

图9.12GSMP消息格式2025/12/2256消息类型建立邻接关系后就可以发出5种消息：配置、连接管理、端口管理、统计、事件处理能力代码：2000行性能：1000条连接/s改进：包处理和AAL处理用SAR（拆装子层）器件代替2025/12/2257IP交换流管理协议

（IFMP协议）定义：用来实现在邻接的IP交换机控制器、IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间请求分配一个新的VPI/VCI的控制操作。即：给流附加一个标签，使流的路由更有效。IFMP协议中定义了两种流类型流类型1：端口对流类型流类型2：主机对流类型IFMP协议运行在相邻的IP交换机控制器之间，使得两个相邻的IP交换机能够对同一个数据流的信元进行分类并重新标记VPI/VCI值IFMP作用跨越IP交换机在网络中组成独立运行的链路，是IFMP对等实体间互联，在ATM链路上使用默认虚通路（VPI/VCI＝0/15）IFMP目的：通知一条链路的发送端将一个VCI与特定的流关联，VCI由链路的接收端决定。2025/12/2258端口对流类型非交换方式流的所有数据包都以Hop-by-Hop方式在IP交换机控制器之间每条链路上的默认通路转发。主机对流类型允许在相同主机对间的留中加入业务质量的区分，可支持基于流的防火墙安全性。流的标记在交换之前进行：a、入口链路上的接收机选择一个空闲VCI；b、向上游发送一个IFMP重定向消息；c、查看下游链路上的流是否标记；d、若收到一个重定向请求消息，去查看上游流是否标记；e、上下游均标记后，流就会直接交换；注意：重定向TTL及其刷新。IP包的封装：IP包＝》ATM的AAL5封装＝》重定向改变封装发布重定向消息的交换机备份IP头被取消的字段；可选定的VCI关联；完成后恢复完整的IP头。附带作用：基于流的防火墙！2025/12/2259第9章路由器与IP交换技术9.4三层交换技术

计算机技术与通信技术的结合促进了计算机局域网的飞速发展，从20世纪60年代末Aloha网的出现，到90年代后期千兆交换式以太网的登台亮相，短短的30年间，经历了从单工到双工、从共享到交换、从低速到高速、从简单到复杂、从昂贵到普及、从第二层交换到多层交换的飞跃。三层交换的起源

二层交换技术从最早的网桥发展到VLAN。第二层交换技术工作在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层。它按照所接收到数据包的目的MAC地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理网络层的IP地址，不处理高层协议的诸如TCP、UDP的端口地址，更不可能识别来自应用层的协议，它只需要知道数据包的物理地址即MAC地址，数据交换是靠纯硬件来实现的，其速度相当快，从10Mb、100Mb、到如今的1000Mb或更高，其发展相当迅速，这是二层交换的一个显优点。但是，它不能处理不同IP子网之间的数据交换。

2025/12/2260第二层交换技术1.共享介质连接组网

典型的介质访问控制方式有CSMA/CD、TokenRing、TokenBus。介质访问控制方式用来提高公共传输介质的使用效率，使每个结点都能够公平地使用公共传输介质。从交换的角度上看，可以把共享介质连接组网方式看成是异步时分的交换方式。集线器经典的10Base-T以太网的中心连接设备被称为集线器（Hub），它是对“共享介质”总线型局域网结构的一种改进：用集线器作为以太网的中心连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。共享介质连接组网的缺点

由于共享带宽，当局域网规模不断扩大，每个主机平均能分到的带宽将越来越少，网络通信负荷加重，冲突和重发现象将大量发生，网络效率急剧下降，网络传输延迟增长，整个网络服务质量下降。

第9章路由器与IP交换技术2025/12/22612.交换式连接组网

图8-9表明了交换型局域网中交换机所实现的功能，站点A和E，站点B和F，站点C和D之间分别建立起三条独立连接，从而实现站点A和E、B和F、C和D之间数据包的互发。很明显，交换式连接的局域网以数据链路层的帧为数据交换单位，围绕局域网交换机构成网络，从根本上解决了共享以太网所带来的问题。

图9.13局域网交换机的功能

2025/12/2262交换式连接组网的主要特点允许多对站点同时通信，每个站点可以独占传输通道和带宽。易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利用网络带宽。交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，它们能够实现无缝连接。可互连不同标准的局域网。典型的交换局域网图例

图9.14局域网交换机与主机的连接实例

2025/12/2263下面用图来具体说明典型的局域网交换机结构与工作过程。

图中的交换机有6个端口，其中端口1，4，5，6分别连接了结点A，结点B，结点C与结点D。那么交换机根据以上各端口号与结点MAC地址的对应关系形成图右侧的端口号/MAC地址映射表。那么结点A与结点D同时要发送数据，则分别在自己要发出的MAC帧的目的地址字段（DA）中插入对方的MAC地址。当结点A和结点D传送的MAC帧通过交换机时，交换机的交换控制中心根据端口号/MAC地址映射表的内容找出帧的目的地址的输出端口号，即可实现交换的目的了。端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。

2025/12/2264局域网交换机和集线器的差异交换机的帧转发方式可以分为直接交换方式、存储转发方式和改进型直接交换方式。从连接组网的形式看，交换机与集线器比较类似，但实际工作原理却有很大的不同。从OSI体系结构看，集线器工作在第一层，是一种物理层的连接设备，因而它只对数据的传输进行同步、放大和整形处理，不能对数据传输的短帧、碎片等进行有效的处理，不进行差错处理，不能保证数据的完整性和正确性。而交换机工作却是在OSI的第二层，属于数据链路层的连接设备，不但可以对数据的传输进行同步、放大和整形处理，还提供数据的完整性和正确性的保证机制。从工作方式和带宽来看，集线器是一种广播模式，一个端口发送信息，所有的端口都可以接收到，容易发生广播风暴；同时集线器共享带宽，当两个端口间通信时，其他端口只能等待。相反，交换机是一种交换方式，一个端口发送信息，只有目的端口可以接收到，能够有效的隔离冲突域，抑制广播风暴；同时每个端口都有自己的独立带宽，两个端口间的通信不影响其他端口间的通信。2025/12/2265IP网络面临的困境多媒体通信的迅猛发展（如网络电话、电子商务、视频会议等），往往要求网络能提供具有不同QoS等级的综合业务（如时延、带宽、分组丢失率的保证）。但Internet基于面向无链接的IP协议，只能提供尽力而为（best-effort）服务，因此无法提供QoS保证。IP网络采用的是共享介质的网络结构，这就不可避免的存在着网络资源的竞争，虽然网络带宽很大，但当用户数增加时，每个用户实际获得的链路传送能力将大幅下降。

2025/12/2266第三层交换技术

第三层交换技术=第二层交换技术+第三层转发。第三层交换设备=带有第三层路由功能的第二层交换机。

第三层交换技术，解决局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面，从而解决传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。仅仅在路由过程中才进行第三层的处理，绝大部分数据都通过第二层交换转发，因此第三层交换机的速度很快，接近第二层交换机的速度。2025/12/2267第三层交换机的工作原理假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行第二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A要向默认网关发出ARP（地址解析）封包，而默认网关的IP地址即是第三层交换机的第三层交换模块。当发送站A对默认网关的IP地址广播出一个ARP请求时，如果第三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址。否则，第三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，B站得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A，同时将B站的MAC地址发送到第二层交换功能模块的MAC地址表中。之后，A再向B发送的数据包便全部交给第二层交换处理，信息因此得以高速交换。

2025/12/2268ATM与IP融合背景为什么要融合？

ATM曾被认为是一种十分完美的、用来统一整个通信网的技术，未来的所有话音、数据、视频等多种业务均通过ATM来传送。国际上，特别是电信标准化机构对该项技术进行了多年的研究，而且也得到了实际应用。但事与愿违，ATM没有能够达到原来所期望的目标。相反，IP的发展速度大大出乎人们的预料，占领了市场。然而至今为止，却没有一种成熟、独立的IP骨干网技术，IP技术有一定的先天缺陷，例如服务质量难以保证等问题。表9-3ATM与IP技术比较

2025/12/2269因此，如何使ATM技术融入IP，如何将路由和交换结合起来，如何解决IP无连接和ATM面向连接的矛盾，以支持规模日益增长的Internet和多媒体业务，成为研究的热点。ATM和IP毕竟来源于不同的技术团体，有着各自的应用。IP的目的是以不确定的状态将分组发送到目的地，它是非连接的，没有服务质量的保证；而ATM的目的是提供有保证的综合业务，是面向连接的，基于快速的固定长度信元的交换。ATM和IP的巨大差异使得有效地将两者融合成为难题。2025/12/2270IP与ATM融合的实现

IP与ATM融合可分成两大类：重叠模式和集成模式重叠模式的优点：减少了ATM与IP的相互限制，有利于它们独立地发展并向未来的B-ISDN过渡；但缺点是：IP技术和ATM技术不能有效地结合，无论是分组的封装效率、建立链路的时延、对组播的支持以及对QoS的支持都不够理想。2025/12/2271重叠模式的IP交换技术IPoverATM的基本原理

图9.15IPoverATM分层模型与封装示意图

2025/12/2272重叠模式的实现标准：IETF制定的CIPOA（C1assicIPoverATM）ATMForum制定的LANE（LANEmulation）MPOA（Multi-ProtocoloverATM）。集成模型技术

随着为Internet核心网专门设计的高性能骨干网路由器的出现，以及ISP对ATM所提供的性能的要求不断增长，人们已意识到不应该再采用两套分立设备来实现结构复杂的重叠模式，相应地，业界的研究方向也从“如何实现IP与ATM技术的相互操作”转向“怎样有效集成传统的第2层与第三层的最优属性”，并随后推出了集成模式。集成模式是将IP层的路由功能与第2层交换功能结合起来，使IP网络获得ATM的选路功能。ATM端点只需使用IP地址进行标识，而不再需要地址解析协议，在ATM网络内使用现有的网络层路由协议来为IP数据包选择路由。2025/12/2273集成模式中，ATM使用的信令发生了重大改变，即网络中UNI与NNI之间的信令已不再是ATM论坛或ITU-T定义的传统信令，而是一套专有的控制信令，其目的在于能够快速建立连接，以满足对无连接IP业务快速切换的要求。集成模式又可分为数据驱动(流驱动)和控制驱动两种类型。数据驱动：第二层的交换通路由数据流触发，按需要临时建立。控制驱动：数据流传送前预先建立直通连接。

它又可分为拓扑驱动和请求驱动。拓扑驱动是将选路拓扑映射到直通连接。请求驱动，也称为预留驱动，是将资源预留请求（如RSVP协议）映射到直通连接。

2025/12/2274集成模式的实现标准：

东芝公司提出的标记交换CSR。开创了标记交换的先河。Ipsilon公司提出的IP交换技术。流驱动方式。Cisco公司提出的TagSwitching技术。拓扑驱动方式。MPLS，多协议标记交换。

MPLS是IETF制定的一种对第三层交换的标记交换技术。MPLS是把基于流的结构和基于网络拓扑的结构结合起来，成为一个性能更好的解决方案。2025/12/2275MPLS概述1.MPLS的产生背景在MPLS技术方案提出之前已有的各种集成模式解决方案所采取的基本方法都是从IP路由器获取控制信息，将其与ATM交换机的转发性能和标签交换方式相结合，从而构建成一个高速而经济的多层交换路由器。但是，各种方案彼此不能互通，而且仅适用于以ATM作为第二层的传输链路，不能工作在其他多种媒体（如帧中继、点对点协议、以太网）中，这与Internet基于分组的发展方向相矛盾。然而，所有IP交换技术都意识到将选路和交换综合起来具有极大的优点，选路当然是Internet的要求所在，而交换则提供便宜的、高容量的分组/信元转发硬件。2.MPLS标准化过程

MPLS将合并网络层选路和标签交换而形成一个单一的解决方案，应具有如下的优点：改善选路的性能和成本，提高传统叠加模型选路的扩展性，引进和实施新业务时更具灵活性。MPLS就是在这种背景下产生的一种技术，它吸收了ATM的VPI/VCI交换一些思想，无缝地集成了IP路由技术的灵活性和2层交换的简捷性，在面向无连接的IP网络中增加了MPLS这种面向连接的属性。通过采用MPLS建立VCC方法，为IP网增加了一些管理和运营的手段。

多协议标记交换2025/12/22763.MPLS的基本思想

MPLS明确规定了一整套协议和操作过程，最终在IP网内通过ATM和帧中继实现快速交换。MPLS的关键点在于用标签来识别和标记IP数据包，并把标签封装后的数据包转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发数据包。因而数据包标签的产生和分配是建立在通过现有的IP路由协议获得网络路由信息的基础上的。MPLS基础1.MPLS基本原理

MPLS技术是结合二层交换和三层路由的L2/L3集成数据传输技术，引入了基于标签的机制，它把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个数据包通过网络的路径。它不仅支持网络层的多种协议，还可以兼容数据包通过虚拟电路传送，只需在数据链结层执行硬件式交换（取代网络层软件式选路）。它把IP选路与第二层标签交换整合为单一的系统，因此可解决Internet的路由问题，缩短数据包传送的时延，加快网络传输速度。2025/12/2277MPLS与标记交换（TagSwitching）、ATM交换等技术类似，MPLS引入了标签（Label）的概念，在MPLS网中数据的传输靠标记引导。当一个未被标记的分组（IP包、帧中继或ATM信元）到达MPLS标记边缘路由器（LER）时，入口LER根据输入分组头查找路由表以确定通向目的地的标记交换路径LSP，把查找到的对应LSP的标记插入到分组头中，完成端到端IP地址与MPLS标签的映射。MPLS协议的标签只具有本地意义。它是一个短的、具有固定长度、仅在相邻LSR之间有意义、用来标识和区分转发等价类FEC的标志。MPLS将面向非连接的IP业务移植到面向连接的标记交换业务之上，实现上将路由选择层面与数据转发层面分离。MPLS具有“多协议”特性，对上兼容IPv4、IPv6等多种主流网络层协议，将各种传输技术统一在一个平台之上；对下支持ATM、FR、PPP等链路层多种协议，从而使得多种网络的互连互通成为可能。2025/12/22782.MPLS网络

MPLS网络由核心部分的标签交换路由器LSR（LabelSwitchingRouter）和边缘部分的标签边缘路由器LER（LabelEdgeRouter），MPLS网络结构模型如图8-17所示。图9.16多协议标签交换网络模型

2025/12/2279LER的作用是分析IP包头，用于决定相应的传送级别和标签交换路径。标记交换路径LSP（LabelSwitchingPath）是MPLS网络为具有一些共同特性的分组通过网络而选定的一条通路，由入口的边缘交换路由器，一系列核心路由器和出口的边缘交换路由器以及它们之间由标记所标识的逻辑信道组成。标记（Label）它是一个短的、具有固定长度、仅在相邻LSR之间有意义、用来标识和区分转发等价类FEC的标志。标记映射用于将标记分配给FEC。标记分发协议LDP（LabelDistributionProtocol）是MPLS的控制协议，用于LSR之间交换信息，完成LSP的建立、维护和拆除等功能。转发等价类FEC是在MPLS网络中经过相同的LSP，完成相同的转发处理的一些数据分组，这些数据分组具有某些相同的特性。FEC的划分通常依据网络层的目的地址前缀或是主机地址。MPLS所完成的标签交换工作的过程

(1)由LDP和传统路由协议（OSPF、IS-IS等）一起，在LSR中建立路由表和标签映射表；(2)LER接收IP包，完成第三层功能，并给IP包加上标签；在MPLS出口的LER上，将分组中的标签去掉后继续进行转发；(3)LSR对分组不再进行任何第三层处理，只是依据分组上的标签通过交换单元对其进行转发。2025/12/22803.MPLS包头及其格式

图9.17插入各种链路层中的MPLS标签MPLS