第九讲 交换式以太网与IP路由器技术

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交换式以太网
• 以太网基于广播介质语义，无论集线器还是交换 机都如此，交换机端口没有地址，通过学习来掌 握各计算机的地址。 • 帧转发操作 帧转发操作，从端口p收到帧，以目的地址d查表 找到转发端口q，若q=p则丢弃此帧，否则转发到 端口q。如果为广播帧则转发到除p外所有端口。 • 地址学习 地址学习，通过识别从p端口收到帧的源地址s了 解到可经p端口转发到s的帧，若未登记则将该地 址记录于转发表中。
生存时间表示报文在网络 中最多可经历多少次转发， 中最多可经历多少次转发， 时丢弃报文。 为0时丢弃报文。常值为 时丢弃报文 64，最大 ，最大255。 。
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协议字段说明数 据部分使用什么 协议， 协议，如TCP、 、 UDP等。 等
6.2.2 IP协议
报头校验和检查报 头在传输过程中的 受损情况， 受损情况，若有错 则丢弃该报文。 则丢弃该报文。
这种早期结构容易因电气原因发生故 障，随后发展了称作集线器(Hub)的 随后发展了称作集线器 的 设备， 设备，并采用双绞线与之相连的星型 结构来模拟总线网络的行为。 结构来模拟总线网络的行为。
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交换式以太网
• 传统以太网缺点 传统以太网缺点，性能较差，吞吐量受总线容量 限制，计算机越多性能会急剧下降。 • 以太网交换机 以太网交换机，是一个多端口透明网桥，能理解 以太网帧和对帧进行存储转发，可保持以太网拓 扑不变情况下代替集线器工作。 • 以太网交换机工作原理，交换机收到以太网帧后 以太网交换机工作原理， 先缓存，依目的地址查表确定从哪个端口转发， 转发时仍执行CSMA/CD协议。当冲突域只有两个 设备时，也可使用全双工模式收/发数据。
路由器将原IP数据报放入 号接口 路由器将原 数据报放入2号接口 数据报放入 发送缓存区，并将目的IP地址 发送缓存区，并将目的 地址 198.1.2.9交给接口模块。 交给接口模块。 交给接口模块
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6.2.3 IP数据报传送过程
• 注意 注意，传送中IP数据报的源、目的IP地址不变， 但封装帧的源、目的MAC地址一直在变。 • IP分组与以太网帧传送过程对比：
在A、B、C类网络 、 、 类网络 主机号为0代表 中，主机号为 代表 网络地址， 网络地址，主机号为 代表广播地址。 全1代表广播地址。 代表广播地址
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IP地址的点分码表示
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IPv4对网络地址的划分不能 对网络地址的划分不能 适应各种大小需求的网络配 置，利用子网掩码可以更加 灵活地配置和识别子网与主 机。
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服务类型表示想要的低延 高吞吐、高可靠性、 迟、高吞吐、高可靠性、 最低代价、常规/加急传 最低代价、常规 加急传 送等。 送等。
6.2.2 IP协议
标识为报文 的序列号， 的序列号， 用来识别重 复报文。 复报文。
标志和段偏移量唯一 标识大报文分片， 标识大报文分片，标 志说明数据属于哪个 报文， 报文，段偏移量说明 起始位置。 起始位置。
IP地址的掩码操作
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IP地址分配示例
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6.2.3 IP数据报传送过程
• IP数据报在IP网络内的传送采用直接交付和通过路由器 交付两种方式。 • 直接交付方式 直接交付方式，主机发送IP数据报前，先检查目的主机 网络地址，如果同属一个子网则通过物理网络送交给目 的主机，否则由路由器转发。 • 路由器间接交付 路由器间接交付，源目的主机不在同一子网，主机将IP 数据报交给本子网路由器，路由器收到数据报后进行路 由查找，若找到则将数据报传给下一站路由器，若未找 到则丢弃数据报，并回送一个ICMP报文。 • IP数据报被路由器逐站转发，某一路由器发现目的主机 在自己所连接的某个子网内，便利用该子网对应的物理 网络将其传送给目的主机。
– 路由器接口有IP地址，间接交付时必须明确路由器； 以太网交换机端口没有MAC地址。 – 路由器从某接口i收到一IP数据报，可从接口i送出该 数据报；交换机决不将以太网帧转发到其进入端口。 – 路由器中若一IP数据报在路由表中无法查到下一站地 址则丢弃；以太网交换机则会将将该帧转发到除入口 外的每一个端口。
应转发到哪个端口？ 问：202.16.3.5 应转发到哪个端口？
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路由器报文转发原理
A想与 通信，不在同一个子网，IP 想与B通信，不在同一个子网， 想与 通信 数据报以路由器接口MAC地址送给 数据报以路由器接口 地址送给 默认路由器1，目的IP地址为 默认路由器 ，目的 地址为 198.1.2.9。 。
路由器第1步 路由器第 步，接 收报文，通过IP 收报文，通过 地址查找匹配表 得输出接口2 项，得输出接口 和下一站地址为 203.0.5.10。 。 第3步，接口模块通过地址解析完 步 成下一站IP地址到 地址到MAC地址映射， 地址映射， 成下一站 地址到 地址映射 数据报封装成适合网络2传送 原IP数据报封装成适合网络 传送 数据报封装成适合网络 的数据帧，排队等待传送。 的数据帧，排队等待传送。 第2步，将该数据报放入 号接 步 将该数据报放入2号接 口发送缓存区， 口发送缓存区，并将下一站的 IP地址交给网络接口模块。 地址交给网络接口模块。 地址交给网络接口模块
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地址解析过程
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路由器间接交付
• 路由器间接交付 路由器间接交付，路由器需通过目的地址查找路 由表项，不可能每IP地址一个表项，通常按子网 地址设置，还有多个子网经同一出口转发的问题。 • 压缩路由表项
– 路由聚合，将若干地址相邻、输出接口编号和下一站 路由器地址相同的表项合并，使用一更短的网络地址 和掩码代表这些网络。查表时若查到两个以上表项， 则选择掩码最长的表项。 – 默认路由项 默认路由项，将多个输出接口编号和下一站地址相同 的表项合为一项，并设置网络地址和掩码为0，当其 他项都不匹配时才选这一项，能得到和原来相同的查 找结果。
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多台计算机使用T型头连 多台计算机使用 型头连 接在一根同轴上， 接在一根同轴上，任一时 刻只能一台机器发送数据。 刻只能一台机器发送数据。
为解决多台计算机同抢信道问 早期以太网结构及工作原理 题，CSMA/CD协议规定每台 协议规定每台 发数据前先侦听信道， 发数据前先侦听信道，空闲则 发数据，若忙则等待， 发数据，若忙则等待，直到空 闲才可发送数据。 闲才可发送数据。
6.2.2 IP协议
五类地址， 类 个网络， 五类地址，A类127个网络，每网络可有 个网络 1600多万台主机；B类16000多网络，每网 多万台主机； 类 多网络， 多万台主机 多网络 可有65000台主机；C类200多万个网络， 台主机； 类 多万个网络 多万个网络， 可有 台主机 台主机； 类为组播地址 类为组播地址， 类保留 每254台主机；D类为组播地址，E类保留 台主机 为实验使用。 为实验使用。
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交换芯片包含MAC层功能， 层功能， 交换芯片包含 层功能 完成帧的透明转发、地址学习， 完成帧的透明转发、地址学习， 以及缓存管理、生成树等功能。 以及缓存管理、生成树等功能。 缓存由RAM构成。 构成。 缓存由 构成
典型以太网交换机结构
MCU实现管理面功能， 实现管理面功能， 实现管理面功能 如支持网管协议SNMP， 如支持网管协议 ， 提供命令行或Web管 提供命令行或 管 理界面。 理界面。
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交换式以太网
• 以太网交换机为了适应计算机连接端口变换问题， 规定转发表项寿命，删除到期表项，再通过学习 来重新置入。 • 以太网交换机可以按目的地址转发帧，也可以对 所有计算机转发广播帧，但保证任何时候都不会 将帧从入端口重发出去。 • 多台交换机互联可组成更大的以太网，此时交换 机执行“支撑树”算法，保证当前网络是一个没 有环的以太网，确保地址学习机制的正确性。
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报文传到路由器2后 报文传到路由器 后，通过路 由表查找获得目的IP地址匹配 由表查找获得目的 地址匹配 表项， 表项，获知目的网络与该路由 器接口2直接相连 直接相连。 器接口 直接相连。
路由器报文转发原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
已到最后路由器， 已到最后路由器，接口模块 通过地址解析获得目的主机 MAC地址，便将原 报文进 地址， 地址 便将原IP报文进 行数据帧包装直接发送给目 的主机。 的主机。
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6.2 TCP/IP协议
网际互连层(IP层 网际互连层 层) 完成在各种网络之 上构成一个虚拟网 络。
TCP/IP协议不指定 协议不指定 传输技术， 传输技术，可在任 何网络上运行。 何网络上运行。 10
计算机之间通信也像人类语言交 6.2.1 异构网络互联原理 流一样， 流一样，不同计算机网络使用不 同语言及协议， 同语言及协议，但核心表达相同 的语义。 的语义。
第六章 交换式以太网与IP路由器技术 交换式以太网与IP路由器技术
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第六章 交换式以太网 与IP路由技术
• 6.1 交换式以太网 • 6.2 TCP/IP协议 • 6.3 路由器实现技术
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6.1 交换式以太网
• 为了解决微机互连问题，20世纪70年代末 产生局域网技术，网络形式有以太网，令 牌环网，令牌总线网，现在局域网基本上 为以太网结构。 • 传统以太网使用广播式共享信道 广播式共享信道传输数据， 广播式共享信道 每台微机都有一个MAC地址，发送的帧头 部包含目的地址，同一网上各台微机都可 接收，但目的地址与本机不符时微机将不 理会该帧，相符合者才会接收该帧。
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202.16.0.0 202.16.1.0 202.16.0.0 202.16.1.0 202.16.2.0 202.16.3.0
255.255.255.0 1 202.16.0.0 255.255.254.0 1 255.255.255.0 1 255.255.255.0 1 255.255.255.0 1 255.255.255.0 1 255.255.255.0 2 202.16.3.0 255.255.255.0 2 202.16.0.0 255.255.252.0 1
MCU RAM 以太网 交换芯片 EEPROM ... PHY PHY
PHY实现以太网物理 实现以太网物理 层功能， 层功能，EEPROM存 存 储协议程序和一些配 置数据。 置数据。
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第六章 交换式以太网 与IP路由技术
• 6.1 交换式以太网 • 6.2 TCP/IP协议 • 6.3 路由器实现技术
问题1：如何通过子网对应的物理网络进行IP数据包传送； 问题2：路由器具体如何进行路由查找
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地址解析协议(ARP)
• IP数据报中的IP地址是一个虚地址，物理的 LAN或WAN不掌握IP地址与物理网络的关系， 在物理网络中传送数据报时，必须将IP地址转 换成物理网络地址。 • IP地址到MAC地址的转换过程称作地址解析 协议ARP。 • 地址解析过程是ARP请求消息将IP地址向网络 广播询问谁是该IP，对应该IP的机器回答并报 告其MAC地址，然后发送请求的主机则直接 与该MAC地址机器通信。
人类要完成相互间交流，利用介于二者 人类要完成相互间交流， 之间的翻译完成相互转换，翻译人员相 之间的翻译完成相互转换， 当于计算机网络中的路由器，使得运行 当于计算机网络中的路由器， 于不同网络的计算机可互联互通。 于不同网络的计算机可互联互通。
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6.2.1 异构网络互联原理
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6.2.1 异构网络互联原理
源目的IP地址为源和目 源目的 地址为源和目 的主机地址， 的主机地址，路由器用 它们来选择最佳路径及 自学习更新路由表。 自学习更新路由表。
任选项存放安全保密、 任选项存放安全保密、报 文经历、错误报告调试、 文经历、错误报告调试、 时戳等信息。 时戳等信息。填充域用来 17 补齐32bit。 补齐 。
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6.2.1 异构网络互联原理
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6.2.2 IP协议
• IP协议采用无连接方式在虚拟网中进行分组转 发，不保证传输的可靠性和服务质量。 • IP数据报由报头和数据组成，报头包括20字节 固定段和任选变长段，报文总长不超过65 536字 节。 • IP层特点：
– (1) 提供无连接的数据报传输机制； – (2) 协议非常简单，不保证传输可靠性； – (3) IP协议是一个点到点通信协议。