路由器工作原理教案

路由器基本原理及其配置、FR、ATM
引入：
通过讲述广域网的应用，讲述为何能发展成为现有的规模，在这其中哪些设备作出的贡献最大，将课堂引入到路由器及其配置上来。

新授：
一、路由器基本原理
作为路由器，必须具备：
1．两个或两个以上的接口：用于连接不同的网络（在现实网络中也存在只有一个接口的情况，这种方式的路由器称为独臂路由器，但应用不多）。

2．协议至少实现到网络层：只有理解网络层协议才能与网络层通讯。

3．具有存储、转发、寻径功能：实现速率匹配与路由寻径。

通常路由器还会支持两种以上的网络协议以支持异种网络互联，一般的路由器还会运行一些动态路由协议以实现动态寻径。

一般路由器逻辑上由输入输出接口、数据转发部分、路由管理部分、用户配置接口几部分构成。

路由器的作用
1．数据转发：路由器必须具有根据数据分组的目的网络地址转发分组的功能。

2．路由（寻径）：为了实现数据转发，路由器必须有能力建立、刷新路由表，并根据路由表转发数据包。

3．备份、流量流控：为了保证网络可靠运行，路由器一般都具备主备线路的切换及流量控制功能。

4．速率适配：不同接口具有不同的速率，路由器可以利用自己的缓存及流控协议进行适配。

5．隔离网络：路由器可以隔离广播网络，防止广播风暴，同时也可以对数据包施行灵活多样的过滤策略以保证网络安全（防火墙）。

6．异种网络互连：互联网的初衷就是为了实现异种网络互连，现代路由器一般都会实现两种以上的网络协议以实现异种网络互连。

路由器的工作流程
路由器工作流程
路由器中时刻维持着一张路由表，所有报文的发送和转发都通过查找路由表从相应端口发送。

这张路由表可以是静态配置的，也可以是动态路由协议产生的。

路由器工作流程为：
物理层从路由器的一个端口收到一个报文，上送到数据链路层；
数据链路层去掉链路层封装，根据报文的协议域上送到网络层；
网络层首先看报文是否是送给本机的，若是，去掉网络层封装，送给上层。

若不是，则根据报文的目的地址查找路由表，若找到路由，将报文送给相应端口的数据链路层，数据链路层封装后，发送报文。

若找不到路由，将报文丢弃。

二、帧中继
帧中继[1]（Frame Relay）是从综合业务数字网中发展起来的，并在1984年推荐为国际电话电报咨询委员会（CCITT）的一项标准，另外，由美国国家标准协会授权的美国TIS标准委员会也对帧中继做了一些初步工作。

由于光纤网的误码率（小于10^-9）比早期的电话网误码率（10^-4~10^-5）低得多，因此，可以减少X.25的某些差错控制过程，从而可以减少结点的处理时间，提高网络的吞吐量。

帧中继就是在这种环境下产生的。

帧中继提供的是数据链路层和物理层的协议规范，任何高层协议都独立于帧中继协议，因此，大大地简化了帧中继的实现。

帧中继的主要应用之一是局域网互联，特别是在局域网通过广域网进行互联时，使用帧中继更能体现它的低网络时延、低设备费用、高带宽利用率等优点。

帧中继是一种先进的广域网技术，实质上也是分组通信的一种形式，只不过它将X.25分组网中分组交换机之间的恢复差错、防止阻塞的处理过程进行了简化。

特点：
1. 使用光纤作为传输介质，因此误码率极低，能实现近似无差错传输，减少了进行差错校验的开销，提高了网络的吞吐量，它的数据传输速率和传输时延比X.25网络要分别高或低至少一个数量级。

2. 因为采用了基于变长帧的异步多路复用技术，帧中继主要用于数据传输，而不适合语音、视频或其他对时延时间敏感的信息传输。

3. 仅提供面向连接的虚电路服务。

4. 仅能检测到传输错误，而不试图纠正错误，而只是简单地将错误帧丢弃。

5. 帧长度可变，允许最大帧长度在1600B以上。

6. 帧中继是一种宽带分组交换，使用复用技术时，其传输速率可高达44.6Mbps。

复用与寻址帧中继在数据链路层采用统计复用方式，采用虚电路机制为每一个帧提供地址信息。

通过不同编号的DLCI（DataLineConnection Identifier数据链路连接识别符）建立逻辑电路。

一般来讲，同一条物理链路层可以承载多条逻辑虚电路，而且网络可以根据实际流量动态调配虚电路的可用带宽，帧中继的每一个帧沿着各自的虚电路在网络内传送。

与X.25的区别
帧中继是继X.25后发展起来的数据通信方式。

从原理上看，帧中继与X.25都同属于分组交换。

与X.25协
议的主要差别有：
（1）帧中继带宽较宽。

（2）帧中继的层次结构中只有物理层和链路层，舍去了X.25的分组层。

（3）帧中继采用D通道链路接入规程LAPD。

X.25采用HDLC的平衡链路接入规程LAPB。

（4）帧中继可以不用网络层而只使用链路层来实现复用和转接。

（5）与X.25相比，帧中继在操作处理上做了大量的简化。

不需要考虑传输差错问题，其中间节点只做帧的转发操作，不需要执行接收确认和请求重发等操作，差错控制和流量均交由高层端系统完成，大大缩短了节点的时延，提高了网内数据的传输速率。

应用：
帧中继技术：1）帧中继技术主要用于传递数据业务，它使用一组规程将数据信息以帧的形式（简称帧中继协议）有效地进行传送。

它是广域网通信的一种方式。

2）帧中继所使用的是逻辑连接，而不是物理连接，在一个物理连接上可复用多个逻辑连接（即可建立多条逻辑信道），可实现带宽的复用和动态分配。

3）帧中继协议是对X.25协议的简化，因此处理效率很高，网络吞吐量高，通信时延低，帧中继用户的接入速率在64kbit/s至2Mbit/s，甚至可达到34Mbit/s。

4）帧中继的帧信息长度远比X.25分组长度要长，最大帧长度可达1600字节/帧，适合于封装局域网的数据单元，适合传送突发业务（如压缩视频业务、WWW业务等）。

帧中继测试技术：当前主要的数据通信技术都基于分组交换技术，如分组交换、帧中继（FR）、交换型多兆比特数据业务（SMDS）、异步转移模式（ATM）。

起先中国不愿意发展“已落后”的帧中继技术，而是大力发展ATM技术，但随着时间的推移，帧中继技术才显示出它强大的生命力。

因为，首先帧中继技术的接入技术比较成熟，实现较为简单，适于满足64kbit/s～2Mbit/s速率范围内的数据业务。

而ATM的接入技术较为复杂，实现起来比较困难。

其次，ATM设备与帧中继设备相比，价格昂贵，普通用户难以接受。

所以，帧中继与ATM相辅相成，成为用户接入ATM的最佳机制。

帧中继网络是由许多帧中继交换机通过中继电路连接组成。

加拿大北电、新桥，美国朗讯、FORE等公司都能提供各种容量的帧中继交换机。

一般来说，FR路由器（或FRAD）是放在离局域网相近的地方，路由器可以通过专线电路接到电信局的交换机。

用户只要购买一个带帧中继封装功能的路由器（一般的路由器都支持），再申请一条接到电信局帧中继交换机的DDN专线电路或HDSL专线电路，就具备开通长途帧中继电路的条件。

三、ATM
ATM----Asynchronous Transfer Mode（ATM）异步传输模式的缩写
ATM是一项数据传输技术，是实现B-ISDN的业务的核心技术之一。

ATM是以信元为基础的一种分组交换和复用技术，它是一种为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。

它适用于局域网和广域网，它具有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、数据、传真、实时视频、CD质量音频和图像的通信。

ATM是在LAN或WAN上传送声音、视频图像和数据的宽带技术。

它是一项信元中继技术，数据分组大小固定。

你可将信元想像成一种运输设备，能够把数据块从一个设备经过ATM交换设备传送到另一个设备。

所有信元具有同样的大小，不像帧中继及局域网系统数据分组大小不定。

使用相同大小的信元可以提供一种方法，预计和保证应用所需要的带宽。

如同轿车在繁忙交叉路口必须等待长卡车转弯一样，可变长度的数据分组容易在交换设备处引起通信延迟。

ATM是一种异步传输模式。

ATM以信元为基本单位。

ATM的信元的长度为53个字节。

在光通信中有应用。

ATM的工作原理：
ATM采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。

ATM集交换、复用、传输为一体，在复用上采用的是异步时分复用方式，通过信息的首部或标头来区分不同信道。

ATM真正具有电路交换和分组交换的双重性: [1]
ATM面向连接,它需要在通信双方向建立连接,通信结束后再由信令拆除连接。

但它摒弃了电路交换中采用的同步时分复用，改用异步时分复用，收发双方的时钟可以不同，可以更有效地利用带宽。

ATM的传送单元是固定长度53byte的CELL（信元），其中5B为信元头，用来承载该信元的控制信息；48B为信元体，用来承载用户要分发的信息。

信头部分包含了选择路由用的VPI（虚通道标识符）/VCI（虚通路标示符）信息，因而它具有分组交换的特点。

它是一种高速分组交换，在协议上它将OSI第二层的纠错、流控功能转移到智能终端上完成，降低了网络时延，提高了交换速度。

交换设备是ATM的重要组成部分，它能用作组织内的Hub，快速将数据分组从一个节点传送到另一个节点；或者用作广域通信设备，在远程LAN之间快速传送ATM信元。

以太网、光纤分布式数据接口（FDDI）、令牌环网等传统LAN采用共享介质，任一时刻只有一个节点能够进行传送，而ATM提供任意节点间的连接，节点能够同时进行传送。

来自不同节点的信息经多路复用成为一条信元流。

在该系统中，ATM交换器可以由公共服务的提供者所拥有或者是组织内部网的一部分。

由于ATM网络由相互连接的ATM交换机构成，存在交换机与终端、交换机与交换机之间的两种连接。

因此交换机支持两类接口：用户与网络的接口UNI（通用网络接口）和网络节点间的接口NNI。

对应两类接口，ATM信元有两种不同的信元头。

在ATM网络中引入了两个重要概念：VP（虚通道）和VC（虚通路），它们用来描述ATM 信元单向传输的路由。

一条物理链路可以复用多条虚通道，每条虚通道又可以复用多条虚通路，并用相同的标识符来标识，即VPI和VCI。

VPI和VCI独立编号，VPI和VCI一起才能唯一地标识一条虚通路。

相邻两个交换节点间信元的VPI/VCI值不变，两节点之间形成一个VP链和VC链。

当信元经过交换节点时，VPI和VCI作相应的改变。

一个单独的VPI和VCI是没有意义的，只有进行链接之后，形成一个VP链和VC链，才形成一个有意义的链接。

在ATM交换机中，有一个虚连接表，每一部分都包含物理端口、VPI、VCI值，该表是在建立虚电路的过程中生成的。

ATM的规程分为三个层次：物理层、ATM层和ATM适配层。

物理层：规定了ATMosphere数据流和物理介质之间的接口，包括2个子层：物理介质相关子层和传输会聚子层。

前者规定了ATM数据流通过给定介质传输的速率，后者规定了通过物理介质相关子层传输的信元的规程。

ATM层：是ATM的技术的核心，主要负责信元的选路、复用和反复用。

AAL（ATM Adaptation Layer, ATM适配层）：将高层来的用户业务转换成ATM中净荷的格式和长度，当到达目的地后再把它们转换成原来的用户业务。

AAL又可以分为2层，分为会聚子层（CS）和拆装子层（SCR）。

小结：
通过本次课程的学习，学生能了解路由器的工作原理及其基本配置，理解FR和ATM广域网接入技术的基础知识。

作业：
自由绘制网络拓扑进行路由器简单的配置，包括静态路由和默认路由表的配置。