网络互联技术第五章路由器基础电子教案(1)

    1、局域网接口：

●10BaseT，即10M传统以太网口。在路由器的配置过程中，端口名称为：interface  Ethernet  */*

●100BaseT，即100M快速以太网口。在路由器的配置过程中，端口名称为：interface  Fastethernet  */*

    2、广域网接口

●同步串口，在路由器的配置过程中，这种端口的名称一般为：interface serial  */* 

●异步串口，在路由器的配置过程中，这种端口的名称一般为：interface serial  */*，在这种接口的封装协议选择中，将无法进行HDLC协议的封装。

●ISDN接口，在路由器的配置过程中这种端口的名称一般为：interface  bri  */* 

●E1 接口，即信道化的E1端口。在路由器的配置过程中，这种端口的名称一般为：interface serial  */*

    3、提示：端口名称后面的 */* 中前一个“*”表示端口所在的模块号；后一个“*”表示在此模块中端口的序号

    4、路由器配置接口：路由器的配置端口有两个，分别是“Console”和“AUX”，“Console”通常是用来进行路由器的基本配置时通过专用连线与计算机连用的，而“AUX”是用于路由器的远程配置连接用的。

●Console端口：Console端口使用配置专用连线直接连接至计算机的串口，利用终端仿真程序（如Windows下的“超级终端”）进行路由器本地配置。路由器的Console端口多为RJ-45端口。

●AUX端口：AUX端口为异步端口，主要用于远程配置，也可用于拔号连接，还可通过收发器与MODEM进行连接。AUX端口与Console端口通常同时提供，因为它们各自的用途不一样。

二、路由基础

    路由器是非常典型的广域网设备，或者说是非常典型的网络互联设备。使用路由器可以连接不同的网络，虽然路由器常常用于广域网的互联，但是路由器也可以用于局域网的互联。

    从路由器的工作原理来看，路由器有两项功能：为要转发的数据包选择最佳路径以及将数据包交换到正确的端口，即路由器具有路由和数据交换（数据转发）两大功能。

    1、路由选择功能

    路由选择发生在OSI的第三层（网络层），因此，路由器是网络层的设备，路径选择实际上也就是网络寻址，即路由器知道要到达哪个网络的数据包应该从哪个接口发送出去。在此需要解决两个问题：

    （1）首先要解决如何表示网络：IP地址中的网络位就是用来表示网络的。

    （2）第二个问题就是要建立路由表：路由表中应该有到达每一网络的路由条目。

    2、路由的交换（转发）功能

    路由器交换数据之前要先进行路由选择。

    当PC1主机要发送IP数据包到PC2主机，由于PC1和PC2主机不在同一子网，所以数据要经过路由器的转发。

    PC1主机先用ARP协议获得R1路由器E0接口的MAC地址，然后PC1主机用以太网的帧格式对IP数据包（IP数据包的源IP地址为“111.1.1.2”，目标IP地址为“222.2.2.2”）进行封装，成为帧（帧的源MAC地址为“MAC-PC1”，帧的目标MAC地址为“MAC-R1-1”）。

    由于帧中目标MAC地址为路由器R1的e0接口的MAC地址，所以帧会被路由器R1接收。路由器接收到帧后，解封出IP数据包，从而知道数据包是从PC1出发的，要到达PC2主机。

    路由器通过查找路由表，知道应从接口e1转发出去，因此路由器先用APR协议获得PC2主机的MAC地址，然后路由器用以太网的帧格式对IP数据包（IP数据包的源IP地址为“111.1.1.2”，目标IP地址为“222.2.2.2”）进行封装成为帧（帧的源MAC地址为“MAC-R1-2”，帧的目标MAC地址为“MAC-PC2”）。

    从上述数据包的转发过程可以看出，在数据包的传递过程中，数据包的源IP地址和目标IP地址永远没有变化。但在每两个节点之间封装成帧进行传递时，帧的源MAC地址和目标MAC地址总在永远在变化。

    通过上述过程可以看出，在数据传递过程中既使用了IP地址，也使用了MAC物理地址。IP地址的主要目的是为了对主机进行网络定位（即路由选择功能），MAC地址的目的是为了在两个节点间进行帧封装（数据转发功能）。

    3、IP路由过程简析

    当主机 A 要向另一个主机 B 发送数据报时，先要检查目的主机 B 是否与源主机 A 连接在同一个网络上：

●如果是，就将数据报直接交付给目的主机 B 而不需要通过路由器。

●但如果目的主机与源主机 A 不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交付。

每当路由设备接收到一个数据，它会首先拆分出网络层数据包，它需要判断将此数据包发向哪个方向，于是它根据数据包中的IP地址和子网掩码相与的结果判断目的地所在的大的范围，即网络号。

经过从源到目的地之间的这些路由设备时，每台设备都会根据当前它所保留的信息表转发数据包到有利于到达目的地的下一台设备，最后到达了直接连接目的网络的路由设备，由它将数据包直接发向目的节点。

    4、IP路由过程图示

三、路由器的组成

    路由器由硬件和软件组成。硬件主要包括处理器、内存、接口、控制端口等物理硬件和电路组成；软件主要由路由器的IOS操作系统和运行配置文件组成。

    1、路由器硬件组成

    （1）CPU：与计算机相类似，运行着IOS的Cisoc路由器也包括一个“处理器（CPU）”。不同系列和型号的路由器，CPU也不尽相同。Cisco一般采用两种类型的处理器，如Motorola68030和Orion/R4600等。路由器的处理器负责执行转发数据包所需的工作，如维护路由器和桥接所需的各种路由表和路由运算等，路由器对数据包的处理速度很大程度上取决于处理器的类型和性能。

    （2）内存：Cisoc路由器主要采用下列四种类型的内存：ROM、FLASH、RAM、NVRAM。

●RAM/DRAM：内存，用于存储临时的运算结果，如路由表、缓存、ARP表、运行配置文件等。众所周知，RAM中的数据在路由器断电后是会丢失的。

●FLASH Memory：可擦除、可编程的ROM，用于存放路由器的IOS，Flash的可擦除特性允许更新、升级IOS而不用更换路由器内部的芯片。路由器断电后，Flash的内容不会丢失。只要FLASH的容量足够大，便可以保存多个IOS映象文件，以提供多重启动。

●NVRAM：非易失性RAM，主要作用是保存IOS在路由器启动时读入的配置数据，即常说的启动配置或备份配置。当路由器加电启动时，首先寻找和执行的即是该配置，如果该配置存在，路由器启动后，该配置就成了“运行配置”，当修改运行配置并执行存储后，运行配置就被复制到NVRAM中，当下次路由器加电后，该配置就会被自动调用。

●Boot ROM：只读存储器，ROM 保存着路由器的引导或启动软件。这也是路由器运行的第一个软件，负责让路由器进入正常的工作状态。ROM中软件升级需要更换芯片。

路由器启动时，先读取BOOTROM中的启动版本进行自检操作，紧接着读取Flash中的软件，进行网络操作系统的加载，然后会到NVRAM中读取启动时应该使用的配置文件，并写入SDRAM，这些都完成之后，就会根据网络的数据传输和其他数据包的传输和处理陆续将路由表的表项增加完整，之后就可以进行正常的数据转发了。

    （3）接口：所有路由器都有“接口（Interface）”，每个接口都有自己的名字和编号。一个接口的全名由类型标识及数字构成，编号自0开始。

●对于接口固定的路由器（如2500系列）或采用模块化接口的路由器（如4700系列），在接口的全名称中，只采用一个数字，并根据它们在路由器的物理顺序进行编号，如 Ethernet0、Serial0等

●对于支持“在线拨插和删除”或具有动态更改物理接口配置的路由器，其接口全名称中则包含两个数字，如2600系列、7200系列，其接口标识名称为Ethernet0/0、Serial1/0等

●对于支持“通用接口处理器（VIP）”的路由器，其接口编号形式为“插槽/端口适配器/端口号”，如7500系列路由器，其接口标识名称编号为：Ethernet4/0/1等。

    （4）控制台端口和辅助端口 ： 所有的路由器都有控制台端口，能使用户或管理员利用终端与路由器进行通信，完成路由器配置；大多数路由器还有一个辅助端口，通过连接Modem，使用户或管理员对路由器实现远程管理。 

    2、路由器的软件组成

    （1）操作系统：路由器既然是一台计算机，因此就需要像计算机一样有操作系统，Cisco路由器的操作系统称为IOS（internetwork  Operating  Sysetm，网络互联操作系统）。这个操作系统根据管理员设置好的配置来运行，控制着数据包的流向，利用路由协议和路由表为数据包选择最佳路由。

    （2）配置文件：共有两种类型的配置文件，它们是：运行配置文件和启动配置文件，两者均以ASCII文本格式显示。

●运行配置：有时也称作“活动配置”，驻留于RAM，包含了目前在路由器中“活动”的I0S配置命令。配置10S时，就相当于更改路由器的运行配置，断电丢失，在重起前需要保存为启动配置文件。

●启动配置：启动配置驻留在NVRAM中，包含了希望在路由器启动时执行的配置命令。启动完成后，启动配置中的命令就变成了“运行配置”。

    有时也把启动配置称作“备份配置”。这是由于修改并认可了运行配置后，通常应将运行配置复制到NVRAM里，将作出的改动“备份”下来，以便路由器下次启动时调用。

    （3）进程：是指一个在路由器上运行的特殊软件任务，用于实现某种功能。例如，IP包的路由选择是由一个进程完成的；而AppleTalk包的路由选择是由另一个进程完成的。

    当我们将命令放人配置文件对10S进行配置时，实际就相当于对构成10S各进程的行为加以控制。所有这些进程都在路由器上同时运行。至于能在一个路由器上运行的进程数量和种类，则取决于路由器CPU的速度以及安装的RAM容量。

四、路由器的启动过程

    1、系统硬件加电自检。运行BOOTROM中的硬件检测程序，检测各组件能否正常工作。完成硬件检测后，开始软件初始化工作。

    2、软件初始化过程。运行BOOTROM中的引导程序，进行初步引导工作。

    3、寻找并载入操作系统文件。操作系统文件可以存放在多处，至于到底采用哪一个操作系统，是通过命令设置指定的。

    4、操作系统装载完毕，系统在NVRAM中搜索保存的Startup-Config文件，进行系统的配置。如果NVRAM中存在Startup-Config文件，则将该文件调入RAM中并逐条执行。否则，系统默认无配置，直接进入用户操作模式，进行路由器初始配置。

五、路由器的结构

    1、路由器的硬件结构

从体系结构上看，路由器可以分为：第一代单总线单CPU结构路由器、第二代单总线主从CPU结构路由器、第三代单总线对称式多CPU结构路由器、多总线多CPU结构路由器、第五代共享内存式结构路由器、第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器等多类。

从应用角度可以将路由器的分类作如下分析：

从第一代的固定配置路由器，其中的集中的CPU和网络接口均直接与总线连接，所有的数据包均交给CPU处理，并且网络接口不能扩展，实现起来不是很灵活；第二代是在第一代的基础上实现了网络接口的模块化；第三代在第一代的基础上在每个接口模块上增加了CPU处理器，这样不是所有的数据都要经过总线交给CPU处理，在本地接口解决一部分数据的转发；到了，网络接口采用了ASIC接口，可以支持更高的接收速率并且采用交换矩阵的方式实现接口模块之间的互连；第五代在的基础上在接口板中增加了专门为IP网络设计的可编程的专用网络处理器（NP），使用微码编译技术实现了比通用CPU更快的处理速度。

    2、路由器软件结构

六、路由器配置方式

    路由器的5种配置方式：控制台连接、AUX口接MODEM、通过Ethernet上的TELNET程序、通过局域网上的TFTP服务器、通过局域网上的SNMP网管工作站。

七、路由器配置模式

    1、关键四种模式简介

    （1）“Router>”            （普通）用户EXEC模式，这是一种“只能查看”的模式，用户只能查看一些有关路由器的信息，不能更改。

    （2）“Router#”            用户EXEC模式，这种模式支持调试和测试命令，支持对路由器的详细检查、对配置文件的操作，并且可以由此进入配置模式。 

    （3）Router（config）#    全局配置模式，这种模式提供了强大的单行命令，可以完成简单的配置任务。

    （4）Router（config-if）#    接口配置模式

    2、各种模式之间的关系

    3、各种模式之间的命令切换图示

    4、常用的编辑快捷键

补充：

    所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。通常，人们会把路由和交换进行对比，这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能是完全一样的。其实，路由和交换之间 的主要区别就是交换发生在OSI参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息，所以两者实现各自功能的方式是不同的。