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北京邮电大学“局域网”听课笔记(4-6章)

2005-06-10 00:00  北京自考热线·万能 【 】【我要纠错
    第4章交换型以太网
  
  本章首先介绍以太网从共享型到交换型的变迁,并介绍交换型以太网的特点和以太网交换器的工作原理。然后比较详细地介绍以太网交换器的结构、交换方式、分类和典型应用。
  
  4.1概述
  
  1.共享型以太网:
  
  (1)由网卡、集线器/中继器、媒体三部分组成。整个系统的带宽只有10Mbps,处在一个冲突域范围。
  
  (2)假设某系统共有n=20个节点,那么每个节点的带宽则为:10Mbps/20=0.5Mbps.
  
  (3)共享型以太网存在的问题是:
  
  受到CSMA/CD的约束,一个碰撞域的带宽是固定的;
  
  在一个碰撞域的系统中,每个节点的带宽为:系统带宽/n;(n为节点数)
  
  在一个碰撞域的系统中,可以是一个工作组,也可是多个工作组;
  
  在多个工作组的碰撞域中,每个工作组的数据流广播到系统中所有的站,安全性不
  
  好。
  
  覆盖范围受到限制。
  
  2.交换型以太网:
  
  可解决共享型以太网的不足。
  
  4.2交换型以太网系统的特点
  
  4.2.1系统的特点
  
  交换型以太网系统中的交换型集线器,也称以太网交换器,以其为核心连接站点或者网段。
  
  交换型以太网系统的优点
  
  (1)每个端口可以连接网段,也可连接站点。每个端口独享10Mbps的带宽;
  
  (2)系统的最大带宽可达到端口带宽的n倍;
  
  (3)交换器连接了多个网段,网段上运作都是独立的,被隔离的。但如果需要的话,独立网段之
  
  间通过其端口也可建立暂时的数据通道。
  
  (4)被交换器隔离的独立网段上数据信息流不会随意广播到其它端口上去。
  
  4.2.2以太网交换器工作的逻辑机理
  
  特点:
  
  (1)交换器上可同时多个数据通道并存;
  
  (2)端口间既隔离又连接;
  
  (3)上图中共有30个数据通道,如果采用双工的方式,同时最多可通15个数据通道;
  
  (4)从上图可看到,各端口信息流是被隔离的,如果要连通,必须进行控制,方可交互。
  
  4.3以太网交换器的结构
  
  共有四种不同的结构:
  
  1.软件执行交换结构
  
  2.矩阵交换结构
  
  3.总线交换结构
  
  4.共享存储器交换结构
  
  4.3.1软件执行交换结构
  
  4.3.2矩阵交换结构
  
  特点
  
  (1)地址表:地址——输入/输出端口
  
  (2)利用硬件交换,结构紧凑,交换速度快,时延小;
  
  (3)不易于简单堆叠和集成。
  
  (4)使用广泛,如:ATM.
  
  注意:
  
  (1)当输入端口与输出端口相等时,不会发生阻塞;
  
  (2)当输入端口多于输出端口时,就会发生阻塞;
  
  (3)为避免帧的丢失,必须增加缓冲区。
  
  4.3.3总线交换结构
  
  总线交换结构的优点:
  
  1.便于叠堆扩展;
  
  2.容易监控和管理
  
  3.容易实现帧的广播;
  
  4.容易实现多个输入对一个输出,即客户机—服务器的方式。
  
  4.3.4共享存储器交换结构
  
  特点:
  
  (1)使用大量的高速RAM来输入数据;
  
  (2)输入输出会产生时延;
  
  (3)交换器结构简单;
  
  (4)冗余结构比较复杂;
  
  (5)适合小型交换器。
  
  4.4以太网交换器的交换方式
  
  4.4.1静态交换与动态交换
  
  1.静态交换
  
  端口间的通道连接是事先人工预定的。端口间并没有实现网段的隔离。被称为“端口交换机”。
  
  2.动态交换
  
  (1)是基于网桥工作机理的交换方式,根据透明网桥工作机理,动态交换端口间通道的形成是基于MAC地址的*作,根据输入端口上帧的目的地址来查看交换器中自学习生成的端口——地址表后,就能决定端口间的连接,形成帧传送通道。
  
  (2)一次连接只能传送一帧。
  
  (3)动态交换方式又分为存储转发和穿通两种方式。
  
  4.4.2存储转发交换方式
  
  特点:
  
  (1)交换时间长。每一帧必须全部接收完成后,才检查地址,再送出去;还需要串/并转换。
  
  (2)可靠性高。输入、输出都要进行差错检验。
  
  4.4.3穿通交换方式
  
  特点:
  
  (1)当输入端收到帧的开始6个字节后,交换器根据目的地址查端口——地址表,获得输出端地址后,就把整个帧导向输出端口;缩短了时延。
  
  (2)可靠性不高;
  
  (3)适用于链路可靠性高的环境中。
  
  (4)穿通交换方式/存储转发共用,先采用穿通交换方式,若链路可靠性差,则自动转到存储转发方式。得到最大的交换器的效率。
  
  4.5以太网交换器的分类
  
  1.分类:
  
  (1)单台(不可堆叠)
  
  (2)可堆叠集成
  
  (3)厢体模块
  
  2.各类的使用
  
  (1)单台(不可堆叠)
  
  只能单台使用
  
  (2)可堆叠交换器
  
  可单台使用多台堆叠使用时,必须在外部附加一个集成装置。
  
  (3)厢体模块
  
  三个优点
  
  维修方便。每一个模块可以热插拔。
  
  高可靠性。电源备份;可采用无源母板;有备用交换引擎。
  
  系统集成和配置灵活。
  
  4.6以太网交换器的典型应用
  
  1.以太网应用的分类
  
  (1)群组
  
  (2)部门
  
  (3)主干
  
  群组部门主干
  
  架构单台可叠堆集成厢体模块式
  
  典型端口数8、12、2412-24,可成倍扩展12/模块,可成倍扩展
  
  端口传输率10/100Mbps10/100Mbps,1Gbps100Mbps,1Gbps
  
  高速端口1~2个100Mbps1Gbps,ATM接服务器或干线1Gbps,ATM
  
  支持其它网络FDDI,ATM
  
  支持L3路由可能支持可能支持
  
  典型背板带宽100~200Mbps4Gbps10Gbps以上
  
  典型组网群组桌面联网小型楼宇或园区系统干线大中型楼宇或园区系统
  
  干线
  
  2.各种典型应用
  
  (1)群组
  
  一般集中在一个办公室,也可能在一个楼层,数据在一个小范围交互。
  
  在这类交换机中,必须设置高速端口(如100Mbps),客户机独享10Mbps或者共享集线器的10Mbps,也可在交换机和站点之间在配置一种称为“端口交换机”的设备,“端口交换机”的设备采用静态交换方式,可人工灵活组合站点共享端口的10Mbps带宽。
  
  (2)部门
  
  对于小型楼宇或者小型园区的应用环境来说,除配置面向连接客户站群组交换器外,还需配置组成系统干线的交换器。部门以太网交换器另一个特点是可堆叠以扩展交换器的端口和带宽。
  
  (3)主干交换器
  
  在中、大型楼宇或园区应用环境中,一般配置功能很强、性能很好的主干交换器。主干交换器具
  
  有厢式体架构。其模块上端口传输率通常为100Mbps或1000Mbps.
  
  有的厢体除支持以太网外,还可插入FDDI模块,甚至还可插入ATM模块,因此交换器背板带宽可达10Gbps.
  
  4.7全双工以太网
  
  4.7.1全双工以太网技术的重要性
  
  (1)虽然交换其本身工作已不受CSMA/CD的约束,但站点到交换器或交换器之间如果还采用半双工以太网传输的话,那么网段还是受到CSMA/CD的约束,使网段的媒体长度受到限制,尤其是在高速率情况下。
  
  (2)鉴于以上情况,采用了全双工以太网技术。
  
  4.7.2全双工以太网技术特点
  
  (1)全双工端口上采用两根传输线,收发分开;
  
  (2)全双工以太网不受冲突域的限制,只于媒体衰耗有关;
  
  (3)全双工以太网的传输带宽可提高一倍;
  
  (4)在10Mbps端口传输率情况下,只有10BASET及10BASEFL支持全双工以太网;
  
  (5)在100Mbps快速以太网情况下,除100BASET4外,其他都支持全双工以太网。
  
  4.7.3全双工以太网的组网应用
  
  第5章环网
  
  目前常用的环网包括令牌环网和光纤分布式数据接口两种。
  
  5.1概述
  
  1.以太网(10BASE5、10BASE2)的不足:
  
  (1)不适应重负荷应用环境;
  
  (2)无实时性能和优先权机制;
  
  (3)在拓扑结构为公共总线的以太网上,媒体使用光纤比较困难;
  
  (4)共享型以太网的覆盖范围受限于冲突域,无法进一步拓展。
  
  2.环网的优点:
  
  (1)适应重负荷应用环境;
  
  (2)具有实时性能和优先权机制;
  
  (3)环网的媒体可以使用光纤;
  
  (4)覆盖范围较大,可达数十公里。
  
  5.2令牌环网媒体访问技术
  
  5.2.1令牌环*作
  
  (1)令牌环技术的基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串,当环上所有的站都处于空闲时,令牌沿着环旋转。
  
  (2)当某站想发送帧时,必须等待直至收到空令牌才可发送。
  
  (3)在轻负荷时,效率较低;
  
  (4)在重负荷时,既公平又有效,各站按顺序发送。
  
  5.2.2 MAC帧
  
  1.帧格式
  
  SD帧首定界符(1个8位位组)AC访问控制(1个8位位组)FC帧控制(1个8位位组)DA目的地址2~6个8位位组)SA源地址2~6个8位位组)INFO信息0或多个8位位组)FCS帧检验序列(4个8位位组)ED帧尾定界符(1个8位位组)FS帧状态(1个8位位组)帧首序列I FCS作用范围I帧尾序列
  
  2.令牌格式
  
  SDACED
  
  3.帧首定界符(SD)
  
  JK0JK000
  
  J—非数据,与发送的“0”、“1”不同的编码,
  
  K—非数据,与发送的“0”、“1”不同的编码,
  
  4.访问控制(AC)
  
  PPPTMRRR
  
  PPP—优先级比特,共有8级优先级。当某站发送优先级为n的帧时,它必须等待,直到截获了优先级比n小或者等于n的空令牌,这九保证了高优先级的帧有更多的机会发送帧。为了避免各站将优先级抬高,在将令牌提升的站,发送完数据后,必须将令牌减下来。
  
  T—令牌比特:令牌时,T=0;传输帧时,T=1.
  
  M—监控比特:令牌环的维护是一种集中式管理,由一个监控站来管理,用于防止持久的数据帧或令牌帧,从令牌到帧时,M比特的数字转换。
  
  在源站发出某帧时,,M=0,当一个帧第一次经过监控站时,M被置为1,当M=1的帧再次经过监控站时,该帧即被清除。
  
  保证环路的最小时延,令牌的长度为24字节,这就要求环路至少应能容纳24比特,如长度不够,
  
  监控站就插入延时比特。
  
  为了保证令牌的不丢失,每个监控站都设有一计时器,它设置为最长令牌持有时间,当在此时间内没有收到令牌时,即判定令牌丢失,这时监控站收回环路上的数据(若有),并发出一个新令牌。
  
  RRR—预留比特
  
  5.帧控制(FC)
  
  FFZZZZZZ
  
  FF=01 LLC数据帧
  
  FF=00 MAC控制帧
  
  当FF=00时,ZZZZZZ指出的是MAC帧的类型
  
  6.帧尾定界符(ED)
  
  JK1 JK1IE
  
  J—非数据
  
  K—非数据
  
  I—中间帧比特(I=1,后面还有帧;I=0,后面没有帧了)
  
  E—差错检验比特,检测出错,将E置位。
  
  7.帧状态(FS)
  
  ACrrACrr
  
  A—地址识别比特,识别出地址,将A置位,否则,将A不置位;
  
  C—帧已复制比特,帧已复制,将C置位,否则,将C不置位;
  
  r—预留比特,一般置为“0”。
  
  由于帧状态在FCS之外,因此重复一次,进行检错。
  
  8.地址字段(MAC)
  
  (1)源地址字段中的第一个比特总是为“0”。
  
  目的地址中的第一个比特置成“0”,表示一个单地址;
  
  目的地址中的第一个比特置成“1”,表示一个组地址;
  
  全“1”的组地址是对环上所有工作的站的广播地址。
  
  (2)对于48比特的地址字段,将其源和目的地址字段中的第2个比特置为“0”,表示是一全局管理地址置为“1”,表示局部管理地址;
  
  16比特地址:
  
  15bit
  
  I/G
  
  16比特局部管理格式:
  
  7bit环编号8bit站编号
  
  I/G
  
  48比特地址:
  
  46bit地址
  
  I/G U/L
  
  48比特局部管理格式:
  
  14bit环编号32bit站编号
  
  I/G U/L
  
  注意:令牌环规定使用屏蔽双绞线。
  
  5.2.3 MAC基本*作
  
  (1)一个站要发送,要等到令牌经过,它由AC字段中的令牌比特置为“0”来表明空令牌,被捕获得令牌的ED字段被该站吸收和丢弃;
  
  (2)然后将其他都接在后面发送;
  
  (3)该站可以连续地发送直到无数据或到令牌计时器满为止。(将ED字段中的I置为“1”)。
  
  各站的情况:
  
  每个站引入一比特的时延,
  
  每个站都对通过帧进行差错检查,如果出错,就将ED字段中的E置位
  
  每个站检测目的地址,如果是本站地址,就将A比特置“1”;
  
  如果该站有足够的空间,就复制该帧,并将C比特置“1”。
  
  源站能区别以下三种情况:
  
  (1)目的站不存在/未被复制;
  
  (2)目的站存在但帧未被复制;
  
  (3)帧已被目的站复制。
  
  发出帧的站应该将该帧从环上清除。
  
  如果报告有错,MAC并不再重传,这是LLC层协议的职责。
  
  5.3差分曼彻斯特码
  
  标准规定使用的数据速率是:4Mbps或16Mbps,采用曼彻斯特编码,编码规则为:“0”为比特时间开始和中间均跳变,“1”只在比特中间跳变。
  
  J——比特开始时没有跳变,
  
  K——比特开始时有跳变。
  
  5.4 FDDI网媒体访问控制技术
  
  5.4.1 FDDI标准的范围
  
  FDDI标准的包含了MAC子层和物理层。标准分为四部分:
  
  (1)媒体访问控制(MAC)
  
  (2)物理层协议(PHY)
  
  (3)物理媒体相关子层(PMD)
  
  (4)层管理(LMT)
  
  5.4.2令牌环*作
  
  注意:令牌环网与FDDI存在的差别:
  
  (1)FDDI并不是通过改变一个比特来抓住令牌的;
  
  (2)FDDI在一个站完成其帧发送后,即使尚未开始收到它发送的帧,也立即送出一新令牌。在环上可以有多个帧。
  
  5.4.3 MAC帧
  
  注意:对于FDDI的MAC实体间交换是以符号为单位的,每一符号对应4比特。这是因为FDDI是采用4B/5B的方式进行信息交换的。
  
  1.FDDI的帧格式
  
  (1)帧格式
  
  PA前导码(16或更多个符号)SD帧首定界符(2个符号)FC帧控制(2个符号)
  
  DA目的地址(4或12个符号)SA源地址(4或12个符号)INFO信息0或更多个符号对)FCS帧检验序列ED帧尾定界符(1个符号)FS帧状态(3或更多个符号)
  
  帧首序列FCS作用范围帧尾序列
  
  (2)令牌格式
  
  PASDFCED
  
  (3)帧首定界符(SD)
  
  J K
  
  J—非数据(1个符号)
  
  K—非数据(1个符号)
  
  (4)帧控制(FC)
  
  CLFFZZZZ
  
  C—类别比特
  
  L—地址长度比特
  
  FF—格式比特
  
  ZZZZ—控制比特
  
  (5)帧尾定界符(ED)
  
  T
  
  T—终止符号
  
  (6)令牌尾定界符(ED)
  
  TT
  
  T—终止符号
  
  注意:帧尾定界符(ED)与令牌尾定界符(ED)的区别。
  
  (7)帧状态(FS)
  
  E A C
  
  R/SR/SR/SR/SR/SR/ST
  
  A—地址识别符
  
  C—帧已复制符
  
  E—检测到差错
  
  注意:
  
  如果附加的符号为奇数个,结尾用一个“T”结束;使总长度为8比特的整数倍。
  
  如果附加的符号为偶数个,结尾用两个“T”结束。使总长度为8比特的整数倍。
  
  (8)地址字段
  
  (1)源地址字段中的第一个比特总是为“0”。
  
  目的地址中的第一个比特置成“0”,表示一个单地址;
  
  目的地址中的第一个比特置成“1”,表示一个组地址;
  
  全“1”的组地址是对环上所有工作的站的广播地址。
  
  (2)对于48比特的地址字段,将其源和目的地址字段中的第2个比特置为“0”,表示全局管理地址;
  
  置为“1”,表示局部管理地址;
  
  16比特地址:
  
  15bit
  
  I/G
  
  48比特地址:
  
  46bit地址
  
  I/G U/L
  
  I/G=0单地址
  
  I/G=1组地址
  
  U/L=0全局管理地址;
  
  U/L=1局部管理地址。
  
  FDDI帧的类型:详见P.73(由FC字段确定的各种类型)
  
  各字段的说明:
  
  1.前导码(PA):用来使帧与每一站的时钟建立同步,帧的始发为16个空闲符号,后继的转
  
  发站可以改变字段的长度以与时钟同步。
  
  2.帧首定界符(SD):表示一帧的开始。
  
  3.帧控制(FC):
  
  C——指明是同步还是异步;C=1,同步,C=0异步。
  
  L——指明地址是16比特还是48比特;
  
  FF——指明是LLC帧还是MAC帧,在MAC帧中,ZZZZ表示帧的形式;
  
  4.目的地址(DA)
  
  5.源地址(SA)
  
  6.信息:0~n
  
  7.帧检验序列(FCS)
  
  8.帧尾定界符(ED)
  
  9.帧状态(FS)
  
  (1)E——检测到差错
  
  (2)A——地址被识别
  
  (3)C——帧以被识别
  
  其中:R——表示断或假;
  
  S——表示通或真。
  
  如果附加的符号为奇数个,则FS以一个T结束。
  
  FS字段还包括附加的控制字符。
  
  *FDDI的类型(P.73)
  
  5.4.4基本*作
  
  1.一个站要发送,要等到令牌经过,它由FC字段中的FF比特置为“00”和ZZZZ比特置为“0000”来表明;
  
  2.该站在重复整个FC字段前,将令牌从环上吸收掉,以此来抓住令牌。
  
  3.然后将其他都接在后面发送;
  
  4.该站可以连续地发送直到无数据或到令牌计时器满为止。
  
  *各站的情况:
  
  每个站引入一比特的时延,作为检查、复制或者改变一比特所需的时间。
  
  每个站都对通过的帧进行差错检查,如果出错,就将ED字段中的E置位;
  
  每个站检测目的地址,如果是本站地址,就将A比特置“1”,还可将该帧复制下来,并将C比特置“1”。
  
  如果该站有足够的空间,就复制该帧,并将C比特置“1”。
  
  *源站能区别以下三种情况:
  
  目的站不存在/未被复制;
  
  目的站存在/未被复制;
  
  帧已被目的站复制。
  
  *发出帧的站应该将该帧从环上清除。
  
  每个发送帧当其回到源站时都被该站吸收。通过检查帧尾序列中的状态指示符(E、A、C)来确定传输的结果。
  
  如果报告有错,MAC并不再重传,这是LLC层协议的职责。
  
  5.5 FDDI网物理层
  
  5.5.1数据编码
  
  几种常用的数字到模拟的编码技术
  
  ASK
  
  FSK
  
  PSK
  
  为了提取定时时钟,需对脉冲进行编码。(如将数据进行曼彻斯特编码,但效率不高。)
  
  FDDI使用4B/5B编码
  
  FDDI的编码方案如下:
  
  (1)不采用简单的强度调制编码(用有无载波来确定),因同步信号难于提取;
  
  (2)FDDI采用两级编码的方式,第一级选用4B/5B码,效率高,并保证出现跃变;
  
  (3)第二级编码,将4B/5B码进一步编成NRZI(非立即归零码),改善接收的可靠性;NRZI(非立即归零码)为差分编码。
  
  (4)NRZI(非立即归零码)的编码规则:“1”用跃变表示,“0”则不跃变。
  
  (5)4B/5B码的选择基于这样一个保证,采用NRZI(非立即归零码),在一行中不允许出现多于3个“0”的情况,提供同步信息。
  
  (6)关于4B/5B码:除0~15数字外,其他的码还可代表其他意义,见P.75.
  
  5.5.2物理层中与媒体相关的部分
  
  1.标准中含有加强可靠性的技术规范,为以下三项技术:
  
  站旁路:对故障站旁路;
  
  布线集中器:用于星型布线中;
  
  双环:使网络自动恢复。
  
  2.关于光源与光纤
  
  光源:可以为激光器和发光二极管;
  
  光纤:用光纤直径与围绕纤芯包层的外径来确定。
  
  62.5/125、85/125一般用这种。
  
  50/125、100/140
  
  3.站的分类
  
  A站:同时连接主环和副环的站;
  
  B站:只连接主环的站。
  
  令牌环网组网技术
  
  5.5.3令牌环网基本组成
  
  5.5.4星—环形组网结构
  
  5.5.5交换型令牌环网
  
  FDDI网组网技术
  
  5.5.6应用领域
  
  后端局域网:连接主服务器和大容量存储设备;
  
  高速办公室网:他们要求从低速到高速的数据传输;
  
  主干局域网:用一个大容量的局域网连接若干各集中器或交换器。
  
  5.7.2 FDDI组网技术要点
  
  星—环形拓扑结构
  
  (1)单连接站和双连接站A、B站的结合
  
  (2)园区主干网将集中器、交换器、服务器、网桥等按需要进行连接。
  
  (30CDDI(TPDDI)
  
  在不易用光缆连接的地方,用双绞线连接。
  
  光缆口往往用作集中器之间的远距离连接,而双绞线用作近距离连接。
  
  第6章路由器
  
  本章首先介绍路由器的性能特点和工作原理。并且提出了两种常用的内部网关协议(包括RIP和
  
  OSPF),并着重讨论了RIP.
  
  然后讨论了路由器产品的几种结构,最后介绍了局域网系统中使用路由器的解决方案。
  
  6.1路由器的性能特点和工作原理
  
  6.1.1路由器的性能特点
  
  1.路由器的性能
  
  路由器是跨越互联网,把信息从源端送到目的端。
  
  2.路由器的特点
  
  路由器与桥接器比较:
  
  相同点:均为网络互连设备;
  
  不同点:路由器工作在第三层,通过网络地址(IP)作为转发的依据,一般耗时较长,具有广播包抑制和子网隔离功能;而网桥工作在第二层,通过物理地址(MAC)作为转发的依据,一般耗时较短;
  
  6.1.2路由器组网体系结构
  
  (1)一台功能完整的路由器中,常常可以支持多种协议栈数据转发。
  
  (2)路由器的功能还包括数据过滤、计费、网络管理等多项功能。
  
  (3)路由器属中间系统(IS),主机属端系统(ES)。
  
  6.1.3路由器工作原理
  
  (1)接收帧,并分解IP数据包;
  
  (2)IP包头合法性验证;
  
  链路层帧长必须足够大(20字节);
  
  CRC验证;
  
  版本号必须为4;
  
  IP数据包长度必须足够大,以容纳IP数据包头。
  
  (3)IP数据包选项处理;
  
  纪录路由选项:路由器在选项数据域中写入自己的IP地址;
  
  对于时间戳选项,写入自己的IP地址及当前以毫秒为单位的世界标准时间计算值;
  
  对于源路由选项,要先写入自己的IP地址,后面还要做进一步的处理。
  
  (4)IP数据包本地提交和转发;确定数据包是当地的还是需转发。
  
  (5)转发寻径;根据目的地址确定转发路径。
  
  (6)转发验证;主要对IP地址进行验证。
  
  (7)TTL处理;TTL——Time to live(生存时间),经过一个路由器,TTL的值减1,如果TTL的值为0时,这个
  
  数据包被丢弃。且路由器发给源站点一个ICME超时控制报文。
  
  (8)数据包分段;
  
  当要转发的IP数据包中长度大于要输出的物理网络的MTU(最大传输单元)时,路由器要把这个数据包分段。
  
  (9)链路层寻址。
  
  根据路由器的路由表选择下一个输出端口。
  
  实例:在Internet上路由IP数据包的传送
  
  下面从一个实例说明IP数据包在Internet上如何从一台主机到另一台主机。
  
  主机A是如何发送数据到主机B的。
  
  步骤1:主机A
  
  在网络128.1.0.0上的主机A想用Telnet协议连接网络128.4.0.0上的主机B.网络128.1.0.0上的主机A和主机B在不同网络上,网络A必须用IP路由器的服务把数据报传输给主机B.根据初始设置,主机A知道它的默认网关是路由器A,其IP地址为128.1.0.2.
  
  (1)主机A必须将所有的数据包通过路由器A送往主机B.
  
  (2)如果主机A的ARP缓冲中没有路由器A的MAC地址,它发出ARP请求,并等待路由器A响应。
  
  (3)当地址映射存在后,主机A将送给主机B的数据包封装到目的MAC地址为080002001231(路由器A的端口1),源MAC地址为080002001111(主机A),类型域为0800h(IP)的以太网中。
  
  (4)注意:在传输过程中,IP地址一直不变,而MAC地址一直在变化。
  
  目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据以太网数据
  
  目的MAC080002001231源MAC080002001111类型0800以太网数据CRC
  
  网络128.1.0.0上的数据包
  
  步骤2:网络128.2.0.0上的数据包
  
  当接收到来自主机A的数据包时,路由器A删除以太网报头,检查类型域,然后将数据包送给IP模块
  
  (软件进程)。IP模块检查IP报头中的目的网络号并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。
  
  路由器A的路由表
  
  网络号下一个跳步路由器跳步
  
  128.1.0.0直接端口0
  
  128.2.0.0直接端口0
  
  128.3.0.0128.2.0.31
  
  128.4.0.0128.2.0.32
  
  由上表可知,路由器A知道目标网络有两个跳步的距离,它必须将数据包装发给路由器B,IP地址为128.2.0.3.
  
  如果路由器A的ARP缓存中没有路由器B的硬件地址,它会发出一个ARP请求并且等待,路由器B响应。得到地址后,路由器A将数据包封装在以太网帧中,目的MAC地址为080002001233(路由器B的端口
  
  1),源MAC地址为080002001232(路由器A的端口2),类型域为0800(IP),然后路由器A帧发送到端口2.
  
  目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据
  
  以太网数据目的MAC080002001233源MAC080002001232类型0800以太网数据CRC
  
  网络128.2.0.0上的数据包
  
  步骤3:网络128.3.0.0上的数据包
  
  当接收到来自主机A的数据包时,路由器B删除以太网报头,检查类型域,然后将数据包送给IP模块(软件进程)。IP模块检查IP报头中的目的网络号并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。
  
  路由器B的路由表
  
  网络号下一个跳步路由器跳步
  
  128.1.0.0128.2.0.21
  
  128.2.0.0直接端口0
  
  128.3.0.0直接端口0
  
  128.4.0.0128.3.0.31
  
  由上表可知,路由器B知道目标网络有1个跳步的距离,它必须将数据包转发给路由器C,IP地址为
  
  128.3.0.3.
  
  如果路由器B的ARP缓存中没有路由器C的硬件地址,它会发出一个ARP请求并且等待路由器C响应。
  
  得到地址后,路由器B将数据包封装在以太网帧中,目的MAC地址为080002001234(路由器B的端口
  
  1),源MAC地址为080002001232(路由器B的端口2),类型域为0800(IP),然后路由器B将帧发送到端口
  
  2.
  
  目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据
  
  以太网数据
  
  目的MAC080002001235源MAC080002001234类型0800以太网数据CRC
  
  网络128.3.0.0上的数据包
  
  步骤4:网络128.4.0.0上的数据包
  
  当接收到来自主机B的数据包时,路由器C删除以太网报头,检查类型域,然后将数据包送给IP模块
  
  (软件进程)。IP模块检查IP报头中的目的网络号并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。
  
  路由器C的路由表
  
  网络号下一个跳步路由器跳步
  
  128.1.0.0128.3.0.22
  
  128.2.0.0128.3.0.21
  
  128.3.0.0直接端口10
  
  128.4.0.0直接端口21
  
  由上表可知,路由器C知道目标网络直接连在端口2上,它能够直接发送数据报。
  
  如果路由器C的ARP缓存中没有主机B的硬件地址,它会发出一个ARP请求并且等待主机B的响应。得到地址后, ,路由器C将数据包封装在以太网帧中,目的MAC地址为08000200 (路由器B的端口1),源MAC地址为080002001232(主机B),源MAC地址为,080002001236(路由器C的端口2),类型域0800(IP),
  
  然后路由器C将帧发送到端口2.
  
  目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据
  
  以太网数据目的MAC080002002222源MAC080002001236类型0800以太网数据CRC
  
  网络128.4.0.0上的数据包
  
  步骤5:网络128.4.0.0上主机B的数据包
  
  主机B收到帧,删掉以太网报头,检查类型域,将数据包送给它的IP模块。IP模块确认该数据包是发给本机的,删掉IP报头,将TCP消息送给TCP模块。TCP模块检查端口号,将消息送给本地Telnet程序访问的Telnet端口。
  
  6.1.4路由器组网特点
  
  1.网络的互连
  
  路由器可实现局域网与广域网的互连以及广域网之间的互连,路由器的功能如下:
  
  (1)地址映射
  
  IP——MAC地址之间的转换
  
  (2)数据转换
  
  路由器互连的网络的最大传输单元(MTU)不同,路由器应解决分段和重传的问题。(3)路由选择
  
  根据路由表选择。
  
  (4)协议转换
  
  2.网络的隔离
  
  (1)路由器可以根据网络号、主机的网络地址、地址掩码、数据类型来监控、拦截和过滤信息,
  
  而网桥只能根据局域网的MAC地址和第三层协议类型来隔离信息。
  
  (2)路由器具有更强的网络隔离能力,可避免广播风暴,提高整个网络的性能。
  
  (3)路由器抑制广播风暴:当路由器收到一个寻址报文时(ARP),由于该报文的目的地址是广播地址,路由器不会将其广播,而是将自己的MAC地址发送给源主机。源主机在发送数据时就可以直接填写路由器的MAC地址,避免了路由器发广播。
  
  注意:为什么会发生广播风暴?这是因为IP和MAC的原因。
  
  3.流量的控制
  
  主要采用路由算法均衡网络负载。
  
  6.2两种常用的内部网关协议
  
  内部网关协议(IGP)即是在一个自治系统(AS)内部路由器使用的路由协议。
  
  外部网关协议(EGP)即是在自治系统(AS)之间互连时,路由器使用的路由协议。
  
  在一个自治系统(AS)内部,只使用一种IGP.
  
  6.2.1路由和寻址
  
  IP地址的定义适用于不同的网络类型,因而成为Internet的基础。
  
  1.物理地址:MAC(又称为硬件地址)
  
  2.逻辑地址:IP地址
  
  3.路由表:是整个路由器的核心,它是动态建立的。
  
  6.2.2距离向量算法和RIP(路由信息协议)
  
  RIP与其说是一种协议,不如说是一种路由算法。
  
  RIP是典型的距离向量法。
  
  1.由表的格式
  
  典型的RIP路由表
  
  目的地下一站地址距离计时器标志位
  
  网络1路由器13t1,t2,t3x,y
  
  网络2路由器22t1,t2,t3x,y
  
  网络3路由器31t1,t2,t3x,y
  
  网络4路由器4t1,t2,t3x,y
  
  …………………………
  
  2.RIP(选路信息协议)包格式
  
  不同网络系统中RIP包的格式是不一样的。下面介绍TCP/IP协议栈中RIP实现的数据包。
  
  命令版本号0
  
  地址类型标志0
  
  目的网络地址
  
  目的网络掩码*
  
  下一站路由器地址
  
  0距离
  
  说明:
  
  (1)命令:表示该包是一个请求包(值为1时),响应:表示该包是一个响应包(值为2时)响应是对请求的答复。
  
  (2)版本号:表示当前实现的RIP版本。目前有两种版本:版本1和版本2.
  
  (3)地址类型标志:表明说传输的地址类型。在INTERNET中,该值为2,表示传输的是IP地址。
  
  (4)目的网络掩码地址:目的网络地址和掩码惟一地确定一个网络。RIP版本1仅支持标准目的网络地址,因此网络掩码地址部分为0.
  
  (5)距离:共16比特。表示从发送路由器到目的路由器所经过的路由器的数目。
  
  3.RIP协议的工作过程:
  
  (1)RIP采用主动发送,被动接收的机制来实现路由信息的交换。
  
  (2)RIP有一个路由更新时钟,一般设置为30秒,每个路由器每隔30秒都要把它的整个路由表向
  
  其相邻的路由器发送。
  
  (3)RIP定义了一种受激更新。即每当路由器检测到新的网络拓扑结构的变化时,除了重新计算
  
  自己的信息外,都要立即向其他方向发送该更新消息。
  
  (4)RIP仅为每一个目的网络保留一条最佳路由。当有新的更佳的路由时,就有新路由代替旧路
  
  由。
  
  (5)网络拓扑结构发生变化时,就会自动更新路由。
  
  (6)RIP用时钟保证其性能。
  
  路由更新时钟:一般设为30秒;
  
  路由器无效时钟:每激活一次,就给每个路由表项中的时间项加1.如果时间项的值超过规定的无效时间,则把该路由项置为无效,并通知相邻的路由器。一般设为90秒。
  
  路由清除时钟设置为270秒。
  
  6.3路由器产品结构
  
  路由器产品的分类:
  
  1.用传统的计算机结构
  
  (1)特点:
  
  采用了共享中央总线、中央CPU内存储器及外围插卡;
  
  中央CPU必须执行数据包的转发和过滤,根据需要修改数据包投标,更新路由表及地址数据库,响应管理请求;
  
  每块插卡执行MAC层功能,使系统与外界连接。
  
  数据包需两次穿过总线。
  
  (2)缺点
  
  CPU必须处理每一个数据包,限制了吞吐量;
  
  数据包需两次穿过总线到打岔卡,性能降低;
  
  数据包转发由CPU执行软件完成,受CPU的速度影响;
  
  中央CPU及内存储器的故障将影响整个设备。
  
  2.用并行处理的结构
  
  (1)特点:
  
  每个外围插卡上都设置了独立的CPU和内存贮器,并行处理数据;
  
  转发只需经过一次内部总线。
  
  (2)缺点:
  
  数据包的转发由CPU执行软件来完成,受CPU的运行速度影响;
  
  由于共享总线,每次只允许转发一个数据包,限制了系统性能。
  
  3.背板采用纵横式交换结构
  
  (1)是目前先进路由器采用的背板结构;
  
  (2)用纵横式交换结构替代了共享总线结构,允许数据包进行高速转发,大大提高了数据包的转发率。
  
  4.并行处理与背板交换相结合的结构
  
  (1)并行处理各个输入数据包,通过交换背板的高速交换,实现多个数据包的同时转发极大地提高了路由器的性能。
  
  (2)背版的速率为各割端口速率的总和。
  
  6.4局域网系统中使用路由器的解决方案
  
  6.4.1局域网间的隔离和互连
  
  路由器的作用为隔离和过滤。
  
  6.4.2局域网与广域网互联
  

本文转载链接:北京邮电大学“局域网”听课笔记(4-6章)

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