江西工業職業技術學院電子與信息工程分院網絡互聯技術課程電子教案授課標題：路由器基礎 學時：理論2節 授課日期：2008-03-24教學目的和要求l 了解路由器面板中各種接口的類型及作用l 知道數據包路由和交換的過程（關鍵要知道IP地址和MAC地址在數據包路由和交換過程中的作用）l 掌握路由器中四種存儲器之間的關系l 掌握路由器的啟動過程l 了解路由器的結構l 掌握路由器配置模式及其切換命令教學手法l 采用“案例驅動”教學方法：將圍繞某一實踐的所有理論知識綜合講解，并在理論基礎上完成具體實踐的操作。l 注重理論與實踐操作相結合；充分調動學生的積極性，以實現教師與學生的良性互動，一方面提高教師的教學效果，另一方面則提高學生的學習興趣。并在此基礎上培養學生分析問題和解決問題的實際能力。l 采用多媒體教學手段+PPT多媒體課件授 課 重點、難點重點：1、路由器啟動過程及四種存儲器之間的關系 2、路由器配置模式及其切換命令難點：1、數據包路由和交換過程 2、路由器的硬件和軟件結構授課要點與授課設計（注明授課時間安排）1、（知道）路由器的接口類型2、（掌握）路由基礎3、（知道）路由器的組成4、（掌握）路由器的啟動過程5、（附加）路由器的結構6、（掌握）路由器配置方式 教學設計：本節最主要的教學內容是讓學生在了解ARP地址解析協議工作原理的基礎上掌握路由器的工作原理（路由器需要對接收的數據包進行拆包和封包，數據轉發過程中源IP地址、目標IP地址、源MAC地址、目標MAC地址的變化情況）；并在此基礎上了解路由器的幾種常見的工作模式及各種工作模式之間的切換；在了解上述內容后掌握路由器的啟動過程和組成。作業1、簡述路由器有哪幾種存儲器及其作用。2、簡述路由器的啟動過程3、簡述路由器的配置模式及其切換命令教學心得本節需要重點掌握的是路由器的幾種工作模式，路由器的存儲器組成及路由器的工作理，通過arp協議的講解逐步使學生了解路由器的基本工作原理。一、路由器的接口類型1、局域網接口：l 10BaseT，即10M傳統以太網口。在路由器的配置過程中，端口名稱為：interface Ethernet */*l 100BaseT，即100M快速以太網口。在路由器的配置過程中，端口名稱為：interface Fastethernet */*2、廣域網接口l 同步串口，在路由器的配置過程中，這種端口的名稱一般為：interface serial */* l 異步串口，在路由器的配置過程中，這種端口的名稱一般為：interface serial */*，在這種接口的封裝協議選擇中，將無法進行HDLC協議的封裝。l ISDN接口，在路由器的配置過程中這種端口的名稱一般為：interface bri */* l E1 接口，即信道化的E1端口。在路由器的配置過程中，這種端口的名稱一般為：interface serial */*3、提示：端口名稱后面的 */* 中前一個“*”表示端口所在的模塊號；后一個“*”表示在此模塊中端口的序號4、路由器配置接口：路由器的配置端口有兩個，分別是“Console”和“AUX”，“Console”通常是用來進行路由器的基本配置時通過專用連線與計算機連用的，而“AUX”是用于路由器的遠程配置連接用的。l Console端口：Console端口使用配置專用連線直接連接至計算機的串口，利用終端仿真程序（如Windows下的“超級終端”）進行路由器本地配置。路由器的Console端口多為RJ-45端口。l AUX端口：AUX端口為異步端口，主要用于遠程配置，也可用于拔號連接，還可通過收發器與MODEM進行連接。AUX端口與Console端口通常同時提供，因為它們各自的用途不一樣。二、路由基礎路由器是非常典型的廣域網設備，或者說是非常典型的網絡互聯設備。使用路由器可以連接不同的網絡，雖然路由器常常用于廣域網的互聯，但是路由器也可以用于局域網的互聯。從路由器的工作原理來看，路由器有兩項功能：為要轉發的數據包選擇最佳路徑以及將數據包交換到正確的端口，即路由器具有路由和數據交換（數據轉發）兩大功能。1、路由選擇功能路由選擇發生在OSI的第三層（網絡層），因此，路由器是網絡層的設備，路徑選擇實際上也就是網絡尋址，即路由器知道要到達哪個網絡的數據包應該從哪個接口發送出去。在此需要解決兩個問題：（1）首先要解決如何表示網絡：IP地址中的網絡位就是用來表示網絡的。（2）第二個問題就是要建立路由表：路由表中應該有到達每一網絡的路由條目。2、路由的交換（轉發）功能路由器交換數據之前要先進行路由選擇。當PC1主機要發送IP數據包到PC2主機，由于PC1和PC2主機不在同一子網，所以數據要經過路由器的轉發。PC1主機先用ARP協議獲得R1路由器E0接口的MAC地址，然后PC1主機用以太網的幀格式對IP數據包（IP數據包的源IP地址為“”，目標IP地址為“”）進行封裝，成為幀（幀的源MAC地址為“MAC-PC1”，幀的目標MAC地址為“MAC-R1-1”）。由于幀中目標MAC地址為路由器R1的e0接口的MAC地址，所以幀會被路由器R1接收。路由器接收到幀后，解封出IP數據包，從而知道數據包是從PC1出發的，要到達PC2主機。路由器通過查找路由表，知道應從接口e1轉發出去，因此路由器先用APR協議獲得PC2主機的MAC地址，然后路由器用以太網的幀格式對IP數據包（IP數據包的源IP地址為“”，目標IP地址為“”）進行封裝成為幀（幀的源MAC地址為“MAC-R1-2”，幀的目標MAC地址為“MAC-PC2”）。從上述數據包的轉發過程可以看出，在數據包的傳遞過程中，數據包的源IP地址和目標IP地址永遠沒有變化。但在每兩個節點之間封裝成幀進行傳遞時，幀的源MAC地址和目標MAC地址總在永遠在變化。通過上述過程可以看出，在數據傳遞過程中既使用了IP地址，也使用了MAC物理地址。IP地址的主要目的是為了對主機進行網絡定位（即路由選擇功能），MAC地址的目的是為了在兩個節點間進行幀封裝（數據轉發功能）。3、IP路由過程簡析當主機 A 要向另一個主機 B 發送數據報時，先要檢查目的主機 B 是否與源主機 A 連接在同一個網絡上：l 如果是，就將數據報直接交付給目的主機 B 而不需要通過路由器。l 但如果目的主機與源主機 A 不是連接在同一個網絡上，則應將數據報發送給本網絡上的某個路由器，由該路由器按照轉發表指出的路由將數據報轉發給下一個路由器。這就叫作間接交付。每當路由設備接收到一個數據，它會首先拆分出網絡層數據包，它需要判斷將此數據包發向哪個方向，于是它根據數據包中的IP地址和子網掩碼相與的結果判斷目的地所在的大的范圍，即網絡號。經過從源到目的地之間的這些路由設備時，每臺設備都會根據當前它所保留的信息表轉發數據包到有利于到達目的地的下一臺設備，最后到達了直接連接目的網絡的路由設備，由它將數據包直接發向目的節點。4、IP路由過程圖示三、路由器的組成路由器由硬件和軟件組成。硬件主要包括處理器、內存、接口、控制端口等物理硬件和電路組成；軟件主要由路由器的IOS操作系統和運行配置文件組成。1、路由器硬件組成（1）CPU：與計算機相類似，運行著IOS的Cisoc路由器也包括一個“中央處理器（CPU）”。不同系列和型號的路由器，CPU也不盡相同。Cisco一般采用兩種類型的處理器，如Motorola68030和Orion/R4600等。路由器的處理器負責執行轉發數據包所需的工作，如維護路由器和橋接所需的各種路由表和路由運算等，路由器對數據包的處理速度很大程度上取決于處理器的類型和性能。（2）內存：Cisoc路由器主要采用下列四種類型的內存：ROM、FLASH、RAM、NVRAM。l RAM/DRAM：內存，用于存儲臨時的運算結果，如路由表、緩存、ARP表、運行配置文件等。眾所周知，RAM中的數據在路由器斷電后是會丟失的。l FLASH Memory：可擦除、可編程的ROM，用于存放路由器的IOS，Flash的可擦除特性允許更新、升級IOS而不用更換路由器內部的芯片。路由器斷電后，Flash的內容不會丟失。只要FLASH的容量足夠大，便可以保存多個IOS映象文件，以提供多重啟動。l NVRAM：非易失性RAM，主要作用是保存IOS在路由器啟動時讀入的配置數據，即常說的啟動配置或備份配置。當路由器加電啟動時，首先尋找和執行的即是該配置，如果該配置存在，路由器啟動后，該配置就成了“運行配置”，當修改運行配置并執行存儲后，運行配置就被復制到NVRAM中，當下次路由器加電后，該配置就會被自動調用。l Boot ROM：只讀存儲器，ROM保存著路由器的引導或啟動軟件。這也是路由器運行的第一個軟件，負責讓路由器進入正常的工作狀態。ROM中軟件升級需要更換芯片。路由器啟動時，先讀取BOOTROM中的啟動版本進行自檢操作，緊接著讀取Flash中的軟件，進行網絡操作系統的加載，然后會到NVRAM中讀取啟動時應該使用的配置文件，并寫入SDRAM，這些都完成之后，就會根據網絡的數據傳輸和其他數據包的傳輸和處理陸續將路由表的表項增加完整，之后就可以進行正常的數據轉發了。（3）接口：所有路由器都有“接口（Interface）”，每個接口都有自己的名字和編號。一個接口的全名由類型標識及數字構成，編號自0開始。l 對于接口固定的路由器（如2500系列）或采用模塊化接口的路由器（如4700系列），在接口的全名稱中，只采用一個數字，并根據它們在路由器的物理順序進行編號，如Ethernet0、Serial0等l 對于支持“在線撥插和刪除”或具有動態更改物理接口配置的路由器，其接口全名稱中則包含兩個數字，如2600系列、7200系列，其接口標識名稱為Ethernet0/0、Serial1/0等l 對于支持“通用接口處理器（VIP）”的路由器，其接口編號形式為“插槽/端口適配器/端口號”，如7500系列路由器，其接口標識名稱編號為：Ethernet4/0/1等。（4）控制臺端口和輔助端口：所有的路由器都有控制臺端口，能使用戶或管理員利用終端與路由器進行通信，完成路由器配置；大多數路由器還有一個輔助端口，通過連接Modem，使用戶或管理員對路由器實現遠程管理。2、路由器的軟件組成（1）操作系統：路由器既然是一臺計算機，因此就需要像計算機一樣有操作系統，Cisco路由器的操作系統稱為IOS（internetwork Operating Sysetm，網絡互聯操作系統）。這個操作系統根據管理員設置好的配置來運行，控制著數據包的流向，利用路由協議和路由表為數據包選擇最佳路由。（2）配置文件：共有兩種類型的配置文件，它們是：運行配置文件和啟動配置文件，兩者均以ASCII文本格式顯示。l 運行配置：有時也稱作“活動配置”，駐留于RAM，包含了目前在路由器中“活動”的I0S配置命令。配置10S時，就相當于更改路由器的運行配置，斷電丟失，在重起前需要保存為啟動配置文件。l 啟動配置：啟動配置駐留在NVRAM中，包含了希望在路由器啟動時執行的配置命令。啟動完成后，啟動配置中的命令就變成了“運行配置”。有時也把啟動配置稱作“備份配置”。這是由于修改并認可了運行配置后，通常應將運行配置復制到NVRAM里，將作出的改動“備份”下來，以便路由器下次啟動時調用。（3）進程：是指一個在路由器上運行的特殊軟件任務，用于實現某種功能。例如，IP包的路由選擇是由一個進程完成的；而AppleTalk包的路由選擇是由另一個進程完成的。當我們將命令放人配置文件對10S進行配置時，實際就相當于對構成10S各進程的行為加以控制。所有這些進程都在路由器上同時運行。至于能在一個路由器上運行的進程數量和種類，則取決于路由器CPU的速度以及安裝的RAM容量。四、路由器的啟動過程1、系統硬件加電自檢。運行BOOTROM中的硬件檢測程序，檢測各組件能否正常工作。完成硬件檢測后，開始軟件初始化工作。2、軟件初始化過程。運行BOOTROM中的引導程序，進行初步引導工作。3、尋找并載入操作系統文件。操作系統文件可以存放在多處，至于到底采用哪一個操作系統，是通過命令設置指定的。4、操作系統裝載完畢，系統在NVRAM中搜索保存的Startup-Config文件，進行系統的配置。如果NVRAM中存在Startup-Config文件，則將該文件調入RAM中并逐條執行。否則，系統默認無配置，直接進入用戶操作模式，進行路由器初始配置。五、路由器的結構1、路由器的硬件結構從體系結構上看，路由器可以分為：第一代單總線單CPU結構路由器、第二代單總線主從CPU結構路由器、第三代單總線對稱式多CPU結構路由器、第四代多總線多CPU結構路由器、第五代共享內存式結構路由器、第六代交叉開關體系結構路由器和基于機群系統的路由器等多類。從應用角度可以將路由器的分類作如下分析：從第一代的固定配置路由器，其中的集中的CPU和網絡接口均直接與總線連接，所有的數據包均交給CPU處理，并且網絡接口不能擴展，實現起來不是很靈活；第二代是在第一代的基礎上實現了網絡接口的模塊化；第三代在第一代的基礎上在每個接口模塊上增加了CPU處理器，這樣不是所有的數據都要經過總線交給CPU處理，在本地接口解決一部分數據的轉發；到了第四代，網絡接口采用了ASIC接口，可以支持更高的接收速率并且采用交換矩陣的方式實現接口模塊之間的互連；第五代在第四代的基礎上在接口板中增加了專門為IP網絡設計的可編程的專用網絡處理器（NP），使用微碼編譯技術實現了比通用CPU更快的處理速度。2、路由器軟件結構六、路由器配置方式路由器的5種配置方式：控制臺連接、AUX口接MODEM、通過Ethernet上的TELNET程序、通過局域網上的TFTP服務器、通過局域網上的SNMP網管工作站。七、路由器配置模式1、關鍵四種模式簡介（1）“Router”（普通）用戶EXEC模式，這是一種“只能查看”的模式，用戶只能查