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1、计算机网络互联本实验使用 3 个学时一、实验目的1、理解网络参考模型 OSI 及 TCP/IP 模型；2、理解交换机和路由器基本工作原理；3、掌握有类 IP 地址的使用及主机 IP 地址的设置；4、掌握子网掩码与子网划分使用；5、了解无类别域间路由（路由聚合和超网）及设计。二、实验设备及环境计算机、交换机。 三、预备知识与课前准备1、网络参考模型 OSI，TCP/IP 模型在计算机网络产生之初，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构的概念，它们之间互不相容。为此，国际标准化组织（ISO）在年建立了一个分委 员会来专门研究一种用于开放系统互联的体系结构(Open Systems Interco
2、nnection)简称 OSI，开放 这个词表示：只要遵循 OSI 标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循 OSI 标准的其他任 何系统进行连接。这个分委员提出了开放系统互联，即 OSI 参考模型，它定义了连接异种计算机的标准框架。OSI 参考模型分为层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。各层的主要功能及其相应的数据单位如下： 物理层(Physical Layer)图 1 OSI 参考模型 我们知道，要传递信息就要利用一些物理媒体，如双纽线、同轴电缆等，但具体的物理媒体并不在 OSI 的 7 层之内，有人把物理媒体当作第 0 层，物理层的任务就 是为它
3、的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、电气、功能和过程特性。 如规定使用电缆和接头的类型，传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是比特。 数据链路层(Data Link Layer)数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错的传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似，数据链路层要负 责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发方重发这一帧。 网络层(Network Layer)在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很
4、多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息- -源站点和目的站点地址的网络地址。 传输层(Transport Layer)该层的任务时根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也就是源站和目的站）的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠地传输数据。在这一层，信息的传送单位是报文。 会话层(Session Layer)这一层也可以称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传
5、输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。 表示层(Presentation Layer)这一层主要解决拥护信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于 OSI 系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩， 加密和解密等工作都由表示层负责。 应用层(Application Layer)应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。2、交换机基本工作原理局域网中的交换机，也叫做交换式 Hub(Switch Hub)。交换机的前身
6、是网桥。交换机是使用硬件来完成以往网桥使用软件来完成过滤、学习和转发过程的任务。交换机速度比HUB 快，这是由于 HUB 不知道目标地址在何处，发送数据到所有的端口。而交换机中有一张路由表，如果知道目标地址在何处，就把数据发送到指定地点，如果它不知道就发送到所有的端口。这样过滤可以帮助降低整个网络的数据传输量，提高效率。但交换机的功能还不止如此，它可以把网络拆解成网络分支、分割网络数据流，隔离分支中发生的故障，这样就可以减少每个网络分支的数据信息流量而使每个网络更有效，提高整个网络效率。目前有使用交换机代替 HUB 的趋势。交换机是构成整个交换式网络的关键设备，交换机所采用交换方式的不同将会影
7、响交换机的工作性能，为此我们有必要了解交换机的一些工作原理及特点。2.1 交换机常用的三种交换技术目前，交换机主要使用存储转发(Store and Forward)、直通(Cut Through)和无碎片直通(Fragment Free Cut Through)三种方式。存储转发方式 存储转发式交换机是指在交换机接收到数据帧时，先存储在一个共享缓冲区中，然后进行过滤（滤掉不健全的帧和有冲突的帧）和差错校验处理，最后再将数图 2 OSI 参考模型数据封装图 3 OSI 参考模型与 TCP/IP 参考模型据按目的地址发送到指定的端口。直通方式 直通式交换机只对接收到的数据帧的目的地址信息进行检查，
8、然后立刻按指定的地址转发出去，而不做差错和过滤处理。无碎片直通方式 “碎片”是指当信息发送中突然发生冲突时，因为双方立即停止发送数据帧而在网络中产生的残缺不健全的帧。碎片是无用的信息，必须将其滤除。无碎片直通方式首先存储接收到的数据帧的部分字节（前 64 个字节） ，然后进行差错检验，如果有错，立即滤除，并要求对方重发此帧，否则认为该帧健全，并马上转发出去。2.2 三种交换技术的比较在三种交换方式中，存储转发方式具有最高的交换质量，但速度最慢，适用于网络主干的连接。直通方式是三种交换方式中最快的一种，但因对任何帧都不做过滤处理，所以误码率较高，适用于交换式网络的外围连接。无碎片直通方式是前两种
9、方式的折衷。2.3 第三层交换日益强大的计算机系统为网络技术向更快、更便捷的方向发展提供了保障，而日益庞大和复杂的网络系统又产生了持续增长的网络堵塞。普通交换机工作在 OSI 七层模型的第二层（数据链路层） ，交换以 MAC（介质访问控制层，是数据链路层中的一部分）地址为基础。目前第二层交换机已无法胜任大规模局域网的建设，所以在一些较大规模网络中一般将交换机和路由器结合在一起使用。路由器处于 OSI 模型的第三层（网络层） ，通常以IP 协议通过软件实现网际互联，并且路由器价格昂贵、转发速度慢，越来越成为网络的瓶颈。第三层交换就是在第二层交换的基础上把路由功能集成在交换机中，吸收了路由器在网络
10、中的可扩展性和灵活性等特点，所以将第三层交换机又称为路由交换机。与第二层交换机相比，第三层交换机在性能上得到了飞跃性的提高，在网络分段、安全性、可管理性等方面都具有很大的优势。第三层交换在提高网络的运行速度和扩展网络的规模等方面所起的作用已得到了网络用户的一致公认，下一代骨干网的核心将是第三层交换机。2.4 多层交换和第四层交换随着网络技术的发展，又出现了多层交换和第四层交换。我们把多层交换机可以看作是在传统交换机（第二层交换机）的基础上附加（而非集成）了路由交换功能的设备。目前的多层交换机可很好地兼容现有的路由器网络。第四层交换机是在第三层交换机的基础上引进了新的网络功能，它工作于 OSI
11、模型的第四层（传输层） ，可对数据包进行查询、获取数据包的相关信息等操作。目前第四层交换还只是一个概念，尚未有正式的产品推出。3、路由器基本工作原理路由器是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择（routing） ，这也是路由器名称的由来（router，转发者） 。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于 TCP/IP 的国际互连网络 Internet 的主体脉络，也可以说，路由器构成了 Internet 的骨架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。因此，在园区网、地区网、乃至整个 Internet 研究领域
12、中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个 Internet 研究的一个缩影。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。路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传送的线路。选择
13、通畅快捷的近路，能大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而让网络系统发挥出更大的效益来。从过滤网络流量的角度来看，路由器的作用与交换机和网桥非常相似。但是与工作在数据链路层，从物理上划分网段的交换机不同，路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如，一台支持 IP 协议的路由器可以把网络划分成多个子网段，只有指向特殊 IP 地址的网络流量才可以通过路由器。对于每一个接收到的数据包，路由器都会重新计算其校验值，并写入新的物理地址。因此，使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据包物理地址的交换机慢。但是，对于那些结构复杂的网络，使用路由
14、器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。从总体上说，在网络中添加路由器的整个安装过程要比即插即用的交换机复杂很多。一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成；这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路径表（Routing Table） ，供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由
15、系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。3.1 静态路由表 由系统管理员事先设置好固定的路由表称之为静态（static）路由表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。3.2 动态路由表动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。在开放体系互联协议的 OSI 七层模式中，网络层又叫通信子网层，是通信子网（局域网）与网络高层的界面。这主要负责控制通信子网的操作，可将广域网上
16、任一局域网内的数据准确无误地传输到其它局域网或广域网的结点之上。 4、共享式和交换式局域网的原理及组网规则用集线器组成的网络称为共享式网络，而用交换机组成的网络称为交换式网络。共享式以太网存在的主要问题是所有用户共享带宽，每个用户的实际可用带宽随网络用户数的增加而递减。这是因为当信息繁忙时，多个用户可能同时“争用”一个信道，而一个信道在某一时刻只允许一个用户占用，所以大量的用户经常处于监测等待状态，致使信号传输时产生抖动、停滞或失真，严重影响了网络的性能。在交换式以太网中，交换机提供给每个用户专用的信息通道，除非两个源端口企图同时将信息发往同一个目的端口，否则多个源端口与目的端口之间可同时进行通信而不会发生冲突。通过实验测得，在多服务器组成的 LAN 中，处于半双工模式下的交换式以太网的实际最大传输速度是共享式网络的 1.7 倍，而工作在全双工状态下的交换式以太网的实际最大传输速度可达到共享式网络的 3.8 倍。 由于以太网使用 CSMA/CD 工作方式，使用 HUB 组
