网络互联技术教程

《网络互联技术教程》专门针对大学网络工程专业、计算机科学专业以及相关专业本科层次的学生、在职的网络工程师、网络架构师、网络测试师等广大读者编写的，通过深入的需求分析和调研，明确网络专业人才在网络互连技术、网络工程专业素质方面的具体要求，以此为基础确定编写大纲。本书力求通过大量的案例，深入和详细地剖析路由器和交换机的工作原理、配置和管理等理论知识，从而培养大学本科学生在网络工程方面的实践能力。 

《网络互联技术教程》主要内容包括：网络互联技术概论、网络互联设备、路由器技术基础、网络设备基本配置、静态路由、RIP协议、OSPF协议、BGP协议、网络地址转换、交换机技术基础、虚拟局域网、交换网络的链路冗余、网关冗余等。

目录

第1章网络互联技术概论

1.1协议与分层

1.1.1网络协议的3个要素

1.1.2网络的分层结构

1.1.3网络分层的原则

1.2OSI参考模型

1.2.1OSI参考模型的概念

1.2.2OSI参考模型各层的功能

1.3TCP/IP参考模型

1.3.1TCP/IP参考模型简介

1.3.2OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

1.4IPv4

1.4.1IPv4地址的概念

1.4.2IPv4简介

1.4.3IPv4报文格式

1.4.4IPv4的不足之处

1.5IPv6

1.5.1IPv6地址的表示方法

1.5.2IPv6的地址类型

1.5.3IPv6的核心协议

1.5.4IPv6报文格式

1.6本章总结

复习思考题

第2章网络互联设备

2.1网络传输介质

2.1.1连接器

2.1.2双绞线

2.1.3同轴电缆

2.1.4光纤

2.1.5无线传输介质

2.2物理层设备

2.2.1中继器

2.2.2集线器

2.2.3无线接入点

2.3数据链路层设备

2.3.1网卡

2.3.2网桥

2.3.3交换机

2.4网络层设备

2.5应用层设备

2.5.1服务器

2.5.2防火墙

2.6本章总结

复习思考题

第3章路由器技术基础

3.1认识路由器

3.2路由器的硬件结构

3.3路由器的软件

3.4路由器的启动过程

3.5高端路由器

3.6路由表

3.7直连路由

3.8静态路由

3.9动态路由

3.9.1动态路由与静态路由的比较

3.9.2静态路由的优缺点

3.9.3动态路由的优缺点

3.9.4动态路由协议的分类

3.10管理距离

3.11本章总结

复习思考题

第4章路由器的基本配置

4.1互联网操作系统

4.2网络设备的配置方式

4.3配置超级终端

4.3.1在Windows XP系统中配置超级终端

4.3.2在Windows 7系统中配置超级终端

4.4路由器的配置向导

4.5路由器的工作模式

4.6路由器的常用命令

4.7配置路由器IP地址的基本原则

4.8iOS的备份、恢复和升级

4.9本章总结

复习思考题

第5章静态路由

5.1基本的IPv4静态路由配置

5.2更复杂的IPv4静态路由配置

5.3汇总IPv4静态路由

5.4IPv4默认静态路由

5.5IPv4浮动静态路由

5.6负载均衡

5.7配置IPv6静态路由和默认路由

5.8本章总结

复习思考题

第6章RIP

6.1RIP的发展简史

6.2距离矢量路由协议

6.3距离矢量路由算法

6.4路由环路及解决方法

6.4.1路由环路产生的原因

6.4.2路由环路的解决方法

6.5RIPv1报文格式

6.6RIP的计时器

6.7RIPv1的配置与管理

6.8RIPv2的配置与管理

6.8.1RIPv1与RIPv2的特性比较

6.8.2RIPv2的配置与管理

6.9RIPng的配置与管理

6.9.1RIPng的工作原理

6.9.2RIPng与RIPv1、RIPv2的比较

6.9.3RIPng配置与管理

6.10本章总结

复习思考题

第7章OSPF协议

7.1OSPF协议的工作原理

7.2OSPF报文

7.2.1OSPF报头格式

7.2.2OSPF正文格式

7.3OSPF分层结构

7.4OSPF协议的工作过程

7.5OSPF配置与管理

7.5.1OSPFv2配置与管理

7.5.2OSPFv3配置与管理

7.6本章总结

复习思考题

第8章EIGRP

8.1EIGRP概述

8.1.1IGRP与EIGRP

8.1.2EIGRP的优点

8.1.3EIGRP与OSPF协议的比较

8.2EIGRP的工作原理

8.2.1可靠传输协议

8.2.2扩散更新算法的相关术语

8.2.3实现路由快速收敛的关键

8.2.4路由计算方法

8.2.5EIGRP数据包

8.2.6修改计时器的方法

8.2.7解决环路问题

8.2.8DUAL有限状态机

8.3EIGRP的配置和管理

8.3.1EIGRP配置命令

8.3.2EIGRP调试命令

8.3.3EIGRP配置实例

8.4支持IPv6的EIGRP

8.4.1支持IPv6的EIGRP的特点

8.4.2配置EIGRPv6的命令

8.4.3测试EIGRPv6的命令

8.4.4EIGRPv6的配置实例

8.5本章总结

复习思考题

第9章访问控制列表

9.1访问控制列表概述

9.1.1访问控制列表的功能

9.1.2建立访问控制列表的作用

9.2访问控制列表的工作原理

9.3访问控制列表的分类和原则

9.3.1访问控制列表的分类

9.3.2定义ACL时应遵循的原则

9.4配置标准访问控制列表

9.5用标准ACL限制虚拟终端的访问

9.6配置扩展访问控制列表

9.7配置命名的访问控制列表

9.7.1命名ACL与编号ACL的区别

9.7.2配置命名ACL的语法格式

9.8配置基于时间的访问控制列表

9.9配置IPv6访问控制列表

9.9.1创建IPv6访问控制列表

9.9.2在接口上应用IPv6访问控制列表

9.9.3配置标准IPv6访问控制列表

9.9.4配置扩展IPv6访问控制列表

9.10本章总结

复习思考题

第10章IPv6过渡技术

10.1过渡技术概述

10.2双协议栈技术

10.2.1双协议栈技术简介

10.2.2双协议栈关键技术

10.2.3ICMPv6简介

10.2.4邻居发现协议简介

10.2.5支持IPv6的DNS简介

10.2.6在路由器上配置双协议栈

10.3隧道技术

10.3.1手动配置隧道

10.3.2GRE隧道

10.3.3自动配置的兼容隧道

10.3.46over4隧道

10.3.56to4隧道

10.3.66RD隧道

10.3.7ISATAP隧道

10.3.8Teredo隧道

10.3.9隧道代理技术

10.3.10隧道配置示例

10.4协议转换技术

10.4.1NATPT

10.4.2NAT64

10.4.3NAT64配置示例

10.5本章总结

复习思考题

附录A思科Packet Tracer 7.0使用简介

A.1Packet Tracer 7.0安装方法

A.2将工作界面修改为中文

A.3Packet Tracer 7.0的工作区域

A.4布置网络设备

A.5连接网络设备

A.6配置网络设备

A.7模拟模式

A.8Packet Tracer的帮助文件

附录B模拟试题

B.1模拟试题一

B.2模拟试题二

附录C常用英文缩写对照表

参考文献

前言
本书由多年从事计算机网络技术教学工作，并具有丰富的网络工程实践经验和大学教材编写经验的教师合作编写而成。编者根据多年的教学经验和学生的认知规律，精心组织教学内容，力争理论和实践相结合，深入浅出，循序渐进，通俗易懂，从网络体系结构、标准、协议、安全等方面对网络互联技术进行探讨，以便让读者对网络互联技术的发展和演变有比较深入的领悟和理解。
如今，国际互联网早已风靡全球，人们的生活和工作都已经离不开网络技术。但是，由于国际互联网的广泛应用，基于IPv4的网络地址即将枯竭，极大地阻碍了国际互联网的发展，由此产生了新一代的IPv6技术。毫无疑问，IPv6取代IPv4是一种必然的趋势，因此，让学生同时掌握IPv4和IPv6技术，是计算机网络技术教学的当务之急。
路由器是计算机网络的核心设备，它通过光纤、卫星等通信线路将分散在世界各地的大大小小的城域网、局域网中的各种服务器和计算机互相连接在一起，组成贯穿全球的国际互联网。在网络体系结构中，基于路由技术的“网络互联技术”已经发展成为一个重要的技术分支，与“计算机网络”“交换机原理”“TCP/IP技术”“网络安全技术”“接入网技术”等计算机网络技术课程并驾齐驱，共同构成现代网络工程技术体系。
一直以来，“网络互联技术”都是计算机网络工程专业的核心课程之一。通过这门课程的学习，学生可以系统地学习路由器和交换机的工作原理与配置知识。对于从事网络规划、设计和管理的网络工程技术人员来说，这些都是必须掌握的专业理论知识和实际操作技能。
“网络互联技术”课程教材应该包含计算机网络的体系结构、技术标准、各种路由技术的工作原理、分类和特点、适用环境、网络配置管理等主要内容。虽然专门讨论路由技术的大学教材已经较多，但是这些教材除了介绍传统的IPv4路由技术外，极少专门论述IPv6路由技术。随着国际互联网的普及，各种IPv6路由技术日新月异，不断涌现和发展，因此，该课程教材有必要与时俱进。与此同时，深入、详细、系统地分析和论述各种基于IPv6的网络互联技术，也给从事计算机网络工程技术的教学和科学研究提出了新的要求。因此，为了全面系统地介绍网络互联技术，满足网络工程专业教学和社会生产实践的需要，培养社会急需的计算机网络工程专业技术人才，我们编写了本书。
本书的主要特点是强调实用性和先进性，力求全面、客观地分析和论述网络互联技术的基本概念、基本原理； 为了保持教材内容的先进性，书中涉及了各种典型的路由技术，全书共10章，各章的主要内容如下：
第1章为网络互联技术概论，主要介绍协议与分层、OSI参考模型、TCP/IP参考模型、IPv4、IPv6等基本概念。
第2章为网络互联设备，主要介绍各种网络传输介质、物理层设备、数据链路层设备、网络层设备和应用层设备。
第3章为路由器技术基础，主要介绍路由器的硬件结构、路由器的软件、路由器的启动过程、高端路由器、路由表、直连路由、静态路由、动态路由和管理距离等基础知识。
第4章为路由器的基本配置，主要介绍iOS、网络设备的配置方式、配置超级终端、路由器的配置向导、路由器的工作模式、路由器的常用命令、配置路由器IP地址的基本原则、iOS的备份、恢复与升级。
第5章为静态路由，主要介绍基本的IPv4静态路由配置、更复杂的IPv4静态路由配置、汇总IPv4静态路由、IPv4默认静态路由、IPv4浮动静态路由、负载均衡、配置IPv6静态路由和默认路由等知识。
第6章为RIP，主要介绍距离矢量路由协议、距离矢量路由算法、RIPv1报文格式、RIP的定时器、各种版本RIP的配置与管理等知识。
第7章为OSPF协议，主要介绍OSPF协议的工作原理、报文、分层结构、工作过程、各种版本OSPF协议的配置与管理等知识。
第8章为EIGRP，主要介绍EIGRP概述、EIGRP的工作原理、各种版本EIGRP的配置与管理等知识。
第9章为访问控制列表，主要介绍访问控制列表的工作原理、访问控制列表的应用、访问控制列表的类型、访问控制列表的配置。
第10章为IPv6过渡技术，主要介绍双协议栈技术、隧道技术、协议转换技术等知识。
由于本书涉及的知识面较广，新技术发展迅速，因此资料更新较快，编写的工作量和难度都比较大。在深入研讨、反复磋商确定编写大纲的基础上，由佛山科学技术学院的多位教师共同合作编写。其中，第1~6章、第8章和第9章由余智豪老师编写； 第7章由何志敏老师编写； 第10章由马莉老师编写。全书由余智豪老师统稿及修改； 周灵教授、李娅副教授认真审阅了本书的书稿； 张德丰教授对书稿提出了许多宝贵意见。此外，在本书的编写过程中，还得到了许多专家和同行的热心帮助和指导，在此一并致以感谢！
由于编者水平所限，本书疏漏和不当之处难以避免，希望读者不吝指正。

编者2018年1月于佛山科学技术学院

3.1认识路由器
路由器(Router)是连接国际互联网中各个局域网、广域网的核心设备，它会根据信道的实际情况自动选择和设定路由，以最佳的路径按先后顺序发送数据包。路由器是互联网络的枢纽，就像“交通警察”一样管理着网络。目前，路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的路由器产品已成为实现骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与国际互联网互联互通业务的主力军。路由器和交换机之间的主要区别就是交换机工作在OSI参考模型的第二层(数据链路层)，而路由器则工作在第三层，即网络层。这一区别决定了路由器和交换机在传输信息的过程中需要使用不同的控制协议，所以说它们两者实现各自功能的工作原理是不同的。
生产路由器的厂商有美国的思科(Cisco)公司、瞻博(Juniper)公司和中国的华三(H3C)公司等。Cisco公司的7609S型机柜式路由器如图31所示。

图31Cisco公司的7609S型机柜式路由器

Cisco公司是全球领先的网络解决方案供应商。组成互联网和数据传送的路由器、交换机等网络设备市场几乎都由Cisco公司控制。
中国的华三(H3C)公司也是一家优秀的网络互联设备生产商。NE系列路由器为华三面向运营商数据通信网络的高端路由器产品，覆

图32华三公司的20系列路由器

盖骨干网、城域网的P/PE位置，帮助运营商应对网络带宽快速增长的压力，支持RIP、OSPF、BGP、ISIS等单播路由协议和IGMP、PIM、MBGP、MSDP等多播路由协议，支持多种路由策略。华三公司的20系列路由器如图32所示。
由于华三公司在国内拥有较高的知名度，因此华三公司也建立了和Cisco公司相似的培训认证体系，如HCNE(华为认证网络工程师)对应CCNA、HCSE对应CCNP、H3CIE对应CCIE。
3.2路由器的硬件结构
和其他计算机产品一样，路由器也是由硬件和软件组成的。路由器硬件包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存(Flash)、非易失性存储器(NVRAM)、控制端口(Console)和辅助控制端口(AUX)、以太网接口、串行接口、扩展接口等； 而路由器的主要软件是iOS。与其他类型的计算机产品不同的是，路由器硬件一般并不包含硬盘。路由器的硬件组成如图33所示。

图33路由器的硬件组成

1. 中央处理器
中央处理器(Central Processing Unit，CPU)是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心。它的功能主要是解释并运行计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
Cisco路由器的中央处理器(CPU)采用Motorola 68030或Orion/R4600集成电路芯片，主要负责配置和管理路由表和数据包的转发工作等。
无论在中低端路由器，还是在高端路由器中，CPU都是路由器的核心。通常，在中低端路由器中，CPU负责交换路由信息、路由表查找以及转发数据包。在高端路由器中，通常包转发和查表由ASIC芯片完成，CPU只实现路由协议、计算路由以及分发路由表。由于技术的发展，路由器中的许多工作都可以由硬件实现(专用芯片)。CPU性能并不完全反映路由器性能。路由器性能由路由器吞吐量、时延和路由计算能力等指标体现。
2. 只读存储器
只读存储器(ReadOnly Memory，ROM)是一种只能读取代码或数据的固态半导体存储器。其特性是： 一旦储存资料，就无法再将之改变或删除，通常用于保存代码，这些代码不会因为电源关闭而消失。
路由器中的只读存储器主要用来储存厂家生产路由器产品时事先固化写入的程序代码，主要包括系统加电自检代码(POST)、系统引导区代码。
3. 随机存取存储器
随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)又称作“随机存储器”，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。
随机存储器可以按需随意取出或存入数据，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器(Static RAM，SRAM)和动态随机存储器(Dynamic RAM，DRAM)。
在路由器运行期间，RAM中除了包含当前正在运行的配置文件、正在执行的代码、操作系统程序和一些相关的临时数据外，还包含路由表、ARP表、缓存待发送的数据包等。
4. 闪存
闪存（Flash）是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器，数据删除时并不是以单个字节为单位，而是以固定的区块为单位，区块大小一般为256KB~20MB。闪存是电子可擦除只读存储器(E2PROM)的变种，与E2PROM不同的是，E2PROM能在字节水平上进行删除和重写，而不是整个芯片擦写，而闪存的大部分芯片需要以区块为单位删除数据。由于闪存在断电时仍能保存数据，故通常用来保存设置信息。
由于闪存在重新启动或关机之后仍能保存数据，因此路由器的闪存相当于计算机中的硬盘，主要用作存放操作系统，甚至可以存放多个版本的iOS，对升级系统有利。
闪存中存放的是路由器的操作系统iOS(Interconnection working Operation System)，例如典型的Cisco的路由器操作系统，就是用压缩格式的映像文件存放在路由器Flash中的。
5. 非易失性存储器
非易失性存储器(Non Volatile RAM，NVRAM)是可读可写的，在系统重新启动或者关机之后仍能保存数据。NVRAM存取数据的速度很快，但是成本较高，仅用于保存启动配置(StartupConfig)文件，其容量较小，通常只有32~128KB。
6. 路由器接口
目前，主流的局域网技术是以太网技术，因此路由器提供10M的以太网接口、100M的快速以太网接口、千兆以太网接口和万兆以太网接口等。此外，路由器还可以提供同步串行接口、异步串行接口和高速同步串行接口、光纤接口等。路由器的典型接口如图34所示。