交换机和路由器（交换机）

一、路由器的工作原理

1.交换机的工作原理：

交换机中维护着一张MAC地址表，主要记录的是MAC地址和接口的对应关系；
交换机在初始状态下，MAC地址表是空的，当收到某个接口（F0/1）的数据是，首先查看数据帧中的源MAC地址，对照MAC地址表，如果不在表中，将发送方的MAC地址学习并记录在MAC地址表中，并附上对应的接口（F0/1），再查看目的MAC地址，如果目的MAC地址不在表中，将除接收接口（F0/1）外的其他所有连接接口转发出去（广播的方式），当目的主机接收到时，其他主机也会接收到，其他主机接收到后直接丢弃，目的主机接收到后进行回应，回应的过程中数据同样会交给交换机进行转发，此时目的主机就变成了回应的发送主机，当交换机接收到来自目的主机的回应报文时（F0/10），同时查看发送方的MAC地址，进行学习记录，并附带对应的接口（F0/10），再去查看目的MAC，因为之前已经有记录，所以直接从记录的接口（F0/1）进行转发（单播）。

• 交换机学习源MAC，广播数据帧，接收方回应，回应使用单播直接转发。

2.路由器的相关知识

路由器属于是三层（网络层）设备；
网络层所封装的ip头部；
网络层的功能：
a）.进行逻辑地址（ip地址）寻址，实现不同网络（网络地址不同或者是内网和外网分割，内网的ip地址是无法在外网进行路由的）直接的路径选择；
b）去查找目的是否可以到达，如果可以到达，选择一条最优的路径，如果不能到达，直接返回给发送方一个消息；
网络层所传输的PDU（传输数据单元）是数据包（ip数据包）。

3.网络层IP数据包的格式

a）IPv4的：

版本：标识当前使用的IP版本（IPv4/IPv6）；
首部长度：由于ip数据报文的首部有一个可选项，造成首部长度是可变的，所以需要定义；
区分服务：为了保障更好的服务，主要是在IP层做Qos（服务质量/优先级和服务类型）；
总长度：主要用来标识整个数据包的长度；
标识、标志、片位移：上层来的数据到ip层会被分成分片，这几个字段用来对数据包进行标识，使数据到达目的端重组时不会乱序。
生存时间（TTL值）：数据包在路由器转发消耗时间的如果小于1秒，TTL就会减1；
协议：标志上层数据是使用的何种协议（TCP是6或UDP是17）；
首部校验：校验数据报文的首部；
源地址：发送方的IP地址；
目的地址：接收方的IP地址；

a）IPv6的：

IPv6 数据包头的格式 - 系统管理指南：IP 服务 (oracle.com)

4.路由器的工作原理

• 路由：

从源主机到目标主机的转发过程（跨网络访问）；
确定最佳路径（手动指定、根据动态路由协商方式）；
通过网络传输信息；

• 路由器工作原理：
  工作原理
• 路由表：

直连路由：当路由器的接口配置好对应的IP地址并开启接口后自动生成；
非直接路由：需要手动配置静态路由或者使用动态路由协议；

• 静态路由：

由管理员手动配置，不灵活，而且是单向；
特殊的静态路由：默认路由，当在路由器中找不到目标网络的路由条目时，再去查看默认路由；（应用场景：用于末节网络，路由器一端只连接了一个网络）；

• 动态路由：

通过某种动态路由协议自动的去建立自己的路由表
常见的动态路由协议：RIP、OSPF、IS-IS、BGP、IGRP；

5.路由器转发数据包的封装过程

• 操作步骤：

  
  PC1打开一个接口
  PC2和PC1一样
  R1打开两个，R2同样

• 配置PC1：

PC1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
PC1(config)#int f0/0
//添加IP
PC1(config-if)#ip add 192.168.10.1 255.255.255.0
PC1(config-if)#no shutdown
*Mar  1 00:02:40.135: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:02:41.135: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
PC1(config-if)#exit
PC1(config)#no ip routing
//添加网关
PC1(config)#ip default-gateway 192.168.10.253

• 配置PC2：

PC2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
PC2(config)#int f0/0
PC2(config-if)#ip add 192.168.30.1 255.255.255.0
PC2(config-if)#no shutdown
PC2(config-if)#exit
PC2(config)#no ip routing
PC2(config)#ip default-gateway 192.168.30.252
PC2(config)#

• 配置R1：

R1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#int f0/0
R1(config-if)#ip add 192.168.10.253 255.255.255.0
R1(config-if)#no shut
R1(config-if)#exit
R1(config)#int f1/0
R1(config-if)#ip add 192.168.20.1 255.255.255.0
R1(config-if)#no shut
R1(config-if)#exit

//在全局模式下添加静态路由
R1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#ip route 192.168.30.0 255.255.255.0 192.168.20.2
R1(config)#

• 配置R2：

R2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#ip add 192.168.30.252 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut
R2(config-if)#exit
R2(config)#int f1/0
R2(config-if)#ip add 192.168.20.2 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut
R2(config-if)#exit

//在全局模式下添加静态路由
2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R2(config)#ip route 192.168.10.0 255.255.255.0 192.168.20.1
R2(config)#

R2#show int f0/0
FastEthernet0/0 is up, line protocol is up
  Hardware is AmdFE, address is cc02.14dc.0000 (bia cc02.14dc.0000)
  MTU 1500 bytes, BW 100000 Kbit/sec, DLY 100 usec,
     reliability 255/255, txload 1/255, rxload 1/255
  Encapsulation ARPA, loopback not set
  Keepalive set (10 sec)
  Full-duplex, 100Mb/s, 100BaseTX/FX
  ARP type: ARPA, ARP Timeout 04:00:00
  Last input 00:01:00, output 00:00:05, output hang never
  Last clearing of "show interface" counters never
  Input queue: 0/75/0/0 (size/max/drops/flushes); Total output drops: 0
  Queueing strategy: fifo
  Output queue: 0/40 (size/max)
  5 minute input rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
  5 minute output rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
     7 packets input, 2373 bytes
     Received 7 broadcasts, 0 runts, 0 giants, 0 throttles
     0 input errors, 0 CRC, 0 frame, 0 overrun, 0 ignored
     0 watchdog
     0 input packets with dribble condition detected
     43 packets output, 4804 bytes, 0 underruns
     0 output errors, 0 collisions, 1 interface resets
     0 unknown protocol drops
 --More--

R2#show int f1/0
FastEthernet1/0 is up, line protocol is up
  Hardware is AmdFE, address is cc02.14dc.0010 (bia cc02.14dc.0010)
  MTU 1500 bytes, BW 100000 Kbit/sec, DLY 100 usec,
     reliability 255/255, txload 1/255, rxload 1/255
  Encapsulation ARPA, loopback not set
  Keepalive set (10 sec)
  Full-duplex, 100Mb/s, 100BaseTX/FX
  ARP type: ARPA, ARP Timeout 04:00:00
  Last input 00:00:33, output 00:00:06, output hang never
  Last clearing of "show interface" counters never
  Input queue: 0/75/0/0 (size/max/drops/flushes); Total output drops: 0
  Queueing strategy: fifo
  Output queue: 0/40 (size/max)
  5 minute input rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
  5 minute output rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
     7 packets input, 2366 bytes
     Received 7 broadcasts, 0 runts, 0 giants, 0 throttles
     0 input errors, 0 CRC, 0 frame, 0 overrun, 0 ignored
     0 watchdog
     0 input packets with dribble condition detected
     50 packets output, 5502 bytes, 0 underruns
     0 output errors, 0 collisions, 1 interface resets
     0 unknown protocol drops
 --More--

示例

PC1#
*Mar  1 00:11:39.371: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
PC1#ping 192.168.100.1

Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.100.1, timeout is 2 seconds:
...!!
Success rate is 40 percent (2/5), round-trip min/avg/max = 148/160/172 ms
PC1#ping 192.168.100.1

Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.100.1, timeout is 2 seconds:
!!!!!
Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 120/156/188 ms

PC1访问PC2
第一个报文：源ip192.168.10.1，目的ip192.168.30.1;源MAC：PC1（f0/0）接口，目的MAC：R1（f0/0）接口；
当R1收到PC1的数据报文后，会解封到网络层，查看目的地是否可达，如果可达转发到对应的接口，重新进行二次封装，源MAC变成了R1（f1/0）接口，目的MAC变成了R2（f1/0）接口的MAC；
当R2收到数据报文后，同样会解封到网络层，看目的地是否可达，目的和自己是同一网络；肯定时可达，将数据报文交给对应的接口，重新进行二次封装，源MAC变成R2（f0/0）接口的MAC，目的MAC就变成了PC2的MAC。

6.静态路由

静态路由：有管理员手工配置，是单向的，缺乏灵活性；
默认路由：静态路由的一种，是直接指定目标为任何地方；

• 静态路由的配置：

//ip route 目标网络（目标的网络地址） 目标的子网掩码  下一跳地址（下一个路由器接口的ip地址或发往下一个路由器的本地接口）
ip route 192.168.10.0 255.255.255.0 192.168.30.2
ip route 192.168.10.0 255.255.255.0 f1/0

• 默认路由的配置：

ip route 0.0.0.0.0.0.0.0 192.168.30.2
ip route 0.0.0.0.0.0.0.0 f1/0

• 查看路由条目：

show ip route

没有可用端口，请配置此设备
配置端口

• 配置PC1：

PC1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
PC1(config)#int f0/0
PC1(config-if)#ip add 192.168.10.1
% Incomplete command.

PC1(config-if)#ip add 192.168.10.1 255.255.255.0
PC1(config-if)#no shut
PC1(config-if)#exti
*Mar  1 00:01:41.099: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:01:42.099: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
PC1(config-if)#exit
PC1(config)#no ip routing
//添加网关
PC1(config)#ip default-gateway 192.168.10.2

• 配置R2：

R2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#ip add 192.168.10.2 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut
*Mar  1 00:02:35.359: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:02:36.359: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
R2(config-if)#exit
R2(config)#int f1/0
R2(config-if)#ip add 192.168.0.1 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut
R2(config-if)#exit
*Mar  1 00:03:36.559: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet1/0, changed state to up
*Mar  1 00:03:37.559: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet1/0, changed state to up
R2(config-if)#exit
R2(config)#int f2/0
R2(config-if)#ip add 192.168.1.1 255.255.255.0
R2(config-if)#no shut

• 配置R1：

R1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#int f0/0
R1(config-if)#ip add 192.168.0.2 255.255.255.0
R1(config-if)#no shut
R1(config-if)#
*Mar  1 00:01:39.583: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:01:40.583: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
R1(config-if)#exit
R1(config)#int f1/0
R1(config-if)#ip add 192.168.2.1 255.255.255.0
R1(config-if)#no shut

• 配置R3：

R3(config)#int f0/0
R3(config-if)#ip add 192.168.2.2 255.255.255.0
R3(config-if)#no shut
*Mar  1 00:01:04.539: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:01:05.539: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
R3(config-if)#exit
R3(config)#int f1/0
R3(config-if)#ip add 192.168.1.2 255.255.255.0
R3(config-if)#no shut
*Mar  1 00:02:14.451: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet1/0, changed state to up
*Mar  1 00:02:15.451: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet1/0, changed state to up
R3(config-if)#exit
R3(config)#int f2/0
R3(config-if)#ip add 192.168.20.2 255.255.255.0
R3(config-if)#no shut

• 配置PC2：

PC2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
PC2(config)#int f0/0
//添加
PC2(config-if)#ip add 192.168.20.1 255.255.255.0
//启动
PC2(config-if)#no shut
PC2(config-if)#
*Mar  1 00:01:01.939: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:01:02.939: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up

• 配置路由：

R2#conf
Configuring from terminal, memory, or network [terminal]?
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R2(config)#ip route 192.168.20.0 255.255.255.0 192.168.0.2

R1#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
R1(config)#ip route 192.168.20.0 255.255.255.0 192.168.2.2

R3#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
//配置默认路由
R3(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 f1/0
R3(config)#

PC1->R2->R1->R3-PC2；PC2->R3-R2->PC1