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  • 第10章三層交換機技術課件

  • 發布時間:2020-04-04 22:25
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      主講教師趙懷明主講教師趙懷明 江西工業職業技術學院江西工業職業技術學院 第十章第十章 三層交換機基礎三層交換機基礎 (理論課時長(理論課時長4 4節)節) 【教學目的】通過本章的學習,讓學生知道三層交 換機產生的根源、三層交換機的分類、為什么需要使 用三層交換機替代路由器成為企業內部網管理的核心 ;讓學生掌握三層交換機的工作原理、三層交換機與 路由器功能的區別。讓學生領會如何使用三層交換機 組建企業內部網,如何使用三層交換機實現Vlan間數 據通信。 【重點難點】 –重點三層交換機和路由器功能區別;使用三層 交換機組建企業內部網。 –難點三層交換機的工作原理 第十章三層交換機基礎 【教學內容】 –二層交換機工作原理 –三層交換機工作原理 –為什么需要三層交換機 –三層交換機分類 –三層交換機與路由器功能比較分析 –使用三層交換機實現企業內部組網 –使用三層交換機實現vlan間數據通信 第十章三層交換機基礎 【教學方法】 –教學方式多媒體教學 –教學方法案例分析視頻教學 通過對比分析讓學生掌握二層交換機、三層交換機 、路由器的工作原理,并理解功能和應用場合的不 同。 利用視頻教學資料,使學生在任何時間和地點能重 溫教學內容,盡一步掌握使用三層交換機組網的關 鍵知識。 通過上機實驗讓學生在boson模擬器的支持下完成三 層交換機組網的實際配置和應用。 第十章三層交換機基礎 第一部分三層交換機技術基礎 一、二層交換機的工作原理 二層交換機工作于OSI的第二層,屬數據鏈路層設備,它可以識別 數據包中的MAC地址信息,根據MAC地址進行數據包轉發,并將數據包 中的MAC地址與其對應的端口號記錄在自己內部的一個MAC地址表中。 (1)當交換機從某個端口收到一個數據包時,它先讀取數據包頭中的 源MAC地址,這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上。 (2)交換機再去讀取數據包頭中的目的MAC地址,并在MAC地址表中查 找相應的端口。 (3)如MAC地址表中有與這目的MAC地址對應的端口,交換機把數據包 直接復制到這端口上,完成數據的交換操作。 (4)如果MAC地址表中不存在目的MAC地址對應的端口,交換機會將數 據包復制到除源端口之外的所有接口廣播。 第一部分三層交換機技術基礎 二、三層交換概念 三層交換機工作在OSI的第三層--網絡層,在第三層實現網絡數據 包的轉發。它通過專用的芯片技術,使路由和交換功能同時在第三層 實現。 三層交換技術就是將路由技術與交換技術合二為一的技術。三層 交換機在對第一個數據流進行路由后,將會產生一個MAC地址與IP地址 的映射表,當同樣的數據流再次通過時,將根據此映射表直接從二層 進行交換而不是再次路由,提供線速性能,從而消除了路由器進行路 由選擇而造成網絡的延遲,提高了數據包轉發的效率。簡單地說,三 層交換技術就是二層交換技術+三層轉發技術。 三層交換技術的出現,解決了局域網中網段劃分之后,網 段中子網必須依賴路由器進行管理的局面,解決了傳統路由器低速、 復雜所造成的網絡瓶頸問題。 第一部分三層交換機技術基礎 三、三層交換技術的產生原因 二層交換技術從網橋發展到VLAN(虛擬局域網),在局域網建 設和改造中得到了廣泛的應用。第二層交換技術是工作在OSI七層 網絡模型中的第二層,即數據鏈路層。它按照所接收到數據包的目 的MAC地址來進行轉發,對于網絡層或者高層協議來說是透明的。 它不處理網絡層的IP地址,不處理高層協議的諸如TCP、UDP的端口 地址,它只需要數據包的物理地址即MAC地址,數據交換是靠硬件 來實現的,其速度相當快,這是二層交換的一個顯著的優點。 但是,二層交換機不能處理不同IP子網之間的數據交換。傳統的路 由器可以處理大量的跨越IP子網的數據包,但是它的轉發效率比二 層低,因此要想利用二層轉發效率高這一優點,又要處理三層IP數 據包,三層交換技術就誕生了。 第一部分三層交換機技術基礎 四、路由器和三層交換機功能對比分析 路由器一般通過微處理器執行數據包交換軟件實現路由,而三 層交換機通過硬件執行數據包交換。因此與三層交換機相比,路由器 功能更為強大,像NAT、VPN等功能仍無法被完全替代。 處于同一個局域網中的各子網的互聯,可以用三層交換機來代替 路由器,但局域網必須與公網互聯以實現跨地域的網絡,這時路由器 就不可缺少。 三層交換機現在還不能提供完整的路由選擇協議,而路由器則具 備同時處理多個協議的能力。當連接不同協議的網絡,像以太網和令 牌環的組合網絡,依靠三層交換機是不可能完成網間數據傳輸的。除 此之外,路由器還具有第四層網絡管理能力,這也是三層交換機所不 具備的。 所以,三層交換機并不等于路由器,也不可能完全取代路由器。 第一部分三層交換機技術基礎 五、三層交換機的分類 三層交換機可以根據其處理數據的不同而分為純硬件和純軟 件兩大類。 (1)純硬件的三層技術相對來說技術復雜,成本高,但是速度 快,性能好,帶負載能力強。其原理是,采用ASIC芯片,采用硬 件的方式進行路由表的查找和刷新。其工作原理如下所述 當數據由端口接口芯片接收進來以后,首先在二層交換芯片 中查找相應的目的MAC地址,如果查到,就進行二層轉發,否則 將數據送至三層引擎。在三層引擎中,ASIC芯片查找相應的路由 表信息,與數據的目的IP地址相比對,然后發送ARP數據包到目 的主機,得到該主機的MAC地址,將MAC地址發到二層芯片,由二 層芯片轉發該數據包。 第一部分三層交換機技術基礎 (2)基于軟件的三層交換機技術較簡單,但速度較慢,不 適合作為主干。其原理是,采用CPU用軟件的方式查找路由 表。 當數據由端口接口芯片接收進來以后,首先在二層交 換芯片中查找相應的目的MAC地址,如果查到,就進行二層 轉發否則將數據送至CPU。CPU查找相應的路由表信息,與 數據的目的IP地址相比對,然后發送ARP數據包到目的主機 得到該主機的MAC地址,將MAC地址發到二層芯片,由二層 芯片轉發該數據包。因為低價CPU處理速度較慢,因此這種 三層交換機處理速度較慢。 第二部分三層交換機工作原理 一、理論講解 (1)發送站點A在開始發送時,已知目的站的IP地址,但 尚不知道在局域網上發送所需要的MAC地址。要采用地址解 析ARP來確定目的站的MAC地址。 (2)發送站把自己的IP地址與目的站的IP地址比較,采用 其軟件中配置的子網掩碼提取出網絡地址來確定目的站是 否與自己在同一子網內。 (3)若目的站B與發送站A在同一子網內,A廣播一個ARP請 求,B返回其MAC地址,A得到目的站點B的MAC地址后將這一 地址緩存起來,并用此MAC地址封包轉發數據,第二層交換 模塊查找MAC地址表確定將數據包發向目的端口。 第二部分三層交換機工作原理 (4)若兩個站點不在同一子網內,如發送站A要與目的站C通信 ,發送站A要向“缺省網關“發出ARP地址解析封包,而“缺省網 關“的IP地址已經在系統軟件中設置。這個IP地址實際上對應第 三層交換機的第三層交換模塊。所以當發送站A對“缺省網關“的 IP地址廣播出一個ARP請求時,若第三層交換模塊在以往的通信 過程中已得到目的站B的MAC地址,則向發送站A回復B的MAC地址 ;否則第三層交換模塊根據路由信息向目的站廣播一個ARP請求 ,目的站C得到此ARP請求后向第三層交換模塊回復其MAC地址, 第三層交換模塊保存此地址并回復給發送站A。 (5)以后,當再進行A與C之間數據包轉發時,將用最終的目的 站點的MAC地址封包,數據轉發過程全部交給第二層交換處理, 信息得以高速交換。 第二部分三層交換機工作原理 二、三層交換機工作原理動畫演示 第三部分三層交換機操作 一、使用三層交換機連接不同子網 (1)網絡拓樸結構 第三部分三層交換機操作 (2)操作步驟 將三層交換機、二層交換機、主機根據如上圖示進行 連接 設置主機的IP地址、子網掩碼和默認網關 配置三層交換機的三層端口(需要使用 no switchport 禁用二層端口) 啟動三層交換機的IP路由功能 顯示三層交換機路由表信息 顯示三層交換機三層端口配置 第三部分三層交換機操作 (3)操作命令 Switch enable Switch configure terminal Switchconfig interface fastethernet 0/1 Switchconfig-if no switchport Switchconfig-if ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 Switchconfig-if no shutdown Switchconfig-if exit Switchconfig interface fastethernet 0/2 Switchconfig-if no switchport Switchconfig-if ip address 192.168.2.1 255.255.255.0 Switchconfig-if no shutdown Switchconfig-if exit Switchconfig ip routing 第三部分三層交換機操作 一、使用三層交換機實現vlan間數據通信 (1)實驗拓樸結構 第三部分三層交換機操作 (2)實驗操作步驟 A、根據上述圖示進行交換機與主機的連接 B、設置主機的IP地址、子網掩碼和默認網關 C、在二層交換機上添加VLAN,并按如上圖示進行端口 的劃分,同時設置與三層交換機相連的端口為trunk 模式 D、在三層交換機上添加Vlan,并設置各Vlan的虛擬三 層地址,同時設置與二層交換機相連的端口為Trunk 模式 E、啟動三層交換機的IP路由轉發功能(請在啟動IP路 由功能5分鐘后再進行ping連通測試) 第三部分三層交換機操作 (3)三層交換機操作命令 Switch enable Switch vlan database Switchvlan vlan 100 Switchvlan vlan 200 Switchvlan exit Switch configure terminal Switchconfig hostname SwitchA SwitchAconfig interface vlan 100 SwitchAconfig-if ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 SwitchAconfig-if exit SwitchAconfig interface vlan 200 SwitchAconfig-if ip address 192.168.2.1 255.255.255.0 第三部分三層交換機操作 SwitchAconfig-if exit SwitchAconfig interface fastethernet 0/1 SwitchAconfig-if switchport mode trunk SwitchAconfig-if switchport trunk encapsulation dot1q SwitchAconfig-if exit SwitchAconfig interface fastethernet 0/2 SwitchAconfig-if switchport mode trunk SwitchAconfig-if switchport trunk encapsulation dot1q SwitchAconfig-if exit SwitchAconfig ip routing

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