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作者：李丙春编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2016-03-01

书籍编号：30468323

ISBN：9787121281945

正文语种：中文

字数：119661

版次：1

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：路由与交换技术

作者：李丙春

ISBN：9787121281945

版权所有 · 侵权必究

前言

随着信息技术的发展和互联网的广泛普及，大多数单位都建设了自己的局域网，并连接到互联网。规划、建设、维护和管理好本单位网络，为广大用户提供良好的服务，是网络管理人员的重要职责。因此，掌握路由与交换技术的基本原理和主流设备的配置方法是网络工程人员必备的基本技能。

“路由与交换技术”是计算机网络工程专业的核心课程之一，理论性和实践性都很强。由于该课程是“计算机网络”课程的后续课程，“计算机网络”课程中的部分知识点在本课程中还会涉及，为了避免与“计算机网络”课程中的内容出现简单重复，本书在内容的安排上紧紧围绕构建园区网这条主线，对已有的知识点进行延伸和扩展，在介绍技术原理的同时，将重点放在技术的具体应用上，强调理论与实践相结合。同时，重视工程实践性，各章都选配了典型案例，在案例的选择上注重针对性和实用性，目的在于帮助学生掌握局域网的规划设计、路由与交换设备的配置调试等基本技能，以提高工程实践能力和解决实际问题的能力，真正做到学以致用。

本书的第1章对Cisco Packet Tracer和GNS3两款模拟软件进行了详细的介绍，目的是使学生掌握两款模拟器的使用方法。第2章简单介绍路由器和交换机的工作原理、主要技术参数、交换机的分类，讲解路由器和交换机的配置方法和基本命令，并介绍接口的概念。第3章对静态路由、RIP路由、OSPF路由、BGP路由等常用路由原理进行讲解，介绍各种路由技术的配置方法。第4章介绍VLAN的基本原理和应用，主要包括VLAN的划分方法、VLAN的管理、交换机端口的工作模式、VLAN间的通信、生成树协议STP以及DHCP动态主机地址获取方法等。第5章讲解访问控制列表ACL技术，主要介绍基本的访问控制列表、扩展的访问控制列表、命名的访问控制列表、基于时间的访问控制列表和自反的访问控制列表的使用方法。第6章介绍网络地址转换和搭建园区网技术，主要包括设备互连方法，静态NAT、动态NAT、端口复用地址转换PAT的基本原理和技术，最后综合运用前几章所学知识搭建一个中型的园区网络。第7章讲解接入技术，包括PPP协议、ADSL、FTTH、PPPoE和VPN技术，重点介绍IPSec VPN技术在网络接入中的应用。

“路由与交换技术”是一门实践性很强的课程，如果只是死记硬背路由器和交换机的命令并不能真正掌握课程的核心知识，必须要进行大量的实践才能加深理解。传统的网络实验室需要使用路由器、交换机、服务器等大量的硬件设备，由于这些设备价格较高，通常学校不可能购买太多的台套数，使得实验室运转较为困难。此外，如果在学生还没有掌握基本技术的情况下就直接在真实设备上做实验，会导致效率低下、实验效果差的结果。考虑到以上因素，本教材引入了Cisco Packet Tracer和GNS3两款模拟软件进行辅助教学。两款模拟软件各有优势，Cisco Packet Tracer对交换机模拟得很好，运行速度快，操作简单，但不支持一些较高级的功能；而GNS3可以使用Cisco设备的IOS系统，做路由实验非常强大，但占用资源多，运行速度慢。因此本书中较简单的案例是在Cisco Packet Tracer环境下实现的，复杂一些的案例则在GNS3环境下实现。

全书由李丙春组织编写并统稿。第1章、第5章、第6章和第7章由李丙春编写，第2章由刘静编写，第3章由王文龙编写，第4章由张奎编写。

由于时间紧张且编者水平有限，书中可能存在不足之处，恳请广大师生批评指正。

编 者

2015年12月

第1章 模拟环境介绍

实验环境的搭建是学习路由交换技术的重要环节，传统的网络实验室需要使用路由器、交换机、防火墙、服务器等大量的硬件设备，这些设备价格较高，通常学校不可能购买太多的台套数，使得实验室运转较为困难。另一方面，硬件设备的更新速度快，实验设备很难跟上硬件更新的步伐。同时，对初学者来说，在基本技术还不熟练的情况下就直接在真实设备上做实验，会导致效率不高、实验效果不理想的结果。借助硬件虚拟化技术，使用模拟器来构建实验环境，学生先在软件模拟环境下学习基本命令，掌握了基本技术以后再到真实设备上做实验，可以很好地改善实验效果。

本书的实验将使用两个模拟器，一个是Cisco模拟器，另一个是第三方模拟器GNS3。Cisco模拟器的最大优点是简单易用，可以支持基本的路由和交换命令。GNS3模拟器可以直接使用IOS文件，支持的命令比前者多，功能更强。本章简要介绍这两款模拟器的基本用法。

1.1 Packet Tracer 6.0模拟器

Packet Tracer 6.0是Cisco公司2013年发行的最新模拟器软件（以下简称Cisco PT），在前期5.3版本的基础上增加了CCNP的部分功能。下面对该模拟器进行简要介绍。

1.1.1 Cisco PT的主界面和基本功能区

软件安装完成后，启动软件的主界面如图1-1所示。

图1-1 Packet Tracer 6.0运行的主界面

主界面的最上面区域是菜单区，与其他大多数软件类似，有File、Edit、Options、View、Tools、Extensions和Help主菜单，每个主菜单下还有子菜单，用于实现软件的全部功能。

主菜单下面的区域是常用工具按钮，用于实现一些常用的菜单功能。

工具按钮区下面有一个大的空白区域，这就是Packet Tracer的工作区，可以将路由器和交换机等实验设备拖入到此区域，完成拓扑图的创建工作。

主界面的下面区域是模拟器提供的网络设备，主要有路由器、交换机、连接线、终端设备等。

右边的区域主要是一些工具类，包括选择设备、移动设备、备注设备、删除设备、图形绘制、拓扑图的缩放，还有两个信封图案表示的工具，分别是“Add Simple PDU”和“Add Complex PDU”，用来查看数据包的传输路径。

1.1.2 设备区介绍

Packet Tracer的使用很简单，重点是要掌握设备的使用，下面介绍该模拟器提供的主要设备。

图1-1所示界面的右下角是模拟器提供的全部设备，单击其中一个图标就会出现该类别的全部设备，如图1-2所示。单击“路由器”（第一个图标），将会在右边出现Packet Tracer 6.0为用户提供的全部路由器，单击“交换机”（第二个图标），则出现可以使用的全部交换机，需要注意的是，只有3560是三层交换机，其余都是二层交换机。

图1-2 模拟器的主要设备

1.1.3 连接线缆

Packet Tracer提供了多种连接线缆，不同的连接线缆有不同的用处，下面对其进行简要介绍。单击连接线缆图标后，在右侧界面将显示模拟器提供的全部连接线，如图1-3所示。其中使用最为频繁的是“直连线”和“交叉线”，直连线和交叉线的区别在于线序不同，具体可参见有关说明。严格地说，同类设备的连接要使用交叉线，异类设备的连接使用直连线，例如，以下设备的互连要使用交叉线：路由器与路由器，路由器与计算机，计算机与计算机，交换机与交换机；以下设备的互连要使用直连线：路由器与交换机，计算机与交换机。

图1-3 模拟器提供的各类连接线

现在的网络设备基本都能够自动识别对端设备，可以自动调节连接方式，所谓的直连线、交叉线的区分已经不那么严格，也就是说同类设备也可以使用直连线来连接。在模拟器环境下，有一个称为“自动配置”的连接线用来自动匹配两边的设备，但是最好不要用此功能，因为模拟器毕竟没有真实的网络设备那样智能，否则可能会产生一些难以排除的故障。

1.1.4 设备模块

在工作区的拓扑图上单击某个模块化的设备，弹出如图1-4所示的窗口，在窗口的左上角有三个名为“Physical”、“Config”和“CLI”的选项卡，其中Config是可视化的配置，一般很少使用。CLI是命令行接口，我们对设备的配置就是在这里完成，也就是对设备写入命令行脚本文件，是学习和使用网络设备的关键场所。当所选用的设备模块不够时，可以在Physical选项卡下自己动手添加所需的模块。

在添加模块之前要手动关闭电源，单击电源开关就关闭了，模块添加完毕后，再单击电源开关开启设备电源。下面对各模块做简要说明。

图1-4 为设备添加模块

MODULES下的模块命名含义如下：

NM：Network Module，网络模块。

E：Ethernet，10Mbps以太网电口。

FE：Fast Ethernet，100Mbps快速以太网接口。

FX：光纤接口。

TX：RJ45接口。

W：广域网接口槽位。

A/S：异步/同步串行网络模块。

AM：模拟调制解调器模块。

WIC：Wlan Interface Card，即广域网接口卡。

T：串行广域网接口，也就是serial接口。

模拟器中可以使用的模块名称是这些缩写的组合，例如，NM-1FE-FX表示提供一个100Mbps光纤模块；NM-1FE2W表示提供一个100Mbps模块和两个广域网接口槽位，在广域网接口槽位上可以插一个WIC-2T卡或两个WIC-1T卡；NM-4A/S表示带4端口的异步/同步串行网络模块；WIC-1T表示一个serial接口，可以插入在包含W的NM模块中。

实际上，这些模块在早期的路由器中使用得多一些，现在的路由器则用得比较少，现在的路由器一般都使用千兆光纤模块，甚至是万兆光纤模块。

1.1.5 终端设备

在终端设备中用得较多的是PC机和服务器，关于模拟器中的服务器将在后续部分中讲解，这里只对PC机做简要介绍。单击拓扑图中的PC机图标，弹出如图1-5所示的窗口，窗口上端有4个标签，最常用的是“Desktop”，单击其中的“IP Configuration”图标后会弹出配置IP地址的窗口，可配置静态和动态地址，如图1-6所示。单击“Command Prompt”图标，会弹出DOS命令行窗口，如图1-7所示，可在其中运行“ping”命令，会经常用它来测试网络的连通性。

图1-5 模拟器PC机提供的功能

图1-6 IP地址配置窗口

图1-7 命令行窗口

1.1.6 保存和打开文件

如果需要保存当前建立的拓扑图和设备的配置文件，可以使用主菜单“File”下面的“Save”子菜单来完成。该操作可将拓扑图和设备的配置文件整体保存到一个扩展名为“pkt”的文件中，下次打开该文件时，系统会把拓扑图和图中各个设备的配置文件一起打开。

1.2 GNS3模拟器

GNS3是一款基于Dynamips的图形化界面的Cisco模拟软件，由于该模拟软件可以直接使用Cisco的IOS文件，因此，该模拟软件中的路由器和交换机几乎和真实设备一样。该软件具有非常高的仿真度，只要安装在计算机上就可以完成实验，不受时间、地点和数量的限制，具有非常好的实验效果。GNS3模拟平台整合了以下四个套件。

Dynamips：一款可以让用户直接运行Cisco系统（IOS）的模拟器。Dynamips不同于传统的纯软件式模拟器，它可以模拟多种型号的Cisco路由器硬件平台，由于可以在模拟器中直接加载并运行真正的IOS镜像文件，因此可以使用IOS所支持的所有命令和参数，并且得到的结果与真实设备的结果相同。

Dynagen：是Dynamips的显示前端，实际上GNS3就是Dynagen图形化前端，可以省去用户手工编写网络拓扑的配置文件，以图标的形式完成网络拓扑的构建。

Pemu：是一个基于QEMU的Cisco PIX防火墙模拟器和虚拟机。

Winpcap：Windows平台下的一个免费的网络通信系统，为Windows应用程序提供访问网络底层的能力。

要使用GNS3模拟平台，需要安装以上四个套件，但现在有all-in-one版本，例如0.8.3版本的GNS3同时包含以上软件，安装时会同时安装相关软件，不需要用户逐个地安装，非常方便。

1.2.1 GNS3的主要功能区

GNS3启动后的界面如图1-8所示，它有以下几个主要的区域：位于左侧的是设备区，该区域中包含了我们要使用的路由器、交换机、防火墙、PC等网络设备；中间最大的空白区域是工作区，或称为拓扑区，从设备区中将网络设备拖入该区域可以创建网络拓扑图，构建虚拟网络环境，该区域是我们工作的重要场所；右侧是拓扑汇总区，在该区域可以查看拓扑中所使用的设备，以及每台设备各端口的连接情况；正下方是控制台区，即Dynagen控制台，在这里可以输入Dynagen的各种命令，也可以查看输出结果；最上方是工具栏，包含常用的命令按钮和连接链路。

图1-8 GNS3启动界面

1.2.2 基本配置

1.配置Dynamips的工作环境

GNS3的主要软件是Dynamips，需要让GNS3知道Dynamips的安装位置，以便正常工作。通过菜单“编辑/首选项”打开首选项窗口，选择左边的Dynamips项目，将Dynamips安装后的目录填写在“Dynamips可执行路径”中，当然不填写安装目录也可以，它将自动寻找。另一个需要填写的是“Dynamips工作路径”，系统会默认一个工作目录，但由于Dynamips在运行过程中会产生大量的临时文件，因此建议自建一个工作目录，将其填写在“Dynamips工作路径”中。最后测试GNS3能否正常调用Dynamips，单击“测试设置”，若出现“Dynamips 0.2.8-RC3 成功启动”，则Dynamips配置成功。配置界面如图1-9所示。

图1-9 配置Dynamips的工作环境

同时，还可以在“首选项”窗口中设置其他选项，例如，选择“一般”选项，配置GNS3的工程目录和IOS文件的存放位置等。

2.配置IOS镜像文件

GNS3本身不带Cisco的IOS文件，用户需要自己准备IOS文件。将准备好的IOS文件放在某个文件夹中，通过“编辑/IOS和Hypervisor”命令打开配置窗口，指定IOS镜像文件的位置和文件名，选择与之匹配的设备平台和设备型号。例如，Cisco 7200路由器可以使用的IOS文件为c7200-adventerprisek9-mz.124-15.T5.bin等，如图1-10所示。

图1-10 配置IOS镜像文件

3.配置设备的IDLE PC值

GNS3最大的缺点就是消耗资源较多，当网络拓扑较大，开启多台网络设备时，计算机的运行速度会很慢，有时CPU利用率会达到100%，严重影响计算机的使用。事实上，GNS允许通过调整设备的IDLE PC值来减少设备对CPU资源的占用，从而提高计算机的运行速度。配置方法是：在拓扑图中先启动某一型号的设备（右键单击设备，在弹出的菜单中选“启动”项）；然后在弹出的菜单中选择“IDLE PC”项。系统会为该型号的设备计算出若干个IDLE PC值，同时它可能会给出一个推荐值，即带*号的值，有时不会出现带*号的值，没有关系，根据使用经验来看，带*号的值未必就是最优的，往往选择最大的一个作为IDLE PC值会更好；最后保存即可，如图1-11所示。

图1-11 计算IDLE PC值

关于IDLE PC值的计算是使用GNS3模拟器中很重要的一环，不设置或者设置得不好，将有可能导致运行不下去，因此一定要找到一个比较理想的值。一般的做法是先打开Windows的资源管理器，记住CPU的利用率，再计算IDLE PC值，可能需要多计算几次，直到CPU的利用率得到大幅下降。另外，不同型号的路由器和交换机要单独计算。

再次打开“编辑/IOS和Hypervisor”菜单时，在弹出的窗口中设置“IDLE PC”一栏处就有了IDLE PC值，不必再计算。

1.2.3 登录和配置设备

在GNS3中可以通过多种方法登录和配置路由器。

第一种方法是在控制台使用list命令，列出拓扑中的全部设备、初始地址和端口情况，用Windows自带的Telnet进行登录，如Telnet 127.0.0.1 2001，这种方法占用内存资源较多。

第二种方法是在设备上单击鼠标右键，选择“Console”，弹出一个Putty工具，在此工具中对设备进行配置。

第三种方法是将GNS3与SecureCRT进行关联，通过SecureCRT软件来登录和配置设备。安装好GNS3和SecureCRT软件，打开GNS3的“编辑/首选项”菜单，依次选择“一般”和“终端设置”标签，在终端命令行处输入SecureCRT的文件位置的相关参数，如图1-12所示。假设SecureCRT安装在D：/SecureCRT目录中，则在该处输入\"D：\\SecureCRT\\SecureCRT.EXE\"\\SCRIPT securecrt.vbs\\ARG%d\\T\\TELNET%h%p\"即可。这样下次在设备处选择“Console”时就会自动打开SecureCRT作为登录和配置工具。

1.2.4 GNS3中的模拟交换机

在GNS3的0.8.3版本的仿真设备中有一个名为“以太交换路由器”的图标，可以当作三层交换机来使用，但它是用路由器来模拟三层交换机，因此需要为它添加交换模块，例如，给它添加一个NM-16ESW模块，或者使用c3600路由器来模拟三层交换机，IOS文件需要使用c3640-jk9o3s-mz.124-10a.bin。在拓扑图中右键单击交换机设备，在弹出菜单中选“配置”项，在“节点配置”窗口中选择设备名称，再单击“插槽”，在“slot 1”下拉菜单中选择NM-16ESW，这样它就会带16个100Mbps以太口，如图1-13所示。如果要用它来模拟二层交换机，只需要关闭它的路由功能即可（no ip routing）。

图1-12 配置SecureCRT参数

图1-13 添加NM-16ESW模块

由于在GNS3中毕竟是用路由器来模拟交换机，因此和使用真实的交换机相比起来有以下差异：

（1）只能在VLAN database中创建VLAN，不能在Config模式下创建VLAN。

（2）当创建多个VLAN时可能不会成功，在用exit从VLAN数据库返回时，如果出现以下错误提示信息：

表明flash空间不够，可用以下方法来解决。先查看flash中VLAN数据库的名称，一般情况下是VLAN.dat，将VLAN.dat数据库文件复制到NVRAM中，再删除flash中的文件，为flash腾出空间，这样就可以创建多个VLAN了。

（3）打开一个存储过的网络拓扑，并为之加载配置文件（cfg文件）时，发现原先创建的VLAN不存在了，需要重新创建。原因可能是在保存配置文件时，GNS3没有保存VLAN数据库，只要把VLAN重新建立一遍就可以了，其他的配置是有效的。

（4）查看VLAN信息使用的命令是“show vlan-swich”，与真实交换机的不一样。

（5）创建了一个VLAN，并给它配置了IP地址后，此时在交换机里ping不通VLAN的地址，用“show interface VLAN 10”查看VLAN 10的状态时，显示结果为“VLAN10 is up，line protocol is down”，即VLAN 10的链路协议处于down状态。原因是必须至少有一个端口使用了该VLAN，并且该端口必须处于up状态时，VLAN的链路协议才会处于up状态。

1.2.5 模拟PC机

在GNS3中模拟PC机有四种方法，下面简要介绍。

1.用路由器模拟PC机

这种方法是用路由器来模拟PC机，适用于测试网络的连通性。由于GNS3中的路由器运行时占用资源较多，如果网络拓扑中需要使用较多的PC机，将会严重影响运行速度，因此一般不推荐使用这种方式。

2.将真实计算机接入虚拟实验平台

这是GNS3的特色之一，GNS3允许将真实计算机连接到虚拟实验平台中，只要修改自己网卡的IP地址即可，让用户感觉和真实网络一样。但这种方式接入的真实计算机数量有限，适合于小型实验。

3.用VMware模拟PC机

首先在真实机上添加Microsoft Loopback Adapter网卡，假设为“本地连接2”，用于真实机与GNS3交互的接口。在GNS3中添加一个Cloud虚拟设备，即虚拟PC机，将该虚拟设备的网卡配置为“本地连接2”。打开VMware Workstation，在它的虚拟机配置中，将网卡的连接方式选定为VMnet。在GNS3中添加另一个Cloud虚拟设备，将它的网卡配置为VMnet。这样两台虚拟的PC机就可以通过网络进行通信了。

4.用VPCS模拟PC机

安装VPCS软件后就可以用它来模拟PC机了，VPCS最多允许使用9台虚拟PC机。在网络拓扑中添加Host或者Cloud来作为虚拟PC机，如果添加了多个虚拟PC机，则需要在它的“NIO UDP”中为其设置不同的本地端口和远程端口，例如，第一台虚拟PC的本地端口和远程端口分别为30000和20000，则第二台虚拟PC机的本地端口和远程端口应设置为30001和20001，依次类推。

给虚拟PC机配置IP地址：运行VPCS，会出现DOS窗口，在这里为虚拟PC机配置IP地址，命令格式为

例如“ip 192.168.1.70 192.168.1.65 26”，则它的IP地址为192.168.1.70，网关为192.168.1.65，子网掩码为255.255.255.192。

可以用“show”命令查看全部虚拟设备的情况，用数字1～9在不同虚拟PC机之间进行切换，可以用“ping”命令测试连通性，也可以用“tracert”命令进行简单的路由跟踪。

1.2.6 保存和打开文件

1.保存文件

GNS3是将拓扑图和设备的配置文件分开保存的，在使用“Save”菜单保存文件时，只保存拓扑图，不保存各个设备的配置文件。因此，如果想要同时保存网络拓扑图和设备的配置文件，需要按以下步骤进行：

（1）保存拓扑图

使用主菜单“File”下面的“Save”子菜单保存当前工作区的网络拓扑图，文件的扩展名自动定义为“net”。

（2）保存设备配置文件

单击工具栏上的“导入/导出Startup配置”工具按钮，在弹出的对话框中选择“解压到目录”选项，单击“OK”按钮，将弹出一个文件夹选择对话框，选择一个自己的工作文件夹，即可将拓扑图中每个设备的配置分别保存到扩展名为“cfg”的文件中。

2.打开文件

与保存文件的操作类似，先打开拓扑图，再单击“导入/导出Startup配置”工具按钮，在对话框中选择“从目录中导入”选项，就会自动加载各个设备的配置文件。

习题1

1.1 熟悉Cisco Packet Tracer 6.0模拟环境，掌握该模拟软件提供的各种型号的路由器、交换机的区别和各类线缆的用途，掌握网络拓扑图的创建方法。

1.2 熟悉GNS3模拟环境，掌握路由器IOS文件的导入、拓扑图的创建、设备模块的添加、设备的启动和进入设备配置等方法。

第2章 路由交换设备介绍和基础配置

路由器和交换机是构建网络的基础，学习路由与交换技术必须首先掌握路由器和交换机的基本原理。本章首先介绍路由器和交换机的组成结构、工作原理和主要技术指标，以及交换机的分类，并对网络中的接口概念做了重点说明。然后，介绍路由器和交换机的配置方式和初始配置，并给出路由器和交换机的一些基本命令。最后，介绍路由器和交换机管理地址的配置方法。本章是全书的基础，学好本章的内容对后续各章节的学习将有很大的帮助。

2.1 路由器

路由器工作在网络层，是不同网络之间互相连接的枢纽，是能够选择数据发送的路径并对数据进行转发的网络设备。路由器的概念模型如图2-1所示。从通信的角度看，路由器是一种中继系统。

图2-1 路由器的概念模型

2.1.1 路由器的组成

路由器实质上是一种专用计算机，由硬件和软件组成。硬件主要包括中央处理器（Central Processor Unit，CPU）、存储器和接口（端口）等；软件包括路由器的操作系统（如Cisco路由器的IOS文件）和运行配置文件。

1.CPU

路由器与计算机一样，也包含了一个中央处理器（CPU）。CPU是路由器的核心部件，对路由器的性能起决定性作用。CPU负责交换路由信息，维护路由表，执行路由协议，以及转发数据包。不同系列和型号的路由器，其CPU也不尽相同。

2.存储器

路由器的存储器主要有4种类型：RAM、ROM、NVRAM、Flash RAM，每种存储器以不同方式协助路由器工作。

（1）RAM（Random Access Memory，随机存取存储器），RAM提供临时数据的存储，主要包括路由表信息、ARP的高速缓存信息和运行配置文件（Running-conf

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