思科网络学习笔记
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第1章：路由概念
文章目录：
1.1.1.1 网络的特征
1.1.1.2 为什么需要路由？
1.1.1.3 路由器实质上是计算机
1.1.1.4 路由器互联网络
1.1.1.5 路由器选择最佳路径
1.1.1.6 数据包转发机制
1.1.1.7 练习
思科仿真模拟实验室 Packet Tracer
附录：答案
1.1.1.1 网络的特征
网络使我们能够以前所未有的方式进行通信、协作和互动。我们可以通过各种形式使用网络，其中包括 Web 应用程序、IP 电话、视频会议、互动游戏、电子商务、教育以及其它形式。
在讨论网络时会涉及许多关键结构和与性能相关的特征：
- 拓扑 - 存在物理拓扑和逻辑拓扑。物理拓扑是电缆、网络设备和终端系统的布局。它说明了网络设备实际上是如何使用导线和电缆实现互连的。逻辑拓扑是数据在网络中传输的路径。它说明了网络设备如何连接到网络用户。
- 速度 - 速度是衡量网络中给定链路的数据传输速率的指标，以每秒位数 (b/s) 表示。
- 成本 - 成本表示购买网络组件及安装和维护网络的整体费用。
- 安全性 - 安全性是指网络的安全程度，包括通过网络传输的信息的安全性。安全主题非常重要，而技术和实践也在不断发展。每当执行影响网络的操作时都需要考虑安全性。
- 可用性 - 可用性是指在需要时网络可供使用的可能性。
- 可扩展性 - 可扩展性表示网络容纳更多用户和满足更多数据传输要求的难易程度。如果对网络设计进行优化后只能满足当前需求，那么若要满足网络增长所产生的新需求，难度就会很大，且成本高昂。
- 可靠性 - 可靠性表示构成网络的路由器、交换机、PC 和服务器等组件的可靠程度。可靠性通常用故障概率或平均无故障工作时间 (MTBF) 来衡量。
这些特征和属性提供了比较不同网络解决方案的方法。
注：虽然在涉及网络带宽时经常使用“速度”这一术语，但从技术上来讲它并不精确。位传输的实际速度在通过同一介质时并不改变。产生带宽差异的原因在于每秒传输的位的数量，而不在于它们在有线或无线介质中传输的速度。
扩展：
网络传输速度一般以比特率（bps）为单位，其含义是每秒钟传输的二进制数的位数。我们平时所接触的 KB/s 其实是按照字节（Byte）为单位计算的，而运营商提供给我们的宽带就是按比特（bit）为单位计算的。换算关系为：1Byte=8bit
一般的20M宽带，20M是指传输速度能达到20Mbit/s，而对应成每8位一字节换算，实际速度为 20/8=2.5MB/S。
1.1.1.2 为什么需要路由？
为什么点击 Web 浏览器中的链接可以在数秒内返回所需的信息？虽然需要许多设备和技术协同工作才能实现此功能，但主要设备是路由器。简而言之，路由器的作用就是将各个网络彼此连接起来。
如果没有路由器确定通往目的地的最佳路径并将流量转发到路径沿途的下一路由器，就不可能实现网络之间的通信。路由器负责网络间流量的路由。
在图中的拓扑中，路由器在不同站点与网络互连。当数据包到达路由器接口时，路由器使用其路由表来确定如何到达目标网络。IP 数据包的目的地可能是另一国家/地区的 Web 服务器，也可能是局域网中的邮件服务器。路由器负责高效传输这些数据包。在很大程度上，网际通信的效率取决于路由器的性能，即取决于路由器是否能以最有效的方式转发数据包。
——图片来自思科网院，侵权删除
1.1.1.3 路由器实质上是计算机
大多数支持网络的设备（如计算机、平板电脑和智能手机）需要使用以下组件才能正常运行，如图 1 所示：
中央处理器 (CPU)
操作系统 (OS)
内存和存储（RAM、ROM、NVRAM、闪存、硬盘）
ps:只读内存(ROM)、闪存(FLASH)、随机存取内存(RAM)、非易失性RAM(NVRAM)
路由器实质上是一种特殊的计算机 。它要求 CPU 与内存临时性和永久性地存储数据，以便执行操作系统指令，例如系统初始化、路由功能和交换功能。
注：思科设备使用思科互联网络操作系统 (IOS) 作为系统软件。
路由器存储器分为易失性或非易失性两类存储器。易失性存储器在电源关闭时会丢失其内容，而非易失性存储器在电源关闭时不会丢失其内容。
图 2 中的表格总结了路由器存储器的类型、易失性以及每种存储器中所存储内容的示例。
与计算机不同的是，路由器没有视频适配器或声卡适配器。相反，路由器配有专用端口和网络接口卡，用于将设备互连到其他网络。图 3 标识了其中一些端口和接口。
1.1.1.4 路由器互联网络
大多数用户并不清楚自己的网络上或互联网上存在许多路由器。用户只希望能够访问网页、发送电子邮件和下载音乐，而不管访问的服务器是在自己的网络上还是在另一网络上。但网络专业人员知道，负责在网络间将数据包从初始源位置转发到最终目的地的设备，正是路由器。
一台路由器可以连接多个网络，也就是说，它具有多个接口，而每个接口属于不同的 IP 网络。当路由器从某个接口收到 IP 数据包时，它会确定使用哪个接口来将该数据包转发到目的地。路由器用于转发数据包的接口可能是最终目的地，也可能是与用于到达目标网络的另一路由器相连的网络。
在图 1 的动画中，路由器 R1 和 R2 负责从一个网络接收数据包，并将数据包从另一个网络转发出去，发往目标网络。
路由器连接的每个网络通常需要单独的接口。这些接口同时用于连接局域网 (LAN) 和广域网 (WAN)。LAN 通常为以太网络，其中包含各种设备（如 PC、打印机和服务器）。WAN 用于连接分布在广阔地域中的网络。例如，WAN 连接通常用于将 LAN 连接到互联网服务提供商 (ISP) 网络。
注意，图 2 中的每个站点都要求使用路由器以互连到其他站点。即使是家庭办公室也要求使用路由器。在该拓扑中，位于家庭办公室中的路由器是一种专用设备，可以为家庭网络执行多种服务。
1.1.1.5 路由器选择最佳路径
路由器的主要功能是：
- 确定发送数据包的最佳路径
- 将数据包转发到其目的地
路由器使用路由表来确定用于转发数据包的最佳路径。当路由器收到数据包时，它会检查数据包的目标地址并使用路由表来查找通向该网络的最佳路径。路由表还包括用于转发每个已知网络的数据包的接口。当找到匹配条目时，路由器就会将数据包封装到传出接口或送出接口的数据链路帧中，并将数据包转发到其目的地。
可以使路由器接收封装到一种类型的数据链路帧中的数据包，而从使用另一种类型数据链路帧的接口将数据包转发出去。例如，路由器可能会在以太网接口接收数据包，但必须从配置了点对点协议 (PPP) 的接口将数据包转发出去。数据链路封装取决于路由器接口的类型及其连接的介质类型。路由器可以连接的不同数据链路技术包括以太网、PPP、帧中继、DSL、电缆和无线（802.11，蓝牙等）。
图中的动画演示了数据从源 PC 传输到目的 PC 的过程。请注意，路由器的责任是在其路由表中查找目标网络，然后将数据包转发到目的地 。在本例中，路由器 R1 收到封装到以太网帧中的数据包。将数据包解封之后，R1 使用数据包的目标 IP 地址搜索路由表，查找匹配的网络地址。在路由表中找到目标网络地址后，R1 将数据包封装到 PPP 帧中，然后将数据包转发到 R2。R2 接着执行类似的过程。
注：路由器使用静态路由和动态路由协议来获知远程网络和构建路由表。
1.1.1.6 数据包转发机制
路由器支持 3 种数据包转发机制：
- 进程交换
一种较早版本的数据包转发机制，在思科路由器上仍然可用。当数据包到达某个接口时，将其转发到控制平面，在控制平面上 CPU 将目的地址与其路由表中的条目进行匹配，然后确定送出接口并转发数据包。重要的是要了解路由器会对每个数据包执行此操作，即使数据包流的目的地是相同的。这种进程交换机制非常慢，在现代网络中很少实施。
- 快速交换
这是一种常见的数据包转发机制，使用快速交换缓存来存储下一跳信息。当数据包到达某个接口时，将其转发到控制平面，在控制平面上 CPU 将在快速交换缓存中搜索匹配项。如果不存在匹配项，则数据包采用进程交换并将转发到送出接口。数据包的流向信息也会存储到快速交换缓存中。如果通往同一目的地的另一个数据包到达接口，则缓存中的下一跳信息可以重复使用，无需 CPU 的干预。
- 思科快速转发 (CEF)
CEF 是最近推出和首选使用的思科 IOS 数据包转发机制。与快速交换相似，CEF 将构建转发信息库 (FIB) 和邻接表。但是，表中的条目不是像快速交换一样由数据包触发，而是由更改触发，例如当网络拓扑发生更改时。因此，当网络融合后，FIB 和邻接表将包含路由器在转发数据包时必须考虑的所有信息。FIB 包含预先计算的反向查找，路由的下一跳信息（包括接口和第 2 层信息）。思科快速转发是思科路由器上最快且首选的转发机制。
图 1 至图 3 说明了三种数据包转发机制之间的差异。 假定由五个数据包组成的流量都发往同一目的地。如图 1 所示，如果使用进程交换，则每个数据包都必须由 CPU 单独处理。将其与快速交换进行对比，如图 2 所示。使用快速交换时请注意一下，如何只让流量的第一个数据包进行进程交换并添加到快速交换缓冲中。而使之后的四个数据包根据快速交换缓存中的信息得到快速处理。最后，在图 3 中，当网络融合后，CEF 将构建 FIB 和邻接表。所有的五个数据包都将在数据平面中得到快速处理。
一个用于描述这三种数据包转发机制的常见比喻如下：
- 进程交换通过数学计算来解决每个问题，即使是完全相同的问题。
- 快速交换通过一次数学计算并为后续相同问题记忆答案，以解决问题。
- CEF 事先在电子表格中解决每个可能出现的问题。
1.1.1.7 练习
答案在博文末尾，请认真思考过后再看答案。
思科仿真模拟实验室 Packet Tracer
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最后，附上练习答案，你答对了吗？
