路由交换技术与实验

前言

信息技术的演进与发展和社会的变革与进步交织交融，相互促进。计算机网络技术是信息技术的核心，大规模集成电路、数据库、操作系统等技术的快速发展推动网络技术不断变革、螺旋式发展，先后经历单机/局域网、城域网/广域网、互联网/移动互联网、云计算/物联网等发展阶段，并逐步进入到万物互联/智慧互通时代。伴随通信技术、信息技术的持续发展和广泛应用，已经形成包含移动互联网、云计算、物联网、大数据等相互交织的普适网络环境。在这种网络环境下，催生出新的信息传播方式和信息服务模式，深刻改变着人们的学习、生活和工作方式。
在这种背景下，位于服务器中的数据如何才能有效传递到网络边缘的用户终端为用户提供更好的服务呢？就像人身体中血液由心脏通过不同的脏器和血管到达全身一样，数据包从服务器出发也要经过许多不同的网络设备和链路终到达用户终端。那么，数据包如何在不同的网络设备和链路上进行传递、转发呢？这就需要网络管理员制定一系列转发规则，大家都遵守这些规则，即网络协议，包括子网间的路由协议和子网内的交换协议。因此，路由与交换技术是计算机网络相关技术的核心和基础，读者掌握这门技术对于后续课程的学习具有重要意义。
本书共12章，主要内容如下： 
第1章为计算机网络基础。站在计算机网络演变与发展的角度，系统总结了计算机网络的历史与发展趋势，然后从计算机网络的OSI参考模型和TCP/IP参考模型两个方面总结了计算机网络的体系结构； 随后介绍了几种常见的计算机网络典型协议； 在此基础上，详细介绍了IP地址的表示与子网划分方法，后给出本书常用网络命令与工具的使用方法。
第2章为校园网项目设计与子项目分解。针对校园网项目规划与设计，从网络平台、功能与性能、硬件选配、软件集成、综合布线和网络管理等方面全面分析了校园网建设项目的需求； 然后从核心层、汇聚层、接入层三个层面介绍校园网拓扑结构的设计方法； 后从路由、交换、安全和出口等方面对校园网网络建设项目进行子项目分解，以适应本书的内容安排。
第3章为思科网络设备与操作系统。思科网络设备主要指路由器和交换机，其操作系统均为Cisco IOS； 本章首先介绍这两种网络设备的外观、接口编码规则； 然后给出Cisco IOS的基本操作与配置方法，包括各种模式的切换、命令提示与缩写、各类快捷键的使用、接口的配置方法等； 后介绍Cisco发现协议的配置和验证方法，通过该协议可以构建网络拓扑结构。
第4章为路由选择原理与静态路由协议。本章开始路由协议部分的介绍，首先阐述为什么需要路由，然后介绍路由选择原理和数据转发原理，以及路由表的结构与查表原则，再从不同角度分析路由协议的分类方法； 在此基础上，介绍静态路由协议、默认路由协议、浮动静态路由协议的原理与配置方法，后介绍排错技巧和实战演练项目。
第5章为路由信息协议与配置方法。首先阐述为什么需要路由信息协议（RIP），并介绍距离矢量路由协议的原理、路由环路问题及解决办法，然后从RIP计时器、路由表条目、两种版本、认证、汇总、更新等方面介绍RIP协议的原理； 接着介绍RIP的配置与测试方法，RIP手动汇总以及RIP的认证与更新的配置方法，后给出实战演练项目。
第6章为增强型内部网关路由协议与配置方法。首先阐述为什么需要增强型内部网关路由协议（EIGRP），然后介绍EIGRP工作原理、主要特征、三个表、数据分组类型、命令语法和协议总结； 接着通过实例介绍EIGRP协议的配置与测试方法，后给出实战演练项目。
第7章为开放式短路径优先协议与配置方法。首先阐述为什么需要开放式短路径优先协议（OSPF），然后从OSPF特性、数据包类型、网络类型、区域、路由器类型、链路状态类型、认证、汇总等方面系统介绍OSPF协议工作原理； 接着从点对点网络和广播网络两方面介绍单区域OSPF协议配置方法； 从简单口令认证和MD5认证两方面介绍OSPF认证方法，还介绍了不连续区域的多区域OSPF配置方法，后给出实战演练项目。
第8章为交换技术与交换机配置方法。首先阐述在有路由的前提下为什么需要交换，然后介绍交换原理与交换机的功能，接着介绍交换网络中的冗余环路问题及解决方法，生成树协议的工作原理与端口状态； 在此基础上，介绍交换机的基本配置方法和排错思路，后给出实战演练项目。
第9章为VLAN、Trunk、VTP协议与配置方法。首先阐述为什么需要VLAN、Trunk、VTP协议，然后从VLAN实现方法、成员模式、标识方法等方面介绍VLAN原理与配置方法； 从Trunk概念、应用、实现方式等方面介绍Trunk原理与配置方法，从VTP模式、工作原理等方面介绍VTP协议的原理与配置方法，后给出实战演练项目。

第10章为VLAN间路由与配置方法。首先阐述为什么需要VLAN间路由，然后介绍VLAN间路由的物理和逻辑实现方法，子接口与单臂路由的工作原理，以及单臂路由的配置与排错方法； 接着介绍交换虚拟接口和三层交换原理，以及三层交换实现VLAN的配置与排错方法； 后给出实战演练项目。
第11章为访问控制列表与配置方法。首先阐述为什么需要访问控制列表（ACL），然后介绍ACL的工作原理、使用原则、类型和注意事项； 接着介绍标准ACL的原理和配置方法、扩展ACL的原理和配置方法； 后给出实战演练项目。
第12章为网络地址转换与配置方法。首先阐述为什么需要网络地址转换（NAT），然后介绍静态NAT原理与配置方法，动态NAT原理与配置方法，以及端口复用PAT原理与配置方法； 接着通过四个具体的项目做出NAT典型应用分析，后给出实战演练项目。
为了方便读者在无真机的情况下进行学习和实践，本书后给出一个附录，Cisco实验模拟器安装与使用。详细介绍了Cisco Packet Tracer的安装步骤与使用方法，以方便初学者进行模拟实验； 然后系统介绍了功能全面的EVENG的安装步骤与使用方法，近似模拟真机环境，以方便读者完成本书所有实验内容。
本书内容系统性强，逻辑结构清晰，理论知识简洁，紧紧围绕校园网建设项目，以校园网的主体拓扑结构作为研究学习对象。面向校园网的实际建设需求，从主体拓扑结构延伸出路由技术、交换技术、局域网管理三大子项目，每个子项目包含多个协议知识点，这些知识点独立成章。因此，本书既具有很强的整体性，各章又具有相对独立性，各章知识点和校园网整体项目紧密结合、融会贯通，充分突出所学知识点的实用性。每章的编写也极具特色，首先以知识点之问开篇，以实际应用需求为背景阐述为什么需要学习该知识点，然后以基本概念、工作原理、实例配置方法、排错方法，以及实战演练等内容为核心主线贯穿每一章，让读者以清晰的步骤了解每个知识点“为什么、是什么、怎么做、何总结”。通过本书知识点的介绍，结合实验室真机或模拟软件的实验操作，让读者充分理论联系实际，既建立校园网整体全局观，又掌握每个知识点在实际应用中的配置与分析方法，全面提升读者的实践动手能力。
本书主要由熊金波教授、刘西蒙研究员完成，是熊金波教授团队多年来在本科课堂教学方面的思考与总结。除封面署名作者以外，本书作者还有叶阿勇、林晖、金彪、宋考、左瑞娟、赖会霞。在编写本书过程中得到王嘉凡、张家久、陈前昕、陈卓林、陈秀华、王燕霞、陈剑强、吴晓华等学生的协助，他们做了大量细致的工作，在此表示衷心感谢！本书部分内容参考网络资料，对原作者表示衷心感谢！后感谢清华大学出版社的大力支持，对为本书出版的所有相关人员的辛勤工作表示衷心感谢。
本书的出版得到福建省本科高校教育教学改革研究项目《结合“六卓越一拔尖计划”2.0版推进本科人才培养改革创新研究》（FBJG20180279）的支持和资助。
本书阐述的是作者对于路由交换技术与实验的观点，由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请各位读者赐教与指正。

熊金波
中国·福州
2019年10月

由校园网项目建设主体拓扑结构为本书编写背景，延伸3个子项目，分别为路由技术、交换技术和局域网管理，每个子项目包含若干个知识点，路由技术包含路由基本原理、静态路由、路由信息协议、增强型内部网关路由协议、开放式*短路径优先协议、路由重分发协议，交换技术包含生成树协议、虚拟局域网VLAN、干道Trunk和VTP协议、单臂路由、三层交换，局域网管理包含访问控制列表和网络地址转换。每个知识点都包含应用需求、基本概念、工作原理、实例分析和学生实验要求。

由校园网项目建设主体拓扑结构为本书编写背景，延伸3个子项目，分别为路由技术、交换技术和局域网管理，每个子项目包含若干个知识点，路由技术包含路由基本原理、静态路由、路由信息协议、增强型内部网关路由协议、开放式*短路径优先协议、路由重分发协议，交换技术包含生成树协议、虚拟局域网VLAN、干道Trunk和VTP协议、单臂路由、三层交换，局域网管理包含访问控制列表和网络地址转换。每个知识点都包含应用需求、基本概念、工作原理、实例分析和学生实验要求。

熊金波，湖南益阳人，博士/博士后，副教授，硕士研究生导师，入选福建省高校杰出青年科研人才，获福建师范大学本科课堂教学优秀奖、福建师范大学第七届十佳青年教师。2010-2013 西安电子科技大学计算机学院攻读博士；2014-2017 中国科学院信息工程研究所博士后。2006至今，福建师范大学任助教、讲师、副教授。

目录

第1章计算机网络基础

1.1计算机网络发展历史与趋势

1.1.1单机/局域网时代

1.1.2城域网/广域网

1.1.3互联网/移动互联网

1.1.4云计算/物联网

1.2计算机网络体系结构

1.2.1OSI参考模型

1.2.2TCP/IP参考模型

1.3计算机网络典型协议

1.3.1ARP

1.3.2DNS

1.3.3ICMP

1.3.4DHCP

1.3.5FTP

1.3.6Telnet

1.3.7TFTP

1.4IP地址与子网划分

1.4.1IP地址

1.4.2子网划分

1.5常用网络命令与工具

1.5.1ipconfig

1.5.2ping

1.5.3tracert

习题与思考

第2章校园网项目设计与子项目分解

2.1校园网建设项目需求分析

2.1.1网络平台需求

2.1.2功能与性能需求

2.1.3硬件选配与集成需求

2.1.4软件系统与集成需求

2.1.5综合布线与机房建设需求

2.1.6网络管理与安全需求

2.2校园网整体拓扑结构设计

2.2.1核心层设计

2.2.2汇聚层设计

2.2.3接入层设计

2.3校园网子项目分解

2.3.1路由子项目

2.3.2交换子项目

2.3.3安全和出口子项目

习题与思考

第3章思科网络设备与操作系统

3.1思科网络设备

3.1.1认识路由器

3.1.2路由器接口

3.1.3路由器硬件信息

3.1.4路由器的功能

3.1.5认识交换机

3.2思科互联网络操作系统IOS

3.2.1思科IOS的功能

3.2.2连接思科路由器

3.2.3设备启动过程

3.3终端模拟软件配置方法

3.4IOS命令行操作方法

3.4.1IOS配置模式与方法

3.4.2简化命令与帮助

3.5IOS基础命令

3.5.1三条重要命令

3.5.2设备重命名

3.5.3配置接口

3.5.4常用查看命令

3.5.5常用连通性测试命令

3.6思科发现协议

3.6.1CDP协议配置与查看方法

3.6.2禁用CDP服务

3.7路由器配置默认网关

3.8实战演练

习题与思考

第4章路由选择原理与静态路由协议

4.1为什么需要路由

4.1.1路由之问

4.1.2路由器功能

4.2路由选择原理

4.2.1工作原理

4.2.2数据转发原理

4.2.3管理距离

4.2.4度量值

4.3路由表

4.3.1路由表的组成部分

4.3.2路由表条目类型

4.3.3路由器的查表原则

4.3.4路由器的加表原则

4.4路由协议类型

4.4.1主动路由协议与被动路由协议

4.4.2静态路由协议与动态路由协议

4.4.3内部网关协议与外部网关协议

4.4.4有类路由协议与无类路由协议

4.5静态路由协议与配置方法

4.5.1静态路由协议

4.5.2静态路由的配置语法

4.5.3出接口和下一跳IP地址的区别

4.5.4静态路由的优缺点

4.5.5静态路由协议配置实例

4.6默认路由协议与配置方法

4.6.1Stub网络

4.6.2默认路由概述

4.6.3默认路由与路由表

4.7浮动静态路由及其配置方法

4.7.1浮动静态路由概述

4.7.2浮动静态路由的配置方法

4.7.3浮动静态路由配置实例

4.8错误检测与排错技巧

4.8.1网络不通

4.8.2静态路由排错思路

4.9实战演练

习题与思考

第5章路由信息协议与配置方法

5.1为什么需要RIP

5.1.1RIP之问

5.1.2RIP术语

5.2距离矢量路由协议

5.2.1距离矢量路由协议的工作原理

5.2.2路由环路问题

5.2.3路由环路的解决方法

5.3RIP协议及工作原理

5.3.1RIP的特性

5.3.2RIP计时器

5.3.3RIP路由表条目

5.3.4RIPv1和RIPv2

5.3.5RIP命令语法

5.3.6RIPv2认证方法

5.3.7RIP汇总

5.3.8RIP单播更新与触发更新

5.4RIP协议配置与测试方法

5.4.1实验内容

5.4.2实验配置

5.4.3实验结果分析

5.5配置RIP手动路由汇总

5.5.1实验内容

5.5.2实验配置

5.5.3实验结果分析

5.6配置RIP认证及触发更新

5.6.1实验内容

5.6.2实验配置

5.6.3实验结果与分析

5.7实战演练

习题与思考

第6章增强型内部网关路由协议与配置方法

6.1为什么需要EIGRP

6.1.1EIGRP之问

6.1.2EIGRP术语

6.2EIGRP协议

6.2.1EIGRP工作原理

6.2.2EIGRP的特征

6.2.3EIGRP三个表

6.2.4EIGRP数据包类型

6.2.5EIGRP命令语法

6.2.6EIGRP协议总结

6.3EIGRP协议配置与测试方法

6.3.1实验内容

6.3.2实验配置

6.3.3实验结果分析

6.3.4排错思路

6.4实战演练

习题与思考

第7章开放式短路径优先协议及配置方法

7.1为什么需要OSPF

7.1.1OSPF之问

7.1.2OSPF简介

7.1.3术语

7.2OSPF协议工作原理

7.2.1OSPF的特征

7.2.2OSPF数据包类型

7.2.3OSPF网络类型

7.2.4OSPF区域思想

7.2.5OSPF路由器类型

7.2.6OSPF LSA类型

7.2.7OSPF工作原理

7.2.8OSPF命令语法

7.2.9OSPF认证方法

7.2.10OSPF RID、汇总、优先级

7.2.11解决不同区域学习路由问题

7.3点对点型网络配置单区域OSPF实例

7.3.1实验拓扑

7.3.2实验内容

7.3.3实验配置

7.4广播型网络配置单区域OSPF实例

7.4.1实验拓扑

7.4.2实验内容

7.4.3实验配置

7.5OSPF简单口令认证实例

7.5.1实验拓扑

7.5.2实验内容

7.5.3实验配置

7.5.4实验结果分析

7.6OSPF MD5认证实例

7.6.1实验拓扑

7.6.2实验内容

7.6.3实验配置

7.6.4实验结果分析

7.7不连续区域的解决方法

7.7.1实验拓扑

7.7.2实验内容

7.7.3实验配置

7.7.4实验结果分析

7.8实战演练

7.8.1实战演练一

7.8.2实战演练二

习题与思考

第8章交换技术与交换机配置方法

8.1为什么需要交换

8.1.1交换之问

8.1.2交换术语

8.2交换原理与交换机

8.2.1交换基础

8.2.2交换原理

8.2.3交换技术与交换机

8.2.4交换机三种交换功能

8.3冗余环路问题及解决方法

8.3.1冗余环路问题

8.3.2生成树协议

8.3.3STP工作原理

8.3.4STP端口状态

8.4交换机配置方法

8.4.1实验内容

8.4.2实验操作

8.4.3排错思路

8.5实战演练

习题与思考

第9章VLAN、Trunk、VTP协议与配置方法

9.1为什么需要VLAN、Trunk、VTP

9.1.1VLAN、Trunk、VTP之问

9.1.2VLAN术语

9.2VLAN原理与配置方法

9.2.1VLAN实现方法

9.2.2VLAN成员模式

9.2.3VLAN标识方法

9.2.4VLAN创建方法

9.3Trunk原理与配置方法

9.3.1Trunk应用

9.3.2Trunk实现方式

9.3.3Trunk配置方法

9.4VTP原理与配置方法

9.4.1VTP概述

9.4.2VTP模式

9.4.3VTP工作原理

9.4.4VTP配置方法

9.5实战演练

习题与思考

第10章VLAN间路由与配置方法

10.1为什么需要VLAN间路