《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ) 》（王崇剛）教案 （理論部分） 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)（二）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備

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課題局域網(wǎng)技術(shù)（二）——網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備課時2課時（90min）教學(xué)目標(biāo)知識技能目標(biāo)：（1）掌握中繼器、集線器的作用、特點與用途（2）掌握網(wǎng)橋的作用、特點與類別（3）掌握網(wǎng)關(guān)的作用與分類（4）掌握二層交換機與三層交換機的作用思政育人目標(biāo)：體會網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)實生活帶來的巨大改變，幫助學(xué)生增長知識、豐富見識，培養(yǎng)學(xué)生珍惜學(xué)習(xí)時光的習(xí)慣，鼓勵學(xué)生努力追求真理的科學(xué)精神，為實現(xiàn)民族復(fù)興的偉大愿望而奮斗。教學(xué)重難點教學(xué)重點：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備：中繼器、集線器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)教學(xué)難點：在不同層次選擇正確的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備教學(xué)方法問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、文旌課堂APP教學(xué)設(shè)計第1節(jié)課：2傳授新知（30min）6第2節(jié)課：傳授新知（30min）課堂小結(jié)（3min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計意圖第一節(jié)課考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（5min）【教師】引入新課以前的課程當(dāng)中我們學(xué)習(xí)到了OSI參考模型以及TCP/IP模型兩種計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，上節(jié)課我們又介紹到了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)介質(zhì)，我們把它們比喻為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓?，那么請大家回憶一下，這些網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)介質(zhì)的傳播距離是無限的嘛？當(dāng)距離過遠時我們通常采用哪些技術(shù)手段呢？本節(jié)課我們就來重點學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹绑A站”網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。【學(xué)生】聆聽、觀看、思考、討論【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（30min）【教師】結(jié)合教材講解網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備根據(jù)OSI參考模型的層次結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)互連的層次與相應(yīng)的互連設(shè)備如圖所示。一、中繼器、集線器物理層與物理層之間的互連屬于同一個局域網(wǎng)內(nèi)的計算機之間的互連，可以通過中繼器和集線器實現(xiàn)。1．中繼器中繼器又稱為轉(zhuǎn)發(fā)器，是最簡單的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。（1）工作原理中繼器執(zhí)行物理層協(xié)議，實現(xiàn)電氣信號的“接收—放大—整形—發(fā)送”。（2）用途中繼器常用于在兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的物理層之間按比特位雙向傳遞物理信號，完成信號的復(fù)制、調(diào)整和放大功能，以擴大數(shù)據(jù)的傳輸距離。（3）特性①中繼器的兩端連接的只是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)。②不能用于隔離網(wǎng)段之間的不必要的流量。③不能互連不同類型的網(wǎng)絡(luò)。④在放大了網(wǎng)絡(luò)上有用信息的同時，也放大了有害的噪聲。（4）參數(shù)支持100Mbps、155Mbps、1000Mbps以太網(wǎng)，可廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的互連及數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。?【教師】提出問題，課堂互動思考：搜索光纖中繼器的應(yīng)用案例，并簡單描述。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題（5）“5-4-3”規(guī)則①通常在一個網(wǎng)絡(luò)中，最多可以分為5個網(wǎng)段②其中用4個中繼器連接③只允許在其中3個網(wǎng)段包含計算機或設(shè)備，其他2個網(wǎng)段只能用于延長傳輸距離。（6）類型①雙口中繼器②多口中繼器③多路復(fù)用器④模塊轉(zhuǎn)發(fā)器⑤緩沖轉(zhuǎn)發(fā)器（7）聯(lián)網(wǎng)示意圖?【教師】提出問題，課堂互動思考：分析中繼器的優(yōu)缺點。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題2．集線器集線器，俗稱HUB，是一種具有多個轉(zhuǎn)發(fā)端口的特殊中繼器。（1）主要功能對接收到的信號進行再生、整形、放大，以擴大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中在以它為中心的節(jié)點上。（2）優(yōu)點：某條線路產(chǎn)生故障時并不影響其他線路的工作。（3）缺點：①網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性低②端口帶寬低（4）聯(lián)網(wǎng)示意圖（5）用途：主要用于共享網(wǎng)絡(luò)的組建，是解決從服務(wù)器直接到桌面最經(jīng)濟的方案。?【教師】提出問題，課堂互動思考：對比中繼器與集線器說明不同之處。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題二、網(wǎng)橋和二層交換機1．網(wǎng)橋網(wǎng)橋也叫橋接器，是連接兩個或多個在數(shù)據(jù)鏈路層以上具有相同或兼容協(xié)議的局域網(wǎng)的一種存儲—轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。網(wǎng)橋在局域網(wǎng)互連中，起到數(shù)據(jù)接收、地址過濾（不傳輸本網(wǎng)段內(nèi)的信息）與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的作用。（1）網(wǎng)橋的功能和特點①能將一個較大的局域網(wǎng)分割為多個較小的局域網(wǎng)，進而分隔較小局域網(wǎng)之間的廣播通信量，有利于提高互連網(wǎng)絡(luò)的性能與安全性。②網(wǎng)橋能將兩個以上相距較遠的局域網(wǎng)互連成一個大的邏輯局域網(wǎng)，使局域網(wǎng)上的所有用戶都可以訪問服務(wù)器，擴大網(wǎng)絡(luò)的范圍。③網(wǎng)橋可以互連兩個采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸介質(zhì)或不同傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)，但這兩個網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層以上應(yīng)采用相同或相兼容的協(xié)議。④網(wǎng)橋以“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”的方式實現(xiàn)互連網(wǎng)絡(luò)之間的通信。（2）網(wǎng)橋的分類根據(jù)網(wǎng)橋工作原理的不同，可以將網(wǎng)橋分為透明網(wǎng)橋和源路由網(wǎng)橋：①透明網(wǎng)橋是指網(wǎng)橋?qū)τ谕ㄐ烹p方完全是透明的。在透明網(wǎng)橋中，所有的路由選擇全部由網(wǎng)橋自己確定，局域網(wǎng)上各節(jié)點不負責(zé)路由選擇。數(shù)據(jù)處理方式：采用“學(xué)習(xí)、泛洪、過濾、轉(zhuǎn)發(fā)和老化”的方式處理數(shù)據(jù)幀。（詳見教材）②源路由網(wǎng)橋路由選擇由發(fā)送幀的源節(jié)點負責(zé)，即源路路由網(wǎng)橋要求信息源（不是網(wǎng)橋本身）提供傳遞幀到終點所需的路由信息。工作原理：源節(jié)點在發(fā)送幀時，需要將詳細的路由信息放在幀的首部，網(wǎng)橋只需要根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的路由信息進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)即可。應(yīng)用：源路由網(wǎng)橋在理論上可用于連接任何類型的局域網(wǎng)，但主要用于互連令牌環(huán)網(wǎng)。（3）網(wǎng)橋的局限性（1）網(wǎng)橋互連的多個網(wǎng)絡(luò)要求在數(shù)據(jù)鏈路層以上的各層采用相同或相兼容的協(xié)議。（2）網(wǎng)橋要處理接收到的數(shù)據(jù)信息，需要先存儲，再查找MAC地址與端口的對應(yīng)記錄表，因此增加了時延及數(shù)據(jù)的傳輸時間，降低了網(wǎng)絡(luò)性能。（3）網(wǎng)橋不能對廣播分組進行過濾，因此對于避免廣播風(fēng)暴，網(wǎng)橋無能為力。（4）網(wǎng)橋沒有路徑選擇能力，不能對網(wǎng)絡(luò)進行分析并選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖酚伞?【教師】提出問題，課堂互動思考：網(wǎng)橋在實際應(yīng)用中需要注意哪些問題。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題2．二層交換機二層交換機工作于OSI參考模型的第二層，其本質(zhì)是網(wǎng)橋，所以又可以稱為多端口網(wǎng)橋。（1）特性①工作在數(shù)據(jù)鏈路層，是基于MAC地址的找表、轉(zhuǎn)發(fā)。②具有幀轉(zhuǎn)發(fā)、幀過濾和生成樹算法功能。（2）功能①物理編址②構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)③錯誤校驗④傳輸數(shù)據(jù)幀序列⑤流量控制3．交換機與集線器的區(qū)別（1）工作層次不同：集線器屬于OSI參考模型的物理層設(shè)備，而交換機屬于數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。（2）工作方式不同：集線器采用的是廣播模式，容易產(chǎn)生廣播風(fēng)暴；而交換機工作時，只有發(fā)出請求的端口和目的端口之間進行通信，并不會影響其他端口，這種方式隔離了沖突域，有效抑制了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。（3）端口帶寬使用方式不同：集線器的所有端口共享帶寬，在同一時刻只能有兩個端口傳送數(shù)據(jù)；而交換機的每個端口獨享自己的固定帶寬，既可以工作在半雙工模式下，也可以工作在全雙工模式下?！緦W(xué)生】聆聽、思考、記憶通過教師的講解和演示，幫助學(xué)生掌握雙絞線的組成結(jié)構(gòu)與傳輸特性、掌握雙絞線的分類與特點以及掌握同軸電纜的分類與特點課堂互動（6min）【教師】提出問題，要求學(xué)生討論并回答問題思考交換機與集線器的區(qū)別?！緦W(xué)生】思考、討論、回答問題通過練習(xí)題鞏固所學(xué)知識，加深對知識點的理解評價修正（2min）【教師】點評學(xué)生的回答，并總結(jié)、鞏固知識點【學(xué)生】聆聽、思考、記憶通過形成性檢測進行強化矯正第二節(jié)課問題導(dǎo)入（5min）【教師】引入新課在上節(jié)課中我們主要學(xué)習(xí)了物理層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備中繼器和集線器，以及數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備交換機和網(wǎng)橋，在講解本次課程我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)設(shè)備路由器以及三層交換機，學(xué)習(xí)之前請同學(xué)們回憶一下：思考：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的優(yōu)缺點【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知（30min）【教師】結(jié)合教材講解路由器和三層交換機一、路由器1．定義路由器（router）是一種連接多個相同或不同類型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。它具有按某種準(zhǔn)則自動選擇一條到達目的子網(wǎng)的最佳傳輸路線的能力，用來連接兩個及以上復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。2．路由器的組成（以QuidwayR2621路由器為例）路由器由硬件和軟件組成。硬件主要由中央處理器、內(nèi)存、接口、控制端口等物理硬件和電路組成。（1）硬件組成從硬件的角度看，路由器是一臺連接兩個或多個網(wǎng)絡(luò)的專用計算機，它是用于在與它相連接的各個網(wǎng)絡(luò)之間傳送數(shù)據(jù)的專用的高性能計算機。CPU處理器；RAM存儲器（存儲正在運行的配置文件）；FLASH存儲器（負責(zé)保存OS的映像和路由器的微碼）；NVRAM存儲器（保存配置文件）；ROM存儲器（加載OS）；接口（完成路由器與其它設(shè)備的數(shù)據(jù)交換）。（2）軟件主要由路由器的IOS操作系統(tǒng)和各種網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)所組成。BOOTROM（主要功能是路由器加電后完成有關(guān)初始化工作，并向內(nèi)存中加入操作系統(tǒng)代碼）；VRP（通用路由平臺）（3）典型的路由器結(jié)構(gòu)?【教師】提出問題，課堂互動思考：簡述路由器的作用。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題3．路由器的功能路由器的作用就是完成這些子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳送，它從一個子網(wǎng)接收輸入的分組，然后向另一個子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)。（1）路由選擇：路由是指路由器接收到數(shù)據(jù)時，選擇最佳路徑將數(shù)據(jù)穿過網(wǎng)絡(luò)傳遞到目標(biāo)地址的行為。（2）連接網(wǎng)絡(luò)：路由器既可以將不同類型的網(wǎng)絡(luò)連接起來，又可以將局域網(wǎng)連接到Internet。（3）劃分子網(wǎng)：路由器可以從邏輯上把網(wǎng)絡(luò)劃分成多個子網(wǎng)段，對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實施控制。（4）隔離廣播：自動過濾網(wǎng)絡(luò)廣播，避免“廣播風(fēng)暴”。4．路由器的工作原理（1）路由表路由表是工作在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)子網(wǎng)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的核心組件。①格式目的地址和掩碼：整個表的關(guān)鍵字，指出目的網(wǎng)絡(luò)地址。轉(zhuǎn)發(fā)地址：下一跳路由器的地址，轉(zhuǎn)發(fā)地址字段可能是連接到網(wǎng)絡(luò)的接口地址。接口：指出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所使用的路由器接口信息，一般為端口號或其他邏輯標(biāo)識符。標(biāo)識：用于說明路由的類型和情況。H：主機路由，即該路由項指明到一臺具體的主機G：轉(zhuǎn)發(fā)地址是一個有效的下一跳路由器的地址；C：下一跳是與本站直接相連的；S：該路由表項是靜態(tài)的；O：該路由表項是通過OSPF路由協(xié)議得到的。R：是通過RIP協(xié)議得到5．路由器的工作過程舉例（詳見教材）在查找路由表時，要求使用最佳匹配原則。（2）IP數(shù)據(jù)報的轉(zhuǎn)發(fā)過程（案例詳見教材）IP數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)的過程可以總結(jié)如下：（詳見教材）①IP數(shù)據(jù)包到達網(wǎng)絡(luò)層之后，首先根據(jù)目的IP地址得到目的網(wǎng)絡(luò)號，然后決定是直接交付還是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果網(wǎng)絡(luò)號不匹配，需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，則跳到3）；②將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給目的主機；③根據(jù)目的IP地址在路由表（轉(zhuǎn)發(fā)表）中查找下一跳IP地址；④在路由器的ARP高速緩存表中查找下一跳IP地址對應(yīng)的MAC地址，如果找到下一跳路由器的MAC地址，則將查到的MAC地址填入數(shù)據(jù)幀的首部6字節(jié)（即更新鏈路層的數(shù)據(jù)幀）；如果ARP高速緩存表中不存在此IP地址，則通過向當(dāng)前局域網(wǎng)內(nèi)廣播一個ARP分組來請求下一跳路由器的MAC地址。⑤根據(jù)得到的下一跳路由器MAC地址來更新數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀，即幀頭的目的MAC地址字段；⑥轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。?【教師】提出問題，課堂互動源主機如何判斷目的主機是否與自己在同一個網(wǎng)絡(luò)中？?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題二、三層交換機三層交換機對數(shù)據(jù)包（或分組）的處理與傳統(tǒng)路由器相似，它可以實現(xiàn)如路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由確定等功能。1．三層交換機的工作過程（詳見教材）三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)或高速路由技術(shù)，三層交換機既可以完成數(shù)據(jù)交換功能，又可以完成數(shù)據(jù)路由功能。三層路由器的工作順序就是：數(shù)據(jù)包進來—查看路由表—變換二層封裝—數(shù)據(jù)包出去。三層交換機最突出的地方就是：（1）“一次路由，多次交換”；（2）第一次路由本質(zhì)上找到了IP和接口的對應(yīng)關(guān)系；（3）直接利用IP和接口的對應(yīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)交換，省掉了查找路由表的環(huán)節(jié)。2．三層交換機與路由器的區(qū)別（1）主要功能不同。路由器的主要功能是路由功能，而三層交換機主要功能仍是數(shù)據(jù)交換。（2）處理數(shù)據(jù)的方式不同。路由器一般由基于微處理器的軟件路由引擎執(zhí)行數(shù)據(jù)包交換，采用最長匹配的方式，而三層交換機通過硬件執(zhí)行數(shù)據(jù)包交換。（3）用途不同。在數(shù)據(jù)交換方面，三層交換機一般適用于數(shù)據(jù)交換頻繁的相同協(xié)議局域網(wǎng)的互連。而路由器適用于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的連接、不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間的連接等。3．三層交換機的應(yīng)用三層交換機作為核心交換設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)中。同一個局域網(wǎng)中各個子網(wǎng)的互聯(lián)以及VLAN間的路由使用三層交換機；而局域網(wǎng)與公網(wǎng)之間的互聯(lián)，則使用專業(yè)路由器。?【教師】提出問題，課堂互動三層交換機是否可以完全取代路由？?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題【學(xué)生】聆聽、思考、記憶【教師】結(jié)合教材講解網(wǎng)關(guān)三、網(wǎng)關(guān)1．網(wǎng)關(guān)的作用（1）在互連的、不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中的主機之間相互通信時，由網(wǎng)關(guān)完成這兩種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報格式的相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的翻譯和轉(zhuǎn)換工作。（2）網(wǎng)關(guān)能夠連接多個高層協(xié)議完全不同的局域網(wǎng)。因此，網(wǎng)關(guān)是連接局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的首選設(shè)備。2．網(wǎng)關(guān)的分類按照網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用功能不同，網(wǎng)關(guān)可分為協(xié)議網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)和安全網(wǎng)關(guān)3種類型：（1）協(xié)議網(wǎng)關(guān)在多個使用不同協(xié)議及數(shù)據(jù)格式的網(wǎng)絡(luò)間提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。（2）應(yīng)用網(wǎng)關(guān)在使用不同數(shù)據(jù)格式的環(huán)境中進行數(shù)據(jù)翻譯的專用系統(tǒng)。（3）安全網(wǎng)關(guān)安全網(wǎng)關(guān)是綜合運用多種技術(shù)手段，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)上的信息進行安全過濾以及控制的安全設(shè)備的總稱?！緦W(xué)生】聆聽、思考、記憶結(jié)合教材講解幫助學(xué)生掌握路由器與三層交換機的相關(guān)內(nèi)容課堂互動（5min）【教師】提供練習(xí)題，并找學(xué)生進行講解1．源主機如何知道路由器的存在？2．路由器收到IP數(shù)據(jù)報后如何轉(zhuǎn)發(fā)？思考、討論、完成練習(xí)、講解通過練習(xí)題鞏固所學(xué)知識，加深對知識