IP分组交付和ARP协议 实验一

电子科技大学实验报告学生姓名：_学号：_ 指导教师：_ 日期：_年_月_日实验项目名称： 报告评分：教师签字：一、实验原理子网中使用一个32比特的掩码来标识一个IP地址的网络/子网部分和主机部分。将IP地址和掩码进行“位与”运算后可以得到该IP地址所在IP子网的子网地址，结合掩码中0比特个数可以确定该IP子网的IP地址空间范围。根据IP地址所在IP子网的子网地址及其掩码，可以判断这些IP地址是否属于同一个IP子网。IP地址空间中定义了一些特殊地址：l 网络/子网地址：标识一个IP网络或子网。l 直接广播地址：表示该分组应由特定网络上的所有主机接收和处理。l 受限广播地址：表示该分组应由源所在网络或子网上的所有主机接收和处理。l 本网络上本主机地址：表示主机自己。l 环回地址：用来测试机器的协议软件。IP分组被交付到最终目的地有两种不同的交付方式：直接交付和间接交付。交付时首先通过路由选择技术确定交付方式：如果IP分组的目的与交付者在同一个IP网络上，就直接交付该分组至目的站点；如果IP分组的目的与交付者不在同一个IP网络上，就间接交付该分组至下一个路由器（即下一跳站点）。在以太网上，IP分组是封装在以太帧中发送的，因此发送时除了要有接收站的IP地址（IP分组中的目的IP地址）外，还需要接收站的MAC地址（以太网帧中的目的MAC地址）。ARP协议（RFC 826）实现了IP地址（逻辑地址）到MAC地址（物理地址）的动态映射，并将所获得的映射存放在ARP高速缓存表中。不同的交付方法将导致不同的ARP解析操作，获取不同的目的物理地址。直接交付时，交付者直接将IP分组交付给该分组的目的站点，因此交付者使用ARP协议找出IP分组中目的IP地址对应的物理地址。间接交付时，交付者需要将IP分组交付给下一跳站点，而不是该IP分组的目的端，因此交付者使用ARP协议找出下一跳站点IP地址对应的物理地址。IP网络是一个逻辑网络，一个物理网络可以被逻辑划分成若干个IP网络。两个IP网络之间的通信必须经由路由器中继，未经路由器互连的两个IP网络即使在同一物理网中也不能通信。主机的默认网关地址就是连接该主机所在IP网络的路由器接口的IP地址。二、实验目的1、掌握IP子网划分技术、IP地址分配原则，以及特殊IP地址的特征和作用2、理解掌握直接交付与间接交付IP分组过程中的路由选择、ARP解析和以太网封装技术3、分析子网划分对IP分组交付的影响三、实验内容实验拓扑中VMware虚拟机PC1、PC2、PC3和PC4分别位于由提供集线器功能的虚拟网卡VMnet1和VMnet2模拟实现的两个以太网Ethernet1和Ethernet2中，这两个以太网对应的IP子网A和子网B分别连在Dynamips软件模拟实现的路由器R1和R2的F0/0接口上。R1和R2之间通过PPP链路互联。R1、R2、PC2、PC3和PC4的网络连接均已配置。实验者首先在PC1上配置其网络连接，并配合通信测试命令（ping）来检验特殊IP地址的用途以及IP子网设置对同一物理网内计算机间通信的影响，从而理解并掌握子网地址、子网广播地址和主机地址的概念、特征与用途。然后在PC1上使用ping命令分别进行IP子网内通信和IP子网间通信，通过ARP缓存表操作命令、Dynamips软件的分组捕获功能以及Wireshark软件的捕获分组查看功能，分析IP分组的直接交付、间接交付操作和路由器的作用，掌握ARP协议的工作原理，以及IP分组投递过程中源四、实验器材（设备、元器件）PC电脑一台五、实验步骤1、依次启动VMware Workstation中TCPIP组内的虚拟机PC1、PC2、PC3和PC4，使用ipconfig命令查看并记录这4台PC的网络连接信息，在PC1上ping PC2的IP地址，记录并分析ping的结果。2、设置PC1的子网掩码为，然后将其IP地址分别设为、55，记录并分析设置结果。3、根据实验拓扑中的各子网信息以及步骤1中记录的PC2、PC3、PC4的网络连接信息，配置PC1的IP地址、子网掩码和默认网关，使得PC1能够ping通PC2，并在PC1上分别ping PC3和PC4的IP地址，记录并分析ping的结果。4、在PC1上分别ping以下8个IP地址：、55、、55、、、0、55，记录并分析ping的结果。5、启动Dynamips Server，然后运行，在Dynagen窗口中提示符“=”后依次输入以下命令启动路由器R1和R2，并进入其CLI：= start R1= start R2= con R1= con R26、分别在R1的CLI提示符“R1”后以及R2的CLI提示符“R2”后输入“show arp”命令查看并记录两台路由器当前的ARP缓存表，例：R1 show arpR2 show arp7、在Dynagen窗口中提示符“=”后依次输入以下命令捕获子网A、子网B和子网C中的分组：= captureR1f0/0 a.cap= captureR2 f0/0 b.cap= captureR2s1/0 c.cap PPP8、分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp -d *”清空四台PC上的ARP缓存表，然后使用命令“arp -a”查看并记录清空操作后的ARP缓存表。9、在PC1上ping PC2的IP地址，记录ping回应信息。ping结束后分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp -a”、在R1和R2的CLI上使用命令“show arp”查看并记录四台PC和两台路由器的ARP缓存表。10、在PC1上ping PC3的IP地址，记录ping回应信息。ping结束后分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp -a”、在R1和R2的CLI上使用命令“show arp”查看并记录四台PC和两台路由器的ARP缓存表。11、在PC1上ping PC4的IP地址，记录ping回应信息。ping结束后分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp -a”、在R1和R2的CLI上使用命令“show arp”查看并记录四台PC和两台路由器的ARP缓存表。12、在PC1上ping子网A内一台不存在主机的IP地址，记录ping回应信息。ping结束后在PC1上使用命令“arp -a”查看并记录其的ARP缓存表。13、在Dynagen窗口中提示符“=”后依次输入以下命令停止捕获子网A、子网B和子网C中的分组：= no captureR1f0/0= no captureR2 f0/0= no captureR2s1/014、用Wireshark软件查看并分析捕获的分组文件（a.cap、b.cap和c.cap）中的ARP和ICMP分组，查看过滤条件为“arp | icmp”（在Wireshark主窗口界面“过滤工具栏”的“Filter：”域中输入）。15、实验结束后，按照以下步骤关闭实验软件、上传实验数据、还原实验环境：（1）关闭R1、R2的CLI窗口，在Dynagen窗口中提示符“=”后依次输入以下命令关闭Dynagen窗口，然后再关闭Dynamips Server窗口：= stop /all= exit（2）将PC1的网络连接设置为“自动获得IP地址”，然后依次关闭PC1、PC2、PC3和PC4，关闭VMware窗口；（3）运行所在目录下的“reset.bat”文件。六、实验数据及结果分析1、记录实验中PC1、PC2、PC3和PC4的网络连接。【分析】PC1在步骤1和步骤3中是否与PC2、PC3、PC4在一个IP子网中？为什么？2、记录实验中PC1的ping通信结果。说明：因Dynamips软件模拟问题，在步骤10和步骤11中R2不会转发PC1发给PC3和PC4的第1个ping测试请求报文，故实验中请忽略该报文。【分析】PC1在什么情况下能与PC2、PC3、PC4通信？3、记录实验中PC1、PC2、PC3、PC4、R1和R2的ARP缓存表项：步骤 6：使用 “show arp”命令查看R1 和 R2 当前的 当前的 ARP缓存表IP地址MAC地址InterfaceR1R2步骤8：使用“arpa”命令查看清空操作后PC1PC4的ARP缓存表IP地址MAC地址InterfacePC1PC2PC3PC4步骤9：PC1ping PC2后，R1、R2和PC1PC4的ARP缓存表IP地址MAC地址InterfaceR1R2PC1PC2PC3PC4步骤10：PC1ping PC3后，R1、R2和PC1PC4的ARP缓存表IP地址MAC地址InterfaceR1R2PC1PC2PC3PC4步骤11：PC1ping PC4后，R1、R2和PC1PC4的ARP缓存表IP地址MAC地址InterfaceR1R2PC1PC2PC3PC4步骤12：PC1ping本子网内一台不存在的主机后，PC1的ARP缓存表IP地址MAC地址InterfacePC1说明：如果某个步骤中某设备的ARP缓存表为空，则填写“无”。如果某个步骤中某设备有多条ARP缓存表项，则要填写每一条表项。【分析】1） 每台PC的ARP缓存表中能否有其它IP子网中PC的地址映射？为什么？2） 在实验中PC2的ARP缓存表中能否会有其默认网关54的地址映射？为什么？3） 如果步骤11中出现了某条ARP表项消失的情况，原因可能是什么？4、记录步骤9、步骤10、步骤11、步骤12中捕获的分组信息步骤_：PC1 ping _ 子网AARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP子网BICMP 回送请求PPP帧头地址IP分组头源IP目的IPICMP 回送应答PPP帧头地址IP分组头源IP目的IP子网CARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP步骤_：PC1 ping _ 子网AARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP子网BICMP 回送请求PPP帧头地址IP分组头源IP目的IPICMP 回送应答PPP帧头地址IP分组头源IP目的IP子网CARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP步骤_：PC1 ping _ 子网AARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP子网BICMP 回送请求PPP帧头地址IP分组头源IP目的IPICMP 回送应答PPP帧头地址IP分组头源IP目的IP子网CARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP步骤_：PC1 ping _ 子网AARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP子网BICMP 回送请求PPP帧头地址IP分组头源IP目的IPICMP 回送应答PPP帧头地址IP分组头源IP目的IP子网CARP请求以太帧头源地址目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPARP响应以太帧头源MAC目的MACARP分组发方MAC目标MAC发方IP目标IPICMP 回送请求以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IPICMP 回送应答以太帧头源MAC目的MACIP分组头源IP目的IP说明：MAC和IP地址可用对应的设备标识填写（如“R1 f0/0”、“PC1”），如果无对应的设备标识，则填写16进制MAC地址或点分十进制IP地址；如果某个步骤中某子网内没有捕获到相应类型的分组，则填写“无”。【分析】1）4个步骤中是否在子网A、B和C中都有ARP分组？为什么？2）4个步骤中PC1是否每次都发出了封装着ICMP报文的IP分组？为什么？3）4个步骤中PC1是否每次都收到了封装着ICMP报文的IP分组？为什么？4） 如果PC1、PC2和路由器R1之间采用以太网交换机连接，那么在步骤9中R1能否捕获到PC1 ping PC2时产生的ARP请求分组、ARP响应分组以及ICMP回送请求报文和ICMP回送应答报文？为什么？5） 步骤10中路由器R1和R2在转发源为PC1、目的为PC3的IP分组时，分别采用的是直接交付还是间接交付？为什么？七、实验结论1、 根据步骤2和4，总结本实验中所有特殊IP地址的地址结构特征，以及它们在通信中的使用情况。答：1）Netid、Hostid全0，源地址。它被保留用于某主机需要发送一个IPV4分组，但又不知道自己的地址的情况所以不明确的主机及目标地址，都会被扔进这。如果你在网络设置中设置了缺省网关，那么Windows系统会自动产生一个目的地址为的缺省路由。 2）55Netid、Hostid全1，目的地址。受限广播地址，它被保留作为当前网络的受限广播地址。这个地址指本子网内（同一广播域）的所有主机，一个主机若是想把报文发给网络中其他所有主机，就可用这个地址作为IPV4分组中的目的地址。这个地址不能被路由器转发。 3）Netid 127、Hostid任意，目的地址 4） Netid特定， Hostid全0，既不是原地址也不是目的地址。子网地址，用来标识网络本身，而不是网络中某台主机。 5）55 Netid特定， Hostid全1，目的地址。直接广播地址，为主机号为全1的IP地址由路由器使用，将一个分组发送到一个特定网络的所有主机。 2、 总结主机发送IP分组时的直接交付和间接交付操作过程，以及过程中ARP协议和ARP缓存表的具体操作步骤。答：交付操作过程： 1) 发送站知道目的站的IP地址2）交付方式判断:分组目的IP与其发送接口是否在同一IP网络中目的IP & 发送口掩码 = 发送口IP & 发送口掩码相等：直接交付不等：间接交付3) 交付操作 地址映射：IP地址