计算机网络实验三:分析ARP及IP协议
计算机⽹络实验三：分析ARP及IP协议
⼀、实验⽬的：
1．学会使⽤PacketTracer进⾏包跟踪及数据包协议格式分析。
2．理解ARP⼯作机制，熟悉ARP协议格式。
3．熟悉典型的IP协议格式。
4．理解IP分段机制。
⼆、实验环境：
Windows下PacketTracer（5.3或以上版本）
三、实验内容：
1、⽤PacketTracer（5.3或以上版本）打开⽂件31_ARP&IP_Testing.pkt.pkt。注意：Router1的Eth1/0的MTU＝1420Byte，其余均为1500Byte。
2、分析ARP的⼯作原理。
（1）在Realtime模式下，尽量清除所有设备（PC机及路由器）中的ARP缓存信息，对于不能清除（有些路由器中的ARP缓存信息不能清除）的记录下相关缓存信息。
注：PC机中查看ARP缓存的命令为arp –a，清除ARP缓存的命令为arp –d。
路由器中查看ARP缓存的命令为Router#show arp，清除的命令为Router#cleararp-cache。
（2）在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(1.20)发送⼀个Ping包，观察包（ICMP及ARP）的传递过程，同时注意相关PC机、路由器的ARP缓存变化情况，记录下相关信息，并对其中的ARP包进⾏协议格式分析。注意：在Filter中同时选中ICMP及ARP。
（3）重复（2）⼀次，观察结果有何不同，分析原因。
第⼆次发送数据包的时候，数据包到达交换机后，直接到达PC1.20，并不会传送到路由器了。
（4）在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(3.11)发送⼀个Ping包，观察包的传递过程，同时注意相关PC机、路由器的ARP缓存变化情况，记录下相关信息，并对其中的ARP包进⾏协议格式分析。
（5）重复（4）⼀次，观察结果有何不同，分析原因。
重复（4），发现数据包能够通过路由器，到达交换机1，并且直接到达PC机3.11。
如何查看ip地址（6）试分析此时，由PC(1.20)向PC(12.12)发送⼀个Ping包的处理过程，并验证之。
第⼆次：
直接到达。
（7）总结ARP⼯作机器，包括什么时候启动ARP、APR⾼速缓存更新机制、ARP数据包协议格式，
总结：PC主机中都有⾃⼰的ARP缓冲区，⽤来表⽰IP地址和MAC地址的对应关系，当主机发送数据包到⽬的主机时，就启动ARP协议，它⾸先会查看⾃⼰的ARP列表中是否有⽬的主机的ARP对应的IP地址，如果有，就直接将数据包发送出去；如果没有，就向它所在的⽹段发起⼀个ARP请求的⼴播包，查询能够到达该⽬的主机的对应的MAC地址。
ARP更新机制：主机发送数据包后，此⽹段的主机就会检查数据包中的⽬的IP地址是否和⾃⼰的IP地址⼀致，如果不相同就忽略此数据包，如果相同，则该主机就把源主机的MAC地址和IP地址添加到⾃⼰的ARP列表中；如果ARP列表中已经存在该IP地址，就直接覆盖，以完成ARP的更新。
ARP数据包协议格式：路由器的ARP列表中包括三个信息：⼀个是主机的IP地址，⼀个是主机所在的物理地址，另⼀个是接⼝名称。IP地址包括源主机的IP地址和主机的默认⽹关，还包括该主机所在的⽹段。
3、IP协议格式分析：在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(3.11)发送⼀个Ping包（开始⼏次有可能失败，试分析原因），从其中随机取⼏个包，分析该包的MAC⾸部及IP⾸部信息，特别注意该包进⼊该设备及离开该设备时相关信息的变化情况。注意：在Filter中仅选中ICMP或者仅选中IP。
源IP地址和⽬标IP地址不变，分别是PC机1.10的IP地址和PC机3.11的IP地址。但是MAC地址是变化的，因为数据包经过了不同的设备。
4．IP分段机制分析。
（1）在Realtime模式下，由PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个Ping包。（试分析此步骤的作⽤）
⾸先：制定数据包发送路线
（2）在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个⾃定义Ping包（长度为2000字节），跟踪数据包的流动情况，特别注意：该包在PC(1.10)出来时是否进⾏了分段，该包在Router1出来时是否进⾏了分段，该包在Router2出来时是否进⾏了重组，该包到达PC(12.12)后是否进⾏了重组，回复的Ping命令包是否在PC(12.12)处进⾏了分段，回复的Ping命令包是否在Router2出来时进⾏了分段。在每⼀处发⽣了分段的地⽅，观察包中与分段有关的⼏个字段的信息（数据包长度、标识号、标志、偏移值），并记录下必要的信息。
数据包到达R1时：
数据包到达R2时：
（3）总结IP分段的条件与⽅法。
当数据包超过规定MTU时，系统将数据包分为段发送。
4．测试TTL的作⽤。
（1）在Realtime模式下，由PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个Ping包。
（2）在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个⾃定义Ping包（长度为32字节，TTL的值为1），跟踪数据包的流动情况，观察TTL的值的变化情况，并记录下必要的信息。
发送失败。
发送之前的：
发送之后的：
（3）在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个⾃定义Ping包（长度为32字节，TTL的值为2），跟踪数据包的流动情况，观察TTL的值的变化情况，并记录下必要的信息。
（4）在simulation模式下，由PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个⾃定义Ping包（长度为32字节，TTL的值为3或更⼤），跟踪数据包的流动情况，观察TTL的值的变化情况，并记录下必要的信息。
（5）总结TTL的变化规律及其作⽤。
TTL的值代表着可通过路由的数量，TTL值越⼤，能传送数据包在不同的⽹络更多。
5．进⾏其它你认为必要的测试。
四、实验后应能回答的问题
1．关于ARP协议：
(1)ARP请求数据包内容是什么，ARP应答数据包内容是什么？
请求内容是主机的IP地址和物理地址，以及⽬的主机的IP地址和物理地址；应答内容是：将⽹络层地址解析为数据链路层的mac地址，并且把经过的ARP地址记录下来。
(2)ARP协议的⼯作⽅式是怎样的？⽐如：谁发出ARP请求，谁回复ARP应答。
当主机发送数据包时，就启⽤ARP协议，如果⽬的主机在同⼀⽹段，则可以直接通信；如果不在同⼀⽹段，则不能直接通信，需要保存⼀条能够通往⽬的主机的MAC地址。在同⼀⽹段的主机，如果数据包的⽬的地址不是它，则它会显⽰拒绝接收数据包的错误请求。
(3)什么时候会调⽤ARP？调⽤ARP时是希望获取谁的MAC地址？⽐如：在不考虑⾼速缓存影响的情况下，PC(1.10)访问PC(1.30)时，会调⽤ARP吗，若调⽤ARP是⽤来获得谁的MAC地址；PC(1.10)访问PC(3.22)呢；PC(1.10)访问PC(12.12)呢。
当源主机发送数据包请求时，就启⽤了ARP协议；希望获取的是⽬的主机的MAC地址；PC机1.10访问PC机1.30时，会调⽤ARP，它希望来获取PC机1.30的MAC地址。其它的访问依然如此。
2．关于ARP⾼速缓存：
(1)ARP⾼速缓存中每条记录包含哪些信息？
包含了源主机的IP地址，源主机所在的⽹段，源主机的默认⽹关，⽬的主机的IP地址，以及⽬的主机所在的⽹段和默认⽹关。
(2)什么时候会向ARP⾼速缓存中添加记录，添加的记录是什么？
主机发送数据包后，此⽹段的主机就会检查数据包中的⽬的IP地址是否和⾃⼰的IP地址⼀致，如果不相同就忽略此数据包，如果相同，则该主机就把源主机的MAC地址和IP地址添加到⾃⼰的ARP列表中；如果ARP列表中已经存在该IP地址，就直接覆盖，以完成ARP的更新。
(3)ARP⾼速缓存可以起到什么样的作⽤，是如何起作⽤的？
PC主机中都有⾃⼰的ARP缓冲区，⽤来表⽰IP地址和MAC地址的对应关系，当主机发送数据包到⽬的主机时，就启动ARP协议，它⾸先会查看⾃⼰的ARP列表中是否有⽬的主机的ARP对应的IP地址，如果有，就直接将数据包发送出去；如果没有，就向它所在的⽹段发起⼀个ARP请求的⼴播包，查询能够到达该⽬的主机的对应的MAC地址。
3．关于IP协议：
(1)IP数据包中MAC⾸部及IP⾸部的格式是怎样的，相关信息是如何获得的？
MAC⾸部格式是：000n(n代表不同数字)，IP⾸部是占4位，可表⽰的最⼤⼗进制数值是15。主要是通过主机所在的局域⽹决定的。
(2)若PC(1.10)⽤IP包传输信息到PC(12.12)，整个过程中MAC⾸部及IP⾸部中哪些信息会发⽣变化，是如何发⽣变化的？
从PC机1.10发送到PC12.12过程中，MAC⾸部不断发⽣变化，因为数据包要经过不同的⽹络设备，⽽每个⽹络设备的物理地址都是不相同的。IP⾸部不会发⽣变化，因为数据包的IP地址就是PC机12.12的IP地址。
4．关于IP分⽚与重组：
(1)什么条件下，在什么地⽅会发⽣IP分⽚？⽐如：当PC(1.10)向PC(12.12)发送⼀个长度为2000字节(包括IP⾸部，但不包括MAC⾸部)时，在哪些地⽅会发⽣分⽚；若是PC(12.12)向PC(1.10)发送数据呢。
数据链路层具有最⼤传输单元MTU这个特性，它限制了数据帧的最⼤长度，如果IP层有数据包要传送，⽽且数据包的长度超过了MTU，那么IP层就要对数据包进⾏分⽚，是每⼀个⽚的长度都⼩于或者等于MTU；分⽚后的IP数据包，只有到达⽬的主机才进⾏重新组装。
(2)⼀个IP数据包如何进⾏分⽚？⽐如：分⽚时哪些信息会被继承，哪些信息会发⽣改变；如何识别同⼀个IP数据包的多个分⽚；如何对同⼀个IP数据包的多个分⽚进⾏排序。
对于发送端发送的每份IP数据包来说，其标识符字段都包含⼀个唯⼀值，该值在数据包分⽚时被复制到每个⽚中。除了最后⼀⽚外，其他每个组数据包的⽚都要把该⽚的⾃⼰置为1。分⽚时，除最后⼀⽚外，其它每⼀⽚中的数据部分，必须是8字节的整数倍。

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