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。
（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。