计算机网络 实验四 地址解析协议ARP工作机制与包结构

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1．实验目的

理解ARP协议的工作原理
掌握ARP、ICMP 处理过程

2．实验内容

利用网络仿真软件（如Packet Tracer等）进行网络规划设计，包括设计网络拓扑结构、网络设备选择、参数配置、数据分析等。具体实验内容如下：
（1）利用Packet Tracer仿真软件搭建一个互联网。
（2））查看、配置主机和相关网络设备的参数。测试网络连通性，捕获ARP包，观察ARP包在流入设备和流出设备时的变换情况。观察各设备收到ARP包的处理方式以及相关设备ARP表的变换情况。。
通过本实验使学生学会使用网络仿真软件的一般方法，理解网络地址与硬件地址之间的关系，熟悉ARP协议的工作机制，能够借助网络仿真软件进行计算机网络系统模拟仿真，满足网络工程项目建设的需求。

3．基本要求

（1）课前准备：仔细阅读实验指导书，详细规划实验过程和步骤，设计实验数据记录表，对相关知识做好预习和准备。
（2）实验过程：按照实验指导书要求，完成实验内容，记录好实验过程、关键数据和实验结果。
（3）实验报告：根据实验情况及时撰写实验报告，实验报告应包含实验目的、实验内容、实验步骤、实验数据及分析，以及实验总结等内容。

4. 实验步骤

（1）建立如图4-1所示实验拓扑结构，按照表4-1 中IP地址和子网掩码信息给每一台PC 配置IP 地址以及掩码（可以自己设置其它的IP地址），MAC地址请根据自己建立的网络拓扑图中每台PC实际的MAC地址如实填写（注意：MAC地址每个人的都不一样）。PC连接交换机以及交换机连接路由器的端口号根据自己实验拓扑的实际情况填写（如PC0连接交换机的FastEthernet 0/1端口，则端口号填FastEthernet 0/1）。

图4-1 实验拓扑结构

（2）实验之前，先查看arp缓存，如果不为空，请先清空arp缓存。按表4-2测试各主机或接口的连通性（从工具栏中选择“Add Simple PDU”工具( ）并完成相关内容，然后依次点击“源主机”、“目的主机”，表示“源主机 ping 目的主机”（也可以打开PC机的命令行界面，输入 “ping 目标ip地址”））。
注：主机ARP表的操作方式。点击“PC”进入主机“Desktop”页面，如图4-2所示，然后点击“Command Prompt” 进入主机的命令行（CMD）界面如图4-3所示。在主机CMD界面可以输入“arp -a”查看arp缓存，“arp -d”清空arp缓存。

图4-2 主机Desktop页面

图4-3 主机CMD界面

表4-2 ARP缓存表

（3）先查看arp缓存，如果不为空，请先清空arp缓存。点击 切换到模拟器/simulation模式下，按表4-3测试各主机或接口的连通性（从工具栏中选择“Add Simple PDU”工具( ）并完成相关内容，然后依次点击“源主机”、“目的主机”，表示“源主机 ping 目的主机”（也可以打开PC机的命令行界面，输入 “ping 目标ip地址”））。
。在事件列表过滤器(Event List Filter)中，仅仅选择ARP、ICMP 报文，如图4-4所示。点击“Capture / Play”按钮，观察ARP Request 报文处理过程，ARP协议数据单元如图4-5所示。
注：ARP报文如图所示

硬件类型：占两字节，表示ARP报文可以在哪种类型的网络上传输，值为1时表示为以太网地址。
上层协议类型：占两字节，表示硬件地址要映射的协议地址类型，映射IP地址时的值为0x0800。
MAC地址长度：占一字节，标识MAC地址长度，以字节为单位，此处为6。
IP协议地址长度：占一字节，标识IP得知长度，以字节为单位，此处为4。
操作类型：占2字节，指定本次ARP报文类型。1标识ARP请求报文，2标识ARP应答报文。
源MAC地址：占6字节，标识发送设备的硬件地址。
源IP地址：占4字节，标识发送方设备的IP地址。
目的MAC地址：占6字节，表示接收方设备的硬件地址，在请求报文中该字段值全为0，即00-00-00-00-00-00，表示任意地址，因为现在不知道这个MAC地址。
目的IP地址：占4字节，表示接受方的IP地址。

图4-4 设置过滤条件仅允许ICMP、ARP 协议报文

图 4-5 ARP报文结构

思考问题

1. 当PC0 的ARP 表中没有PC1 的IP/MAC 表项时，PC0 ping PC1 时将首先发送什么报文，如果PC0 的ARP 表中有PC1 的IP/MAC 表项，情况又会怎么样？

2. 交换机对ARP 请求报文如何处理？

实验指南
（1）PC0 ping PC1，实际上就是PC0 给PC1 发送ICMP 请求报文。在PC0 发送ICMP Request的时候，PC0 将检查自己的ARP 表项中有没有PC1 的IP 对应的MAC 地址，如果有，那么PC0 将直接封装以太网帧，如果没有，那么PC0 将无法封装以太网帧，首先需要通过发送ARP 报文，希望PC1 告诉PC0：“PC1 的MAC 地址是多少”。
（2）ARP 请求报文是一个广播报文，根据交换原理，交换机将对广播报文进行泛洪处理；
（3）交换机在没有进行Vlan 划分的情况下，交换机的所有端口处于一个广播域中，在实验拓扑图中PC0、PC1、PC2、PC3、路由器router0 的Fast Ethernet 0/0 在一个广播域中，所以PC1、PC2、PC3、路由器router0 的Fast Ethernet 0/0 都能收到PC0 发送的ARP Request 报文。
（4）一个设备收到广播报文之后，根据以太网帧头中类型字段“0806”，去掉帧头将Load 部分提交给ARP 协议栈模块处理。ARP Request 报文中包含了目的IP 地址，请求目的IP 地址的主机答复MAC 地址。所以如果主机收到ARP 报文中目的IP 地址是自己，那么它将负责答复ARP 请求者“关于他的MAC 地址是”，这个答复就是ARP Reply 报文。
（5）一个ARP Request 报文不会是请求自身的MAC 地址。因为在一个设备CPU 协议栈中，总存在自身的CPU 协议栈IP、MAC 地址，请求的总是同一网段其他设备的MAC。

思考问题
3. PDU(协议数据单元)在网络中传输过程中，MAC 将发生怎样的改变？
实验指南
根据交换原理，PDU 在跨网段传输时，PDU 从一个网段发送到下一个地址时，源MAC 地址是发送者自身的MAC 地址，目的地址是下一跳地址的MAC 地址。PC0 给PC4 发送ICMP报文时，PC0 在172.16.10.0/24 网段，PC4 在172.16.11/24 网段。PC0 给PC4 发送ICMP 报文时，帧头的MAC 地址变化过程如下：

• PC0 首先将ICMP Request 报文发送给router0 的Fast Ethernet0/0，源MAC 是PC0 自己的MAC 地址0090.21C8.BA23，目的MAC 是router0 的Fast Ethernet0/0 接口MAC 地址0006.2a7e.391d；
• 路由器将PC0 的ICMP Request 报文发送给PC4 的时候，源MAC 地址是router0 的FastEthernet0/1 的接口MAC 地址00E0.8F68.5653，目的MAC 是PC4 的MAC 地址0001.4251.AA42；
• PC4 答复PC0 的ICMP Reply 报文，在传输过程中MAC 变化反之亦然。