计算机网络--理解子网掩码、网关和ARP协议的作用

实验目的

理解上述知识点所涉及的基本概念与原理并能运用于分析实际网络，达到对数据包的传送过程深入理解。

实验环境

实验环境为window10系统，软件为Cisco Packet Tracer。

此实验环境有问题，结果存在错误！可能是操作问题，也可能是实验软件版本过低

实验内容

在实验中，利用ping命令来检验主机间能否进行正常的双向通信。在"ping"的过程中，源主机向目标主机发送ICMP的Echo Request报文，目标主机收到后，向源主机发回ICMP的Echo Reply报文，从而可以验证源与目标主机能否进行正确的双向通信。

实验的拓扑结构：如图（1）所示。

步骤1：设置主机的IP地址与子网掩码：

（1） A（1号机）: 202.192.31.机号 255.255.248.0。
（2） B（2号机）: 202.192.30.机号 255.255.248.0。
（3） 两台主机均不设置缺省网关。
（4） 用arp -d命令清除两台主机上的ARP表，然后在A与B上分别用ping命令与对方通信，记录实验显示结果。
（5） 用arp -a命令可以在两台PC上分别看到对方的MAC地址，记录A、B的MAC地址。
（6） 分析实验结果。

步骤2：
（1） 将A的子网掩码改为：255.255.255.0，其他设置保持不变。
（2） 用arp -d命令清除两台主机上的ARP表，然后在A上"ping"B，记录显示结果。
（3） 用arp -a命令能否看到对方的MAC地址。
（4） 分析操作1的实验结果。
（5） 接着在B上"ping"A，记录B上显示的结果
（6） 此时用arp -a命令能否看到对方的MAC地址。
（7） 分析操作2的实验结果。

步骤3：
（1） 在前面实验的基础上，把A的缺省网关设为：202.192.31.235
（2） 在A与B上分别用ping命令与对方通信，记录各自的显示结果
（3） 在A与B上分别用tracert命令追踪数据的传输路径，记录结果
（4） 分析（3）的实验结果。

步骤4：
（1） 用arp -d命令清除A中的ARP表，在A上ping一台外网段的主机，如广大的WWW Server。
（2） 再用arp -a可观察到A的ARP表中只有缺省网关的MAC地址信息。分析实验结果。

实验步骤、记录和结果

设置主机的IP地址与子网掩码：
A（1号机）: 202.192.31.1机号 255.255.248.0
B（2号机）: 202.192.30.2机号 255.255.248.0
两台主机均不设置缺省网关。


用arp -d命令清除A主机上的ARP表，然后在A机上用ping命令与B机通信，结果截图如下：

用arp -d命令清除B主机上的ARP表，然后在B机上用ping命令与A机通信，结果截图如下：

用arp -a命令在两台A上看B的MAC地址:

用arp -a命令在两台B上看A的MAC地址:

实验分析：
计算机A获取计算机BMAC地址的过程：
在A 不知道B 的MAC地址的情况下，A就广播一个ARP请求包，请求包中填有B的IP(202.192.30.2) ，以太网中的所有计算机都会接收这个请求，而正常的情况下只有B 会给出ARP应答包，包中就填充上了B的MAC地址，并回复给A。A得到ARP应答后，将B的MAC地址放入本机缓存，便于下次使用。
由于主机将各自通信目标的IP 地址与自己的子网掩码相"与"后，发现目标主机与自己均位于同一网段(202.192.31.0)，因此通过ARP 协议获得对方的MAC 地址， 从而实现在同一网段内网络设备间的双向通信。

步骤2：
将A的子网掩码改为：255.255.255.0，其他设置保持不变

用arp -d命令清除两台主机上的ARP表，然后在A上"ping"B，结果截图如下：

用arp -a命令看不到对方的MAC地址，结果截图如下：

分析：A将目标设备的IP地址(202.192.30.2)和自己的子网掩码(255.255.255.0)相与得202.192.30.0，和自己不在同一网段(A所在网段为:202.192.31.0)，则A必须将该IP分组首先发向缺省网关。由于A的缺省网关没有配置，无法对分组进行正确发送，因此显示请求超时。

接着在B上"ping"A，请求超时，结果截图如下：

此时用arp -a命令不能看到对方的MAC地址：结果截图如下：

结果显示：B上"ping"A显示连接超时，而且在B上也看不到A的MAC地址。
分析：将目标设备的IP地址(202.192.31.1)和自己的子网掩码(255.255.248.0)相“与”，发现目标主机与自己均位于同一网段(202.192.30.0)，因此，B是可以通过ARP协议获得A的MAC地址。但是大量实验中B都没有获得A的MAC地址。可能是由于实验软件存在Bug或者是缺少正确的操作方法指导所致。
但是理论上B是可以通过ARP协议获得A的MAC地址，并可以正确地向A发送Echo Request报文。但由于A不能向B正确地发回Echo Reply报文，故B上显示ping的结果为“请求超时”。

步骤3：在前面实验的基础上，把A的缺省网关设为：202.192.31.235

在A与B上分别用ping命令与对方通信，结果截图如下：


实验结果显示：A ping B显示请求超时，但是在A ping B后用arp -a命令能看到网关的MAC地址。而B ping A显示请求超时，但是在B ping A后用arp -a命令能看到网关的MAC地址。理论上瓶盖可以ping 通的，但是经过多次实验结果都是请求超时，这里可能是由于实验软件的Bug所致。

在A与B上分别用tracert命令追踪数据的传输路径，结果截图如下：


这里由于实验所用的软件存在bug，所以请求失败。
分析：由于A认为B与其不在同一个网段，故从A发向B的报文需要经过网关转发；而B认为A与其在同一个网段，故B不需要经过网关直接向A发送报文，理论上可以观察到A与B双向通信时传输路径的不对称性。由于ping命令结果显示的是从目标主机返回的Echo Reply报文的TTL的值，而B收到从A返回的Echo Reply报文经过了网关的转发，所以在B中显示该IP报文的TTL值降为127(从A发出的IP分组的TTL的初始值为128，每经过一个网关，TTL值减1)。

步骤4：用arp -d命令清除A中的ARP表，在A上ping一台外网段的主机，如广大的WWW Server，再用arp -a可观察到A的ARP表中只有缺省网关的MAC地址信息。分析实验结果。

实验结果：用arp -a命令后在A的ARP表中没有观察到缺省网关的MAC地址信息。
分析：理论上应该可以在A的ARP表中观察到缺省网关的MAC地址信息。因为当源主机要和外网段的主机进行通信时，它并不需要获取远程主机的MAC地址，而是把IP 分组发向缺省网关，由网关IP分组的完成转发过程。如果源主机没有缺省网关MAC地址的缓存记录，则它会通过ARP 协议获取网关的MAC地址，因此在A的ARP 表中只观察到网关的MAC 地址记录，而观察不到远程主机的MAC 地址。
导致这样的结果可能是因为实验软件存在bug等问题。

实验分析

由于实验过程中使用了模拟软件，而软件又存在bug，所以有多个实验经过很多次操作后实验结果依然和理论结果不一样，经过和老师以及同学的讨论、上网查询后分析实验结果。