【计算机网络】网络层实验：ARP协议和ICMP协议

ARP协议

背景知识

（1）什么是ARP

ARP，即地址解析协议。TCP/IP网络使用ARP实现IP地址到MAC地址的动态解析。由于IP地址只是一个逻辑地址，它实现了对互联网进行统一编址，但物理网络仍然是采用自身的物理地址（也称MAC地址）来唯一识别设备。因此，在物理网络中传输数据单元时，最终还是需要使用MAC地址来标识目标地址。

（2） ARP工作原理

每个主机和路由器的内存中都设有一个ARP高速缓存，用于存放其他设备的IP地址到物理地址的映射表。当主机欲向其他主机发送IP包时，先在本地ARP缓存中查看是否有对方的MAC地址信息。如果没有，则ARP会在网络中广播一个ARP请求，拥有该目的IP地址的设备将自动发回一个ARP回应，对应的MAC地址将被记录到主机的ARP缓存中。考虑到一个网络可能经常有设备动态加入或者撤出，并且设备也可能更改IP地址，因此，ARP协议将会删除过期未更新的ARP条目，具体时间因设备而异。如有些 Windows 系统的ARP有效时间为2min。ARP缓存可以提高工作效率。如果没有缓存，每当有数据帧进入网络时，ARP都必须不断请求地址转换，这样会延长通信延时，甚至造成网络拥塞。反之，保存时间过长也可能导致离开网络或者更改第3层地址的设备出错。
ARP可解决同一个局域网上IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。

拓扑图配置

实验过程

首先在清空arp的情况下，利用ping给192.168.1.2即PC1发送一个ICMP，此时PC0会首先广播一个ARP包，获知PC1的IP对应的MAC地址。之后再进行ICMP包的发送。

在已经拥有PC1的ARP缓存的情况下，PC0就可以通过交换机的交换表直接发送到PC1上。

查看PC0发送的第一个ARP查询包，ARP帧中封装的目的地址是全1的广播地址。

PC1发送的第一个ARP应答包，返回给PC0。

思考

（1） 任务一完成后，哪些PC的ARP缓存拥有PC0的MAC地址记录？哪些PC新添加了PC1的MAC地址记录？
PC1的ARP缓存拥有了PC0的MAC地址。
PC0新添加了PC1的MAC地址记录。

（2） ARP缓存的作用是什么？缓存中记录的保存时间是否越长越好？请解释理由。
考虑到一个网络可能经常有设备动态加入或者撤出，并且设备也可能更改IP地址，因此，ARP协议将会删除过期未更新的ARP条目，具体时间因设备而异。如有些 Windows 系统的ARP有效时间为2min。ARP缓存可以提高工作效率。如果没有缓存，每当有数据帧进入网络时，ARP都必须不断请求地址转换，这样会延长通信延时，甚至造成网络拥塞。反之，保存时间过长也可能导致离开网络或者更改第3层地址的设备出错。
（3） 主机使用ARP能查询到其他网段的MAC地址吗？为什么？
不能，ARP协议只能访问同一个广播域下的主机，如果要查询其他网段，则需要交给网关解决。
（4） 在任务二的步骤3中，ARP被执行了几次？
2次，一次是查询包，一次是路由返回的应答包。

ICMP协议

背景知识

（1）什么是ICMP协议

ICMP是** “Internet Control Message Protocol”（Internet控制报文协议）**的缩写。它是TCP/IP协议族中的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等控制消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但对于保证TCP/IP协议的可靠运行是至关重要的。
IP协议只提供无连接的、尽力而为的数据报服务；TCP协议在IP基础上建立有连接的传输服务，解决了网络底层的数据报丢失、重复、延迟或乱序等问题，但仍无法解决因网络故障所导致的分组无法传输的问题。因此，ICMP提供了一种IP包无法传输的差错报告机制，可以帮助发送方了解为什么无法传递，网络发生了什么问题，以便解决网络故障问题。
ICMP协议报文使用IP数据报封装（IP分组的协议字段为1），ICMP报文类型包括有5种差错报告报文和4种询问报文。

（2）PING命令和Tracert命令

为了观察ICMP协议，本实验用到Ping命令和Tracert命令，它们都是基于ICMP协议实现的，具体功能和原理分别如下：
Ping程序是一个应用层直接使用ICMP协议的例子。该程序使用了 ICMP协议的回送请求与应答报文，用来测试目的主机或路由器是否能够到达。网络管理员或用户常使用该命令来诊断网络故障。
Tracert程序是Windows自带的一个路由跟踪实用小程序，用于跟踪一个IP数据包从源点到终点的路径。Tracert命令利用IP生存时间（TTL）字段和ICMP错误报告消息来确定从一个主机到网络上其他主机的路由。Tracert从源主机向目标主机发送一连串的IP包，数据包封装的是回送请求的ICMP报文；第一个数据包的TTL设置为1，第二个设置为2，依此类推；路由器转发数据包时将TLL减1，如果TTL等于0时，则丢弃数据包并向源主机发送一个ICMP超时的差错报告；当有数据包到达目的主机时，目的主机也会向源主机发送一个ICMP应答报告。依据各路由器和目标主机报告的消息，源主机即可获得到达目标主机所经过的路由器的IP地址以及所需的往返时间。

实验配置

实验过程

首先由PC0向PC1发送一条ICMP，表示ping通。

ping任意一个无法ping通的地址，路由器会丢弃数据包并返回一个错误报告。


在PDU Details可以观察到两个ICMP报文，一个是原先的回送请求报文，另一个为错误报告报文。

在PC0上运行tracert命令，每个节点均会测试三遍。



在PDU Details中可以观察到依次发送了TTL为1、2、3的ICMP包。

思考

（1） 在tracert命令中，为什么源主机对于每个TTL值都要重复进行多次探测？
重复检测，避免丢包。
（2） ICMP协议是否会给Internet带来安全隐患？
ICMP作为网络层控制协议，可以对网络主机进行探寻，那么必然也会带来一定的隐患。