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：

Cisco Packet Tracer

三、实验内容：

(写出主要的内容)
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。
R1：

R2：

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#clear arp-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。
广播搜索PC1.20的ip地址和MAC地址，并做保存记录

数据包传送的路径：数据包先到达交换机，再到达pc1.20；数据包也会传送到路由器，但发送了错误。

数据包传送的路径：数据包返回时，只经过交换机，就直接到达pc1.10，并不会再传送到路由器

（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，数据包到达交换机后直接到达pc1.20，不再传送到路由器了。

原因：交换机已经把mac地址记录在它的内存中了。

（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。

数据包到达路由器后，再次点击传送，数据包直接从路由器返回交换机

路由器的ARP中多了一个ARP记录:数据包第一次返回pc1.10，没有传送到pc3.11.

达到Pc1.10后，其ARP增加了一条记录

（5）重复（4）一次，观察结果有何不同，分析原因。
从PC3.11收到的IP地址和MAC地址与上一次收到的相同，不做修改

路由器的ARP列表中又新增了一条ARP记录：增加的这个记录的格式是pc3.11的默认网关。

Pc3.11的ARP的地址协议是它的默认网关的IP
（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。

数据包从pc1.20发送，到达路由器R1，直接返回pc1.20.此时pc1.20的ARP中保存了它的默认网关。

点击再次发送数据包，数据包通过了路由器R1，并且到达路由器R2，最后数据包从R2返回

R2的ARp中，增加一条ARP记录，是pc12.12的默认网关

把数据包再次从pc1.20发送，数据包能够通过路由器R1、R2，到达pc12.12。并且能够原谅返回pc1.20。

（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，

pc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ARP对应的IP地址，若有，直接将数据包发送出去，若无，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MAC地址。

ARP高速缓存更新机制：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，如果不想提就忽略此数据包，若同，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；若ARP列表中已经存在IP地址，就直接覆盖，已完成ARP的更新。

ARP数据包协议格式：路由器ARP列表中，包含三个信息：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，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。
因为路由器的ARP表原来没有到3.11的mac地址。

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）

让交换机和路由器上都有ARP缓冲表。

（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。

该包在PC(1.10)出来时进行了分段。 
1500字节是：1480个字节数据长度，和20个字节IP头部长度。 
548字节是：520个字节数据长度，和20个字节IP头部长度，还有8字节的ICMP包长度

该包在Router1出来时进行了分段， 同理，由于Router1的Eth1/0的MTU＝1420Byte。所以，1500的数据包在被分段。 如下：1500的数据包的标志变炎0x1、偏移值为0，说明还有分段。

该包在Router2出来时没有进行重组， 三个包分别到达PC（12.12）.

该包到达PC(12.12)后进行了重组， 1420和100的数据包进行了重组。

回复的Ping命令包在PC(12.12)处进行了分段， Ping包分段成1500和548字节。

回复的Ping命令包没有在Router2出来时进行分段。 否。1500和548的数据包在进入R2时，没有再分段。

（3）总结IP分段的条件与方法。

IP数据包分段的条件是：当数据包的大小大于路由器送出端口的MTU时，会进行分段。 方法：把IP数据部分分段。一段大小为MTU-20字节的值（20字节是IP首部长度）。把数据部分剩下的在比较MTU-20，然后在分段。

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。

确保pc1.10的ping包能通过pc12.12.

（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。

（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值，是数据包每经过一跳后，TTL值减1，当减到0时，数据包将会丢弃，丢弃者会发送一个ICMP数据包，通知发送者。

作用：用来防止出现路由环路，当数据包无限循环转发，就会造成网络拥堵，而当TTL减到0时，数据包将会被丢弃，从而减少环路。而TTL使用一个字节表示，最大是255，如果两个通讯之间经过的路由超过255时，它是不能通过IP进行通讯的。

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ARO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协议若目的主机在同意网段，则可以直接通信；若不在同遗忘段，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，若数据包的目的地址不是它，则他会显示拒绝接受数据包的错误请求。

(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ARP协议；希望获取的是目的主机的MAC地址；pc1.10访问pc1.30时，会调用ARP，其希望来获取PC1.30的MAC地址。其他访问类似

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地址一致，若干不相同就忽略次数据包；若是相同，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；若是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，它首先将书记包发送出去；若没有，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：000n（n表示不同数字），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pc1.10发送给pc12.12过程中，mac首部不断发生变，因为数据包要经过不同的网络设备，而每个网络设备的物流地址都是不相同的。Ip首部不会发生变化，因为数据包的ip地址都是pc12.12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MTU，那么ip层就要对数据包进行分片，每一个片的长度都小于或等于MTU；分片后的ip数据包，只有到的目的直接才进行重新组装。

(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，其他每个数据包的片都要把该片的自己置位1.分片时，除最后一片外，其他每一片中的数据部分，必须是8字节的整数倍

四、心得体会：

通过这次实验课，我懂得了学会使用PacketTracer进行包跟踪及数据包协议格式分析，这次实验的内容很多，也有点复杂，但是让我获得知识也更多，我了解到ARP的基本工作机制和它的协议格式。