IP数据报与ARP报文的组成.docx
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IP数据报与ARP报文的组成
计算机与通信工程学院实验报告
课程名称
计算机网络实验
专业班级
通信1102
姓名
学号
时间：
2013.12.7
地点：
计通学院304机房
实验名称：
实验二IP数据报与ARP报文的组成
实验前任务
实验目的：
1、理解IP层的作用以及IP地址的分类方法；
2、理解子网的划分和子网掩码的作用；
3、掌握IP数据包的组成和网络层的基本功能。
4、理解MAC地址和IP地址在网络传输中的作用及区别
5、掌握ARP协议的作用和格式；
6、理解IP地址与MAC地址的对应关系；
7、了解ARP命令。
8、理解ARP在网络中的作用；
9、理解同一网段和不同网段ARP响应包的区别。
实验设备（环境）：
Windows2000或XP
网络协议分析器
协议仿真编辑器等
实验原理：
1、IP（InternetProtocol）协议和IP地址的分类
IP协议用于管理客户端和服务器端之间的报文传送，是互联网最重要的网际协议。
IP地址是互联网主机的唯一标识。
网络通信时使用IP地址来指定接收端的主机地址。
IPv4版本的IP地址占32位，由类别、网络地址和主机地址共3个部分组成。
网络地址用于区分不同的网络，主机地址用于区分一个网段内主机。
IP地址分成5类：
A类，B类，C类，D类和E类。
其中A、B和C类是分配给用户使用的，D类用于多点广播，E类保留。
图1IP地址分类示意图
2、各类IP地址的范围
A类：
0.0.0.0到127.255.255.255
B类：
128.0.0.0到191.255.255.255.
C类：
192.0.0.0到223.255.255.255
3、特殊的IP地址
①网络地址：
主机地址部分为全“0”的IP地址是作为网络本身的标识。
②直接广播地址：
主机地址为全“1”的IP地址不分配给任何主机，用作广播地址。
③有限广播地址：
32位为全“1”的IP地址（255.255.255.255）称为有限广播地址。
④专用IP地址：
10.0.0.0—10.255.255.255；
172.16.0.0—172.31.255.255；
192.168.0.0—192.168.255.255
4、子网划分
子网是将网络地址中的主机标识分离出若干位作为子网地址位。
掩码是一个32位的二进制数。
网络地址部分为1，主机地址部分为0。
子网的设计是为了便于网络的管理、提高系统性能。
给定IP地址和子网掩码以后，主机就可以确定IP数据报的目的是：
①本子网上的主机；②本网络中其他子网中的主机；③其他网络上的主机。
根据IP地址可以知道它是A类、B类或C类地址，同时也知道网络号和子网号之间的分界线。
根据子网掩码可以知道子网号与主机号之间的分界线。
5、IP数据报格式
图2IP分组格式
IP数据包常通过以太网传输，在以太网中是以48位的物理地址传输数据包而不是32位的IP地址。
因此当我们知道IP地址不知道MAC地址时，就要用到ARP协议。
ARP协议的功能是将网络层的IP地址转换为数据链路层的MAC地址。
ARP协议的请求包是以广播方式发送的，网段中的所有主机都会接收到这个包。
如果一个主机的IP地址和ARP请求中的目的IP地址相同，该主机会对这个请求数据包作出ARP应答，将其MAC地址发送给请求端。
6、ARP请求或应答的分组格式
图3ARP协议的分组格式
字段说明：
硬件类型：
表示硬件类型，例如：
1表示以太网。
协议类型：
表示要映射的协议类型，例如0x0800表示IP地址。
硬件长度：
指明硬件地址长度，单位是字节，MAC是48位，6个字节。
协议长度：
高层协议地址的长度，对于IP地址，长度是4个字节。
操作字段：
共有二种操作类型，1表示ARP请求，2表示ARP应答。
发送方MAC：
6个字节的发送方MAC地址。
发送方IP：
4个字节的发送方IP地址。
目的MAC：
6个字节的目的MAC地址。
目的IP：
4个字节的目的IP地址。
7、ARP缓存和ARP命令
为减少广播通信量和提高ARP解析速度，每个主机都有ARP高速缓存，用于存放解析过的MAC和IP的映射关系。
ARP缓存表是可以通过命令查询的。
在命令提示符下，输入“arp-a”可以查看ARP缓存表中的内容，“arp-d”清除ARP缓存。
8、ARP工作过程
假设网络中的计算机A要和计算机B交换数据，首先计算机A要得到计算机B的IP地址和MAC地址的映射关系，工作过程如下：
①计算机A检查自己的高速缓存中的ARP表，判断ARP表中是否存有计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系。
如果找到，则完成ARP地址解析；如果没有找到，则转至②。
②计算机A广播含有自身IP地址与MAC地址映射关系的请求信息包，请求解析计算机B的IP的地址与MAC地址映射关系。
③包括计算机B在内的所有计算机接收到计算机A的请求信息，然后将计算机A的IP地址与MAC地址的映射关系存入各自的ARP表中。
④计算机B发送ARP响应信息，通知自己的IP地址与MAC地址的对应关系。
⑤计算机A收到计算机B的响应信息，并将计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系存入自己的ARP表中，从而完成计算机B的ARP地址解析。
实验内容及过程（步骤）：
实验内容
1、学会根据IP地址的分类方式区分各类IP地址；
2、掌握IP数据报的格式、长度以及各字段的功能；
3、学会利用子网掩码确定IP地址的网络号、子网号和主机号；
4、学会分析给定数据包的IP首部信息；
5、学会手工计算IP校验和的方法；
6、学习ARP协议的工作原理；
7、掌握ARP协议的作用和使用方法；
8、理解IP地址与MAC地址的对应关系；
实验步骤
练习一：
利用协议仿真编辑器编辑并发送IP数据包
1、打开协议仿真编辑器，在工具栏选择“新建”，建立一个以太网帧（也可以使用系统打开时默认建立的以太网帧进行编辑）；
2、手动填写“源MAC地址”，或在地址本中双击主机自动填入。
3、手动填写“目的MAC地址”，或在地址本中双击主机自动填入。
4、填写“类型或长度”：
该字段值为0800（即IP协议的类型值）或者选择工具栏中的IP协议，此时，单帧编辑区中自动添加IP协议的各属性字段，并有默认值。
右侧的协议模型图也会相应增加IP层显示。
5、填写IP协议头信息：
⑴版本号和首部长度：
版本号为4，首部长度为5（即20个字节）；
⑵服务类型TOS：
00
⑶总长度：
该值为IP首部长度加上数据部分的长度；如果没有数据该字段应为20，否则加上数据的长度；
⑷标识号：
可以采用默认值，或任意值，例如12345；
⑸标志字段：
通过修改各种标志值，在监控端捕获数据包分析理解各种标志含义；
⑹生存时间：
可以采用默认值128；
⑺高层协议类型：
即IP携带的上层协议类型（例如：
TCP为6，UDP为17，ICMP为1）；本实验填0（没有上层协议数据）；
⑻首部校验和；先添0，等全部字段填完后再计算；
⑼源IP地址：
注意，仿真编辑器可以仿真本机发送IP数据包，也可以仿真另一台机器发送IP数据包，所以，源IP地址字段可以填写本机IP地址，也可以填写其它机器的IP地址（注意协议分析器的显示过滤器设置）；
⑽目的IP地址：
从地址本中选择一个目的主机的IP地址，双击自动填加；
⑾当上述各字段值均已填写完毕后，可以通过两种方法计算首部校验和的值；
6、计算“校验和”
⑴方法一：
手工计算
首先把“校验和”字段置为0，单击M按钮，弹出手动计算校验和窗口，单击IP协议首部，十六进制对照表中对应的十六进制数据会以绿色标注。
右键拷贝，粘贴到IP首部文本框中，单击计算按钮，得出校验和。
或在十六进制中右键直接计算校验和。
⑵方法二：
自动校验
单击A按钮实现自动计算并填充。
7、如果要编辑多个IP数据包，可重复上述步骤，并可在多帧编辑器中设置每一帧的发送次数和发送每帧的时间间隔；
8、点击工具栏或菜单栏中的“发送”，在弹出的对话框中选择“发送”按钮，发送帧序列；
9、协议分析器一端截获数据包并分析；
10、将编辑正确的IP包保存到文件：
IP.pkt
练习二：
运行ipconfig命令
1、在“工具”菜单中选择“命令行”，出现提示符后输入ipconfig/all
2、观察运行结果，获得本机的IP地址及子网掩码；
3、分析本主机属于哪一类IP地址，网络号、子网号和主机号分别是什么；
4、利用本机的IP地址及子网掩码，找出地址本中与本机属于同一子网的主机
练习三：
运行netstat命令
Netstat命令用于显示与IP、ICM、TCP和UDP协议相关的统计数据，一般用于检验本机各端口的网络连接情况。
1、在命令行提示符下运行：
C:
>netstat–r；显示本机路由表，记录本机的缺省网关的IP地址；
2、在命令行提示符下运行：
C:
>netstat–s；观察IP协议部分，查看本机已经接收和发送的IP报文个数。
练习四：
运行Ping命令
1、在地址本中选择与本主机在同一子网中另一主机的IP地址（假设为：
172.16.1.46）；
⑴在命令行方式下运行：
ping172.16.1.46；
⑵在协议分析器一端捕获数据，记录源、目的MAC地址和源、目的IP地址；
⑶按照地址本中的记录，分析捕获数据的MAC地址与IP地址的对应关系；
⑷在协议分析器一端,查看“会话分析”中的“会话图解”，了解PING程序的会话过程。
2、选择与本主机属于不同子网另一主机的IP地址（假设为：
172.16.0.34）；
⑴在命令行方式下运行：
ping172.16.0.34；
⑵协议分析器端捕获数据，记录源、目的MAC地址和源、目的IP地址；
⑶分析捕获数据的MAC地址与IP地址是否具有对应关系。
⑷在协议分析器端,查看“会话分析”中的“会话图解”，分析PING程序的会话过程。
3、比较上面两个实验的结果，分析二者有何不同？
练习五：
仿真发送ARP请求报文（同网段内）
本练习的目的是理解ARP协议的数据包格式和协议的功能。
1、在命令提示符下运行：
C:
>arp–d清空ARP高速缓存。
2、编辑并发送ARP请求帧：
⑴打开协议仿真编辑器，在界面初始状态下，程序会自动新建一个单帧，可以利用协议仿真编辑器打开时默认的以太网帧进行编辑；
⑵填写该以太网帧的各字段值；
①源MAC地址：
可以为本机的MAC地址，也可以仿真其他主机发送ARP请求报文。
其他主机的MAC地址可根据主机名在地址本中获得。
如果仿真其他主机发送ARP请求报文，应注意协议分析器的过滤器设置。
②目的MAC地址：
对于ARP请求来说，目的MAC地址应该是什么？
我们常说ARP广播帧，所以目的MAC应该是广播地址：
FFFFFF-FFFFFF；
③类型或长度字段：
0806H（即：
上层是ARP协议类型值）或者单击工具栏中的ARP协议选项，此时：
单帧编辑区中将显示上APR协议的各属性字段，并有默认的属性值。
⑶填写ARP协议信息：
①硬件类型：
1，以太网地址；
②协议类型：
0800，要映射的协议地址类型为IP地址类型；
③硬件地址长度：
6，MAC地址是6个字节48位；
④协议地址长度：
4，IP地址是4个字节32位；
⑤操作字段：
1，APR请求；2，ARP应答；
⑥发送端MAC地址：
发送ARP包的源主机的MAC地址；
⑦发送端IP地址：
发送ARP包的源主机的IP地址；
⑧目的端MAC地址：
任意，可以填0；
⑨目的端IP地址：
选择目的主机的IP地址；
⑷点击工具栏或菜单栏中的“发送”，在弹出对话框中选择“发送”按钮；
⑸在协议分析器端捕获该请求数据包及ARP响应包并分析，ARP响应包的源地址是多少？
图4ARP协议树的示意图
3、将编辑正确的ARP帧保存到文件：
ARP.pkt。
4、在仿真端和分析端命令提示符下运行：
C:
>arp–a；检查ARP高速缓存中的内容，是否发生了变化？
注：
若仿真端接收响应信息后缓存表里没有目的主机的信息列出，则说明操作系统未读取显示目的主机的地址解析。
练习六：
仿真发送ARP请求报文（不同网段内）
1、参照练习一，编辑一个ARP数据包，目的主机的IP选择其他网络（例如：
172.16.0.56）；
2、在协议分析器一端捕获该数据包及ARP响应包并分析，观察ARP协议的会话过程。
3、记录ARP响应包的源地址MAC是多少？
该MAC是否是目的IP的MAC？
理解ARP路由代理的过程。
练习七：
运行Ping命令（同一子网内）
1、在命令提示符下运行arp–d命令，清空ARP高速缓存；
2、在命令提示符下运行arp–a命令，检查ARP高速缓存。
3、从地址本中选择与本机属于同一子网的某主机的IP地址（例如：
172.16.1.56）作为Ping命令的参数，然后在命令提示符下运行：
C：
>Ping172.16.1.56
4、在协议分析器一端捕获数据报文并分析:
⑴其中是否有ARP请求及应答报文?
⑵分析各ARP报文：
源、目的MAC地址都是什么？
源、目的IP地址都是什么？
⑶为什么产生这样的ARP报文？
5、在命令提示符下运行：
arp–a命令，检查ARP高速缓存中的内容是否发生变化？
分析原因。
6、清空协议分析器的ARP高速缓存，再次运行Ping172.16.1.56，在协议分析器一端捕获的数据报文是否和上一次一样？
练习八：
运行Ping命令（经网关连接的不同子网上的主机）
1、在命令提示符下运行：
arp–d命令，清空ARP高速缓存
2、在命令提示符下运行：
arp–a命令，检查ARP高速缓存
3、从地址本选择与本机属于不同子网的主机的IP地址（例如：
172.16.0.34），然后在命令提示符下运行：
C:
>Ping172.16.0.34
4、在协议分析器一端捕获数据报文:
⑴其中是否有ARP请求及应答报文数据包?
⑵分析各ARP报文：
源、目的MAC地址是什么？
源、目的IP地址是什么？
5、在命令提示符下运行arp–a命令，检查ARP高速缓存中的内容是否发生变化，是否存在172.16.0.34和其MAC的“地址对”？
分析原因。
6、比较练习八和练习九两实验中得到的ARP报文有何不同？
分析产生二者区别的原因？
实验中任务
实验结果：
练习一：
利用协议仿真编辑器编辑并发送IP数据包
练习二：
运行ipconfig命令
实验后任务
实验中遇到的问题及解决方法：
1.在手动计算首部校验和时，老是计算错误,通过学习和询问同学学会了手动计算首部校验和的方法和注意事项
2.在填写ARP是，发送帧时提示错误。
在编写填写“类型或长度”字段时，填写的数据不知道该填写多少,导致LLC信息帧发送有错误,最后通过问同学知道了帧格式中具体体现数据长度的标示符,然后修改帧成功发送
3.协议分析器在发送数据后才打开，将结果接收不到数据,经过多次设置接受过滤和多次刷新选取,最后找到正确的帧传送和相应模式.
实验总结：
在本次实验中学会了IP数据包的编写过程以及IP协议用于管理客户端和服务器端之间的报文传送，是互联网最重要的网际协议。
IP地址是互联网主机的唯一标识。
网络通信时使用IP地址来指定接收端的主机地址。
填写“类型或长度”：
字段值应为0800。
知道了如何计算首部校验和。
知道了仿真发送ARP请求报文的编写步骤。
类型或长度字段为0806H。
其中首部校验和既可以手动计算也可以自动计算，首部校验和没有计算或者计算错误，在协议解析器的接收中都会自动提示更正。
成绩评定
实验前任务（60%）
实验中任务（30%）
实验后任务（10%）
总分
成绩评定标准：
90分以上：
出色地完成所有实验内容，报告格式，图表规范，书写工整，实验数据准确，结论正确。
态度认真。
80--90分：
良好地完成所有实验内容，报告格式，图表规范，书写欠工整，实验数据准确，结论正确，态度认真。
70--80分：
较好地完成所有实验内容，报告格式，图表欠规范，书写不工整，实验数据基本准确，结论正确，态度认真。
60--70分：
能完成所有实验内容，报告格式，图表不规范，书写不工整，实验数据基本准确，结论不够清晰，态度欠认真。
60分以下：
没有完成实验内容，报告格式，图表不规范，书写不工整，实验数据欠准确，结论不清晰，态度不认真。
指导教师签名：
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