實(shí)驗(yàn) 6：IPV4地址的構(gòu)造超網(wǎng)及IP數(shù)據(jù)報

一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1. 加深對IPV4地址的構(gòu)造超網(wǎng)（無分類編制）的了解。

2. 加深對IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)流程的了解。

二、 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

? Cisco Packet Tracer 模擬器

三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、了解IPV4地址的構(gòu)造超網(wǎng)（無分類編制）

(1) 第一步：構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?#xff1a;拖動五個主機(jī)，兩個路由器，一個交換機(jī)，使用自動連接類型將其連接起來。其中路由器使用2911。如圖1所示。

圖 1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

(2) 第二步：設(shè)置各個主機(jī)的IP地址，以及子網(wǎng)掩碼，需要按照下圖給出的要求來設(shè)計，題目要求如圖2所示。

圖2 配置IP及子網(wǎng)掩碼的要求

(3) 第三步：先來分析一下最上面的網(wǎng)絡(luò)，后面的25表示前面25個bit表示網(wǎng)絡(luò)前綴，所以就可以得出最小的地址，也就是192.168.16.0，這個作為網(wǎng)絡(luò)地址，而最大的地址就是192.168.16.127，這個最大的地址就作為廣播地址。同理我們也可以由此原理得出各個網(wǎng)絡(luò)的可分配給主機(jī)或路由器的地址的范圍，以及求出對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼。如圖3所示。

圖3 計算各個網(wǎng)絡(luò)IP以及子網(wǎng)掩碼

(4) 第四步：開始為各個主機(jī)以及路由器分配IP地址以及子網(wǎng)掩碼。IP地址可以從可選范圍任選一個，子網(wǎng)掩碼使用上面計算出來的，填寫一個如圖4所示。全部設(shè)置完并且寫好注釋，如圖5所示。

圖4 填寫主機(jī)IP地址以及子網(wǎng)掩碼

圖5 配置IP及子網(wǎng)掩碼和路由器

(5) 第五步：此時處于同一個網(wǎng)絡(luò)中的各個主機(jī)應(yīng)該是可以互相進(jìn)行通信的，因?yàn)槎荚O(shè)置為了正確的IP地址以及子網(wǎng)掩碼。使用左上角的主機(jī)ping一下IP地址為192.168.0.2的主機(jī)。如圖6所示。如果不指定默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的話，那么左上角的主機(jī)不可以與最下方的網(wǎng)絡(luò)中的其中任何一個主機(jī)進(jìn)行通信，因?yàn)椴恢涝撛趺磸穆酚善鬓D(zhuǎn)發(fā)出去。

圖6 處于同一網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)可以ping通

(6) 第六步：為主機(jī)配置好了默認(rèn)網(wǎng)關(guān)之后，在使用左上角的主機(jī)去ping一下下面的任何主機(jī)中的一個。比如說ping 192.168.16.129。如圖7所示。之所以第一次請求超時，是因?yàn)樯厦娴闹鳈C(jī)首先判斷發(fā)送過去的目的地址和自己是不是在同一個網(wǎng)絡(luò)，所以上方主機(jī)就會把數(shù)據(jù)包交給自己網(wǎng)絡(luò)的默認(rèn)路由器（也就是默認(rèn)網(wǎng)關(guān)所指向的那個路由器），但是找不到這個IP地址對應(yīng)的MAC地址，所以就會發(fā)送一個ARP的廣播請求來獲得這個MAC地址，而路由器在收到這個請求之后，發(fā)現(xiàn)是傳給自己的某一個端口的，然后路由器發(fā)回去一個單波響應(yīng)把自己的MAC地址發(fā)送回去，同理路由器轉(zhuǎn)發(fā)的時候，也是這個原理。

圖7 配置完默認(rèn)網(wǎng)關(guān)之后可以通信

(7) 第七步：在配置好了默認(rèn)網(wǎng)關(guān)之后，使用ping指令，讓左邊的主機(jī)去ping一下最右邊的主機(jī)，ping 192.168.16.198。如圖8所示。

圖8 此時計算機(jī)之間不能互通

(8) 第八步：可以看到上圖收到的響應(yīng)是來自IP地址為192.168.16.126的路由器，也就是說原主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包先是轉(zhuǎn)發(fā)到了路由器，然后路由器向原主機(jī)報告說目的主機(jī)不可以到達(dá)。之所以說路由器不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，是因?yàn)槁酚善鞯穆酚杀砝锩娌]有存儲相關(guān)信息。

(9) 第九步：查看路由器的路由表。如圖9所示。這里面的6條數(shù)據(jù)，分別是和路由器直接相連的三個網(wǎng)絡(luò)，以及記錄了自己的三個接口的IP地址，之所以原主機(jī)發(fā)送請求給最右邊的主機(jī)不成功，正是因?yàn)樽筮叺穆酚善鞲揪筒恢雷钣疫叺木W(wǎng)絡(luò)的存在，所以不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)。

圖9 路由器的路由表

(10) 第十步：給最左邊的路由器添加一個靜態(tài)路由。如圖10所示。

圖9 為路由器添加靜態(tài)路由

(11) 第十一步：此時再查看路由的路由表，如圖10所示。就可以發(fā)現(xiàn)多了一條記錄，此時路由器就知道當(dāng)目的主機(jī)在另一個網(wǎng)絡(luò)時，就知道下一跳該往哪里走了。

圖10 路由器知道了另一個網(wǎng)絡(luò)的路線

(12) 同理給右側(cè)的路由也添加兩條靜態(tài)路由，添加的具體數(shù)據(jù)信息，上面的圖片中已經(jīng)給出，其中上面的那個靜態(tài)路由告訴這個路由器怎么到達(dá)左上方的那個網(wǎng)絡(luò)，而下面哪一個的靜態(tài)路由是告訴怎么去左下方的網(wǎng)絡(luò)。添加如圖11所示。

圖11 為右側(cè)的路由器添加靜態(tài)路由

(13) 為路由器添加好了所有的靜態(tài)路由之后，理論上這個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械乃兄鳈C(jī)之間都是可以正常通信的，下面就來測試一下，使用左上角的主機(jī)ping一下最右邊的主機(jī)，即ping 192.168.16.198，如圖12所示。之所以會有兩次超時的請求，也是因?yàn)锳RP廣播請求以及接收到的單波響應(yīng)導(dǎo)致的。如果相同的指令在執(zhí)行一次的話，就不會出現(xiàn)超時的情況。

圖12 左上角主機(jī)成功ping通右邊主機(jī)

(14) 可以發(fā)現(xiàn)右邊的路由器的兩個靜態(tài)路由的下一跳地址是相同的，因此就可以實(shí)現(xiàn)路由聚會，也就是構(gòu)造超網(wǎng)，路由聚合就是找到兩個目的網(wǎng)絡(luò)的共同前綴，路由聚合之后，如圖13所示。此時路由器轉(zhuǎn)發(fā)相當(dāng)于是到達(dá)了一個更大的地址塊，而不是到達(dá)兩個分散的地址塊。

圖13 兩個靜態(tài)路由進(jìn)行路由聚合

(15) 此時使用最右邊的主機(jī)去ping一下左邊的兩臺主機(jī)中的一個，如圖14所示。成功ping通說明此次路由聚合是成功的。

圖14 主機(jī)之間成功通信

2、IP數(shù)據(jù)報的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)過程

(1) 第一步：構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?#xff1a;在邏輯工作空間上，拖動六個普通計算機(jī)和三個交換機(jī)以及兩個路由器，選擇自動連接把設(shè)備連接起來，并設(shè)置好IP，并在計算機(jī)旁邊寫好IP注釋。并寫好MAC地址注釋。如圖15所示。

圖 15 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳懞米⑨?/p>

(2) 第二步：切換到仿真模式，并且過濾協(xié)議，只保留ARP協(xié)議和ICMP協(xié)議。并且讓左上角的主機(jī)去給左下角的主機(jī)發(fā)送一個ICMP的報文，發(fā)送之前，將原主機(jī)以及經(jīng)過的路由器和目的主機(jī)的三個ARP高速緩存表給打開，另外還需要調(diào)整三個ARP高速緩存表的列的位置，還需要打開路由器的路由表，如圖16所示。之所以路由器的ARP表不是空的，是因?yàn)榇娣胖齻€端口的IP地址以及對應(yīng)的MAC地址，所以不是空的。路由表的里的類型C表示直接連接，L表示自己接口的IP地址，S表示的是靜態(tài)路由。

圖16 查看ARP高速緩存表及路由表

(3) 第三步：為左上角的主機(jī)添加一個簡單的PDU，讓其發(fā)送給左下角的主機(jī)。并打開ICMP的數(shù)據(jù)報。如圖17所示。

圖17 ICMP數(shù)據(jù)報里面的內(nèi)容

(4) 第四步：原主機(jī)要發(fā)送一個ICMP的數(shù)據(jù)報給目的主機(jī)，首先需要封裝成IP數(shù)據(jù)報，源地址就填原主機(jī)的IP，目的地址就填目的主機(jī)的IP，然后還需要封裝成以太網(wǎng)的幀才可以發(fā)送走，以太網(wǎng)幀的首部的原MAC地址填的是原IP地址對應(yīng)的MAC地址，但是目的MAC地址是不可以直接填寫目的主機(jī)的MAC地址，因?yàn)椴⒉恢?。原主機(jī)將目的主機(jī)的IP地址和自己的子網(wǎng)掩碼相與，得到一個網(wǎng)絡(luò)地址，然后查看自己的網(wǎng)絡(luò)地址和自己的是不是一樣，若是一樣，則可以直接交付，如是不一樣，則原主機(jī)需要通過自己網(wǎng)絡(luò)中的一臺路由器來幫助自己轉(zhuǎn)發(fā)。所以以太網(wǎng)幀的首部的目的MAC地址就應(yīng)該填寫的是路由器的某個接口的MAC地址，此時原主機(jī)就會去自己的ARP高速緩存表里面查找，若是空的，就會發(fā)送一個ARP的廣播請求，通過已知的路由器的某個接口的IP地址去找對應(yīng)的MAC地址，找到了，才可以將真正的數(shù)據(jù)報傳送過去。

(5) 第五步：點(diǎn)擊捕獲前進(jìn)，路由器收到廣播請求，路由器的ARP表多出來一條記錄，如圖18所示。這條記錄了原主機(jī)的IP地址以及MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。

圖18 路由器的ARP表多出來一條記錄

(6) 第六步：再次點(diǎn)擊捕獲前進(jìn)，發(fā)現(xiàn)路由器將單波響應(yīng)明確的經(jīng)過交換機(jī)發(fā)回給了原主機(jī)，這樣原主機(jī)就得到了與自己所在網(wǎng)絡(luò)相連的路由器的端口的IP地址以及MAC地址。如圖19所示。此時原主機(jī)的封裝成幀的以太網(wǎng)的首部的目的MAC地址就可以填寫了。此時就可以發(fā)送ICMP數(shù)據(jù)報，打開ICMP數(shù)據(jù)報如圖20所示。

圖19 原主機(jī)ARP表多了一條記錄

圖20 以太網(wǎng)幀封裝成功

(7) 第七步：點(diǎn)擊捕獲前進(jìn)，當(dāng)ICMP報文到達(dá)路由器之后，開始解封裝，主要目的是為了提取IP數(shù)據(jù)報中的目的IP地址，然后根據(jù)自己的路由表中所指向的下一跳進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果下一跳的地址為空，說明此時這個接口和目的主機(jī)屬于同一個網(wǎng)絡(luò)，可以直接交付，此時路由器將這個數(shù)據(jù)重新封裝成幀，此時幀的原MAC地址就應(yīng)該填寫當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)的這個端口的MAC地址，而目的MAC地址也是需要路由器去自己的ARP高速緩存表里查找的，若是沒有，那么路由器就會把封裝的數(shù)據(jù)幀（其中帶有ICMP報文）丟棄。緊接著就會發(fā)送ARP廣播請求來獲取。

(8) 第八步：點(diǎn)擊捕獲前進(jìn)，目的主機(jī)收到廣播請求，目的主機(jī)的ARP表多出來一條記錄，如圖21所示。這條記錄了路由器的某個端口的IP地址以及MAC地址的對應(yīng)關(guān)系，以備之后需要使用。

圖21 目的主機(jī)的ARP表多了一條記錄

(9) 第九步：點(diǎn)擊捕獲前進(jìn)，路由器收到目的主機(jī)發(fā)回來的單波響應(yīng)，路由器的ARP表多出來一條記錄，如圖22所示。這條記錄了目的主機(jī)的IP地址以及MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。但是最終目的主機(jī)還是沒有收到ICMP報，因?yàn)槁酚善鲗⑵鋪G棄了。

圖 22 路由器記錄目的主機(jī)IP及MAC地址

(10) 第十步：當(dāng)高速緩存表以及路由表里面都有相關(guān)的信息之后，此時再發(fā)送簡單的PDU，就可以很順利的到達(dá)目的主機(jī)了。

(11) 第十一步：至使用IP地址為192.168.16.2的主機(jī)ping一下IP地址為192.168.16.193的主機(jī)，如圖23所示?？偣瞤ing了四次，相當(dāng)于是發(fā)送了四個簡單的PDU，前兩次超時是因?yàn)榻?jīng)過了兩個路由器，每個路由器的高速緩存表里面都沒有相關(guān)信息，所以就丟了兩次數(shù)據(jù)報，丟棄原理上面說了，所以就超時了兩次。此時如果再ping一次的話，就不會出現(xiàn)超時的情況了。

圖 23 前兩次超時，后兩次成功

(12) 第十二步：對于主機(jī)而言，使用命令arp -d就可以成功清除自己的ARP高速緩存表，如果是交換機(jī)的話，就進(jìn)入命令行界面，然后輸入enable進(jìn)入特權(quán)指令，然后輸入指令clear mac-a可以清除交換機(jī)的MAC地址表，路由器也可以使用指令enable首先進(jìn)入特權(quán)模式，然后輸入指令clear arp，此時清除了高速緩存表和MAC地址表之后，就可以在仿真模式下再做一遍，以便更好地查看轉(zhuǎn)發(fā)流程。

四、 實(shí)驗(yàn)體會

1. 這兩個實(shí)驗(yàn)的步驟都遵循構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、跟蹤數(shù)據(jù)包和查看數(shù)據(jù)包這四個規(guī)則。

2. Cisco Packet Tracer 模擬器可以清晰地展示 PDU 在傳送過程，設(shè)備是如何處理 PDU 的。通過仿真?zhèn)魉瓦^程，有助于我們理解有關(guān)的知識。

3. 在學(xué)習(xí)IPv4地址的構(gòu)造與超網(wǎng)（無分類編制）時，我深刻體會到其靈活性和高效性。超網(wǎng)技術(shù)通過將多個小網(wǎng)絡(luò)合并為一個更大的網(wǎng)絡(luò)，從而減少路由表的大小，提高路由效率。這種方法打破了傳統(tǒng)的類A、類B、類C的限制，使得IP地址的分配更加靈活，能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理劃分，我了解到，超網(wǎng)的關(guān)鍵在于CIDR（無類別域間路由選擇），它允許使用任意長度的前綴，而不是固定的類劃分。這種靈活性使得網(wǎng)絡(luò)管理員能夠根據(jù)流量需求動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化資源利用。此外，超網(wǎng)還可以有效減少IP地址的浪費(fèi)，特別是在IP地址資源緊張的情況下，顯得尤為重要。

4. 在學(xué)習(xí)IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)流程時，我對網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜性和高效性有了更深刻的理解。數(shù)據(jù)包的發(fā)送始于源主機(jī)，通過協(xié)議棧逐層封裝，最終形成IP數(shù)據(jù)包。這一過程中，數(shù)據(jù)包攜帶了源地址和目標(biāo)地址，確保信息能夠準(zhǔn)確傳遞，轉(zhuǎn)發(fā)流程則涉及路由器的關(guān)鍵作用。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器時，路由器根據(jù)目標(biāo)地址查找路由表，決定最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑。這一過程不僅依賴于靜態(tài)路由配置，還可能涉及動態(tài)路由協(xié)議，確保網(wǎng)絡(luò)在變化時依然高效運(yùn)作。