一、实验目的

1.掌握ARP协议常用命令;

2.掌握ARP协议的工作过程；

3.掌握IP地址和MAC地址的关系；

二、实验要求

1.掌握ARP协议常用命令;

  见计算机网络实验教材-2.7网络命令

2.掌握ARP协议的工作过程；

(1)学习：视频学习Cisco Packet Tracer中的集线器和交换机的区别

(2)配置一个包括两个网络的互联网（可参照下图1），并将IP地址和MAC地址相应信息进行标记；

(3)网络1中某主机向本网络中某主机发送数据(例如PC5向PC6发送ICMP数据), 要求此时产生ARP请求数据包,查看ARP请求和应答的过程。查看和标记ARP请求包和ARP应答包的源MAC地址和目的MAC地址；查看ICMP数据包的源IP地址和目的IP地址；源MAC地址和目的MAC地址；

(4)网络1中某主机向网络2中某主机发送数据(例如PC5向PC9发送ICMP数据), 要求此时产生ARP请求数据包,查看ARP请求和应答的过程。查看和标记ARP请求包和ARP应答包的源MAC地址和目的MAC地址；查看ICMP数据包的源IP地址和目的IP地址；源MAC地址和目的MAC地址；

三、实验环境

(1)给出实验所用的拓扑图；

实验二拓扑图

(2)在拓扑图中，标注出每个设备(主要是PC、路由器)相应的信息（如IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器、MAC地址等，不同的实验，根据实验内容可有选择性的进行标注）

四、实验结果

1.掌握ARP协议常用命令;

  见计算机网络实验教材-2.7网络命令

2.掌握ARP协议的工作过程；

(1)学习：视频学习Cisco Packet Tracer中的集线器和交换机的区别

(2)配置一个包括两个网络的互联网（可参照下图1），并将IP地址和MAC地址相应信息进行标记；

(3)网络1中某主机向本网络中某主机发送数据(例如PC5向PC6发送ICMP数据), 要求此时产生ARP请求数据包,查看ARP请求和应答的过程。查看和标记ARP请求包和ARP应答包的源MAC地址和目的MAC地址；查看ICMP数据包的源IP地址和目的IP地址；源MAC地址和目的MAC地址；

PC1和PC2属于同一网络，现在使PC1向PC2发送消息，在起始状态下，PC1的ARP表中未包含目标IP地址的主机表项。因此，PC1发送ARP请求报文。由于交换机的转发表中没有目标主机的表项，所以在记录源主机的表项后，交换机进行洪泛转发。PC2主机成功接收到ARP请求报文，并回复ARP响应报文。交换机直接将响应报文交付给PC1主机。此时，交换机的转发表中还记录着PC2的表项。PC1获得目标主机的MAC地址后，正式发送ICMP报文。在这种情况下，转发交换机无需洪泛，而是直接进行交付。

同一网络通信结果图

由ARP图1，在ARP请求过程中，PC1发送了ARP请求报文。ARP数据包中，源MAC地址为PC1的MAC地址，目的MAC地址为0000.0000.0000.0000，因为此时PC1不知道PC2的MAC地址。源IP与目的IP是双方主机的IP地址。

ARP图1

继续由另外两张ARP图，两张图显示了PC2接受与发出报文的格式。在第一张图中，源MAC地址为PC1的MAC地址，目的MAC地址为0000.0000.0000.0000，因为此时PC2接收的是来自PC1的报文。在第二张图中，源MAC与源IP地址是PC2 的地址，目的地址是PC1 的地址。此时PC2记录了PC1的MAC地址。

ARP图2

ARP图3

下图是PC1知道目的MAC地址后发送的ICMP报文，由图此时PC1已知悉正确的目的MAC地址。

ICMP图1

这是PC2的回复报文，同样此时PC2知悉双方MAC地址。

ICMP图2

同样通过命令查看PC1、PC2的ARP表也可作为佐证。

PC1的ARP表

PC2的ARP表

(4)网络1中某主机向网络2中某主机发送数据(例如PC5向PC9发送ICMP数据), 要求此时产生ARP请求数据包,查看ARP请求和应答的过程。查看和标记ARP请求包和ARP应答包的源MAC地址和目的MAC地址；查看ICMP数据包的源IP地址和目的IP地址；源MAC地址和目的MAC地址；

注意在开始实验前，我们要先将路由器端口打开，为端口配置相应IP地址（如果使用图形界面配置后无法通信，可以使用命令再配置一遍，例如：ip address 192.168.0.4 255.255.255.0），设置主机的默认路由，不然会通信失败。使用arp -d清空路由表，否则主机不会发送ARP请求。现在使PC0向PC4发送ICMP数据，此时两个主机的ARP表均为空，产生了实验所需的ARP和ICMP数据包。

不同网段通信结果图

PC0发送的ARP请求包如下图，源MAC是PC0的地址，目的MAC未知。

ARP图4

PC4发送的ARP应答包如下图，源MAC地址是 PC4的地址，目的MAC地址是PC0的地址。PC0收到后两主机即可正常通信。

ARP图5

ICMP请求数据包如图，源IP地址是PC0的IP地址，目的IP地址是PC4的IP地址。源MAC地址是PC0的MAC地址，目的MAC地址是路由器端口0的MAC地址。

ICMP图3

ICMP应答数据包如图，源IP地址是PC4的IP地址，目的IP地址是PC0的IP地址。源MAC地址是PC4的MAC地址，目的MAC地址是路由器端口1的MAC地址。

ICMP图4

五、思考题

(1)上述步骤2.掌握ARP协议的工作过程的(4)完成后，哪些PC的缓存中拥有了PC5的IP地址与MAC地址的映射关系？

PC4

(2)主机使用ARP能查询到其他网段的MAC地址么？为什么？

主机使用ARP（地址解析协议）是在同一个局域网（同一网段）中进行的，因此无法直接查询到其他网段的MAC地址。下面是一些解释：

ARP是一种用于在IP地址和MAC地址之间建立映射的协议。当主机要发送数据到另一个主机时，它需要知道目标主机的MAC地址。在同一网段中，主机可以使用ARP广播来查询目标主机的MAC地址。主机发送一个ARP请求广播，询问该IP地址对应的MAC地址。如果目标主机位于同一网段上，它会响应ARP请求，将自己的MAC地址发送回去。

然而，当目标主机位于不同的网段时，主机无法直接使用ARP查询到其MAC地址。这是因为不同网段之间的通信需要经过路由器进行转发，而路由器会在数据包的转发过程中修改源MAC地址和目标MAC地址。当主机发送一个数据包到不同网段的目标主机时，它会将数据包的目标IP地址设置为目标主机的IP地址，但目标MAC地址会设置为路由器的MAC地址。

因此，主机在同一网段中可以使用ARP查询到其他主机的MAC地址，但无法直接查询到不同网段中主机的MAC地址。在跨网段通信时，主机需要知道默认网关（即路由器的IP地址），然后将数据包发送给路由器，由路由器进行进一步的转发操作。

(3)在上述步骤2.掌握ARP协议的工作过程的(4)中，如果所有设备的ARP表都是空的，则执行 PC5 ping PC9一共出现了几次ARP请求？分别是谁发送的，请求的是谁（哪个IP地址）的MAC地址？

2次。PC0请求路由器与其接口的MAC地址和PC4请求路由器与其接口的MAC地址

(4)在上述步骤2.掌握ARP协议的工作过程的(4)中，PC5 ping PC9时，数据传输经过了哪些设备？ICMP数据包的源IP地址和目的IP地址；源MAC地址和目的MAC地址是否发生了变化，如果有变化，发生了怎样的变化？

经过了交换机和路由器。

源IP地址和目的IP地址没有发生变化。（源IP地址是PC0的IP地址，目的IP地址是PC4的IP地址。）

源MAC地址和目的MAC地址发生了变化。（在经过路由器之前，源MAC地址是PC0的MAC地址，目的MAC地址是与PC0相连的路由器端口的MAC地址；经过路由器之后，目的MAC地址是PC4的MAC地址，源MAC地址是与PC4相连的路由器端口的MAC地址。）

六、实验心得体会

当我完成了这个实验后，我对ARP协议以及IP地址和MAC地址之间的关系有了更深刻的理解。以下是我从实验中得出的心得体会：

1. ARP协议的作用与重要性：ARP协议在局域网中扮演着至关重要的角色。通过将IP地址映射到对应的MAC地址，ARP协议使得主机能够准确地发送数据包，并实现网络通信。这个实验让我深刻认识到ARP协议在网络中的必要性。

2. ARP请求和应答的过程：通过观察实验中的ARP请求和应答数据包，我更加清楚地了解了ARP协议的工作过程。当一个主机需要发送数据包到另一个主机时，它会先查询本地的ARP缓存，如果没有找到对应的MAC地址，就会发送ARP请求广播来询问目标主机的MAC地址。目标主机在接收到ARP请求后，会发送ARP应答包，将自己的MAC地址回复给请求的主机。这个过程让我深入了解了ARP协议中请求和应答的交互过程。

3. IP地址与MAC地址的关系：实验中，我将IP地址和MAC地址进行了标记，并观察了ARP请求包和应答包中的源MAC地址和目的MAC地址。这使我更加清楚地认识到IP地址与MAC地址之间的对应关系。ARP协议通过查询ARP缓存或发送ARP请求来获取目标主机的MAC地址，以确保数据包能够准确地发送到目标主机。

4. 跨网络通信的挑战：在实验中，我尝试了在不同网络（不同网段）中进行通信。我意识到在这种情况下，主机需要通过ARP请求来获取路由器的MAC地址，以便进行数据包的转发。这个过程让我更加了解了跨网络通信的原理和挑战，以及路由器在数据包转发中的重要作用。

5. 熟练掌握常用的ARP命令：通过实验，我掌握了常用的ARP命令，如查看ARP缓存、手动添加静态ARP条目等。这些命令对于网络故障排查和管理网络设备非常有帮助。我相信这些技能将在我未来的网络配置和管理工作中发挥重要作用。

通过这个实验，我不仅加深了对ARP协议和地址解析过程的理解，还提高了网络配置和故障排查的能力。我希望能够运用这些知识和技能，更好地应对各种网络问题，并为构建稳定和高效的网络做出贡献。