TCPIP协议实验指导书.docx
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TCPIP协议实验指导书
电子科技大学通信学院
《TCP/IP协议》
实验指导书
杨宁编写
2009年10月
实验拓扑说明
为了减少其他网络通信对实验现象和实验数据的干扰，本课程实验1～3使用Dynamips和VMwareWorkstation模拟构建如下所示的一个虚拟实验拓扑，其中子网A和子网B的拓扑结构是固定的，网络云的拓扑结构则随各个具体实验需求而变化。
实验拓扑中的所有路由器均由Dynamips软件模拟实现，计算机PC1、PC2、PC3和PC4是由VMwareWorkstation软件实现的WindowsXP虚拟机，Server是由VMwareWorkstation软件实现的WindowsServer2003虚拟机，以太网Ethernet1和Ethernet2由提供集线器功能的虚拟网卡VMnet1和VMnet2模拟实现。
实验1：
IP分组交付和ARP协议
【实验目的】
1、掌握IP子网划分技术、IP地址分配原则，以及特殊IP地址的特征和作用
2、理解掌握直接交付与间接交付IP分组过程中的路由选择、ARP解析和以太网封装技术
3、分析子网划分对IP分组交付的影响
【预备知识】
1、IP地址、MAC地址、子网和掩码的概念
2、掩码运算：
确定IP网络（或子网）及其范围
3、以太网原理和帧结构
【实验原理】
IP子网中使用一个32比特的掩码来标识一个IP地址的网络/子网部分和主机部分。
将IP地址和掩码进行“位与”运算后可以得到该IP地址所在IP子网的子网地址，结合掩码中0比特个数可以确定该IP子网的IP地址空间范围。
根据IP地址所在IP子网的子网地址及其掩码，可以判断这些IP地址是否属于同一个IP子网。
IP地址空间中定义了一些特殊地址：
●网络/子网地址：
标识一个IP网络或子网。
●直接广播地址：
表示该分组应由特定网络上的所有主机接收和处理。
●受限广播地址：
表示该分组应由源所在网络或子网上的所有主机接收和处理。
●本网络上本主机地址：
表示主机自己。
●环回地址：
用来测试机器的协议软件。
IP分组被交付到最终目的地有两种不同的交付方式：
直接交付和间接交付。
交付时首先通过路由选择技术确定交付方式：
如果IP分组的目的与交付者在同一个IP网络上，就直接交付该分组至目的站点；如果IP分组的目的与交付者不在同一个IP网络上，就间接交付该分组至下一个路由器（即下一跳站点）。
在以太网上，IP分组是封装在以太帧中发送的，因此发送时除了要有接收站的IP地址（IP分组中的目的IP地址）外，还需要接收站的MAC地址（以太网帧中的目的MAC地址）。
ARP协议（RFC826）实现了IP地址（逻辑地址）到MAC地址（物理地址）的动态映射，并将所获得的映射存放在ARP高速缓存表中。
不同的交付方法将导致不同的ARP解析操作，获取不同的目的物理地址。
直接交付时，交付者直接将IP分组交付给该分组的目的站点，因此交付者使用ARP协议找出IP分组中目的IP地址对应的物理地址。
间接交付时，交付者需要将IP分组交付给下一跳站点，而不是该IP分组的目的端，因此交付者使用ARP协议找出下一跳站点IP地址对应的物理地址。
IP网络是一个逻辑网络，一个物理网络可以被逻辑划分成若干个IP网络。
两个IP网络之间的通信必须经由路由器中继，未经路由器互连的两个IP网络即使在同一物理网中也不能通信。
主机的默认网关地址就是连接该主机所在IP网络的路由器接口的IP地址。
【实验内容】
实验拓扑中VMware虚拟机PC1、PC2、PC3和PC4分别位于由提供集线器功能的虚拟网卡VMnet1和VMnet2模拟实现的两个以太网Ethernet1和Ethernet2中，这两个以太网对应的IP子网A和子网B分别连在Dynamips软件模拟实现的路由器R1和R2的F0/0接口上。
R1和R2之间通过PPP链路互联。
R1、R2、PC2、PC3和PC4的网络连接均已配置。
实验者首先在PC1上配置其网络连接，并配合通信测试命令（ping）来检验特殊IP地址的用途以及IP子网设置对同一物理网内计算机间通信的影响，从而理解并掌握子网地址、子网广播地址和主机地址的概念、特征与用途。
然后在PC1上使用ping命令分别进行IP子网内通信和IP子网间通信，通过ARP缓存表操作命令、Dynamips软件的分组捕获功能以及Wireshark软件的捕获分组查看功能，分析IP分组的直接交付、间接交付操作和路由器的作用，掌握ARP协议的工作原理，以及IP分组投递过程中源/目的IP地址与源/目的MAC地址的特征，理解IP子网对IP分组交付的影响。
【实验步骤】
1、依次启动VMwareWorkstation中TCPIP组内的虚拟机PC1、PC2、PC3和PC4，使用ipconfig命令查看并记录这4台PC的网络连接信息，在PC1上pingPC2的IP地址，记录并分析ping的结果。
2、设置PC1的子网掩码为255.255.255.0，然后将其IP地址分别设为192.168.11.0、192.168.11.255，记录并分析设置结果。
3、根据实验拓扑中的各子网信息以及步骤1中记录的PC2、PC3、PC4的网络连接信息，配置PC1的IP地址、子网掩码和默认网关，使得PC1能够ping通PC2，并在PC1上分别pingPC3和PC4的IP地址，记录并分析ping的结果。
4、在PC1上分别ping以下8个IP地址：
0.0.0.0、255.255.255.255、192.168.11.0、192.168.11.255、127.0.0.0、127.0.0.1、127.0.0.10、127.255.255.255，记录并分析ping的结果。
5、启动DynamipsServer，然后运行，在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令启动路由器R1和R2，并进入其CLI：
=>startR1
=>startR2
=>conR1
=>conR2
6、分别在R1的CLI提示符“R1>”后以及R2的CLI提示符“R2>”后输入“showarp”命令查看并记录两台路由器当前的ARP缓存表，例：
R1>showarpR2>showarp
7、在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令捕获子网A、子网B和子网C中的分组：
=>captureR1f0/0a.cap
=>captureR2f0/0b.cap
=>captureR2s1/0c.capPPP
8、分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp-d*”清空四台PC上的ARP缓存表，然后使用命令“arp-a”查看并记录清空操作后的ARP缓存表。
9、在PC1上pingPC2的IP地址，记录ping回应信息。
ping结束后分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp-a”、在R1和R2的CLI上使用命令“showarp”查看并记录四台PC和两台路由器的ARP缓存表。
10、在PC1上pingPC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping结束后分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp-a”、在R1和R2的CLI上使用命令“showarp”查看并记录四台PC和两台路由器的ARP缓存表。
11、在PC1上pingPC4的IP地址，记录ping回应信息。
ping结束后分别在PC1、PC2、PC3、PC4上使用命令“arp-a”、在R1和R2的CLI上使用命令“showarp”查看并记录四台PC和两台路由器的ARP缓存表。
12、在PC1上ping子网A内一台不存在主机的IP地址，记录ping回应信息。
ping结束后在PC1上使用命令“arp-a”查看并记录其的ARP缓存表。
13、在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令停止捕获子网A、子网B和子网C中的分组：
=>nocaptureR1f0/0
=>nocaptureR2f0/0
=>nocaptureR2s1/0
14、用Wireshark软件查看并分析捕获的分组文件（a.cap、b.cap和c.cap）中的ARP和ICMP分组，查看过滤条件为“arp||icmp”（在Wireshark主窗口界面“过滤工具栏”的“Filter：
”域中输入）。
15、实验结束后，按照以下步骤关闭实验软件、上传实验数据、还原实验环境：
（1）关闭R1、R2的CLI窗口，在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令关闭Dynagen窗口，然后再关闭DynamipsServer窗口：
=>stop/all
=>exit
（2）将PC1的网络连接设置为“自动获得IP地址”，然后依次关闭PC1、PC2、PC3和PC4，关闭VMware窗口；
（3）运行所在目录下的“reset.bat”文件。
【实验数据和结果分析】
1、记录实验中PC1、PC2、PC3和PC4的网络连接。
PC1
PC2
PC3
PC4
步骤1
步骤3
IP地址
子网掩码
默认网关
【分析】PC1在步骤1和步骤3中是否与PC2、PC3、PC4在一个IP子网中？
为什么？
2、记录实验中PC1的ping通信结果。
步骤
目的主机
PING回应信息
能否通信
1
PC2
3
PC2
PC3
PC4
4
0.0.0.0
255.255.255.255
192.168.11.0
192.168.11.255
127.0.0.0
127.0.0.1
127.0.0.10
127.255.255.255
9
PC2
10
PC3
11
PC4
12
本子网内不存在的主机
说明：
因Dynamips软件模拟问题，在步骤10和步骤11中R2不会转发PC1发给PC3和PC4的第1个ping测试请求报文，故实验中请忽略该报文。
【分析】PC1在什么情况下能与PC2、PC3、PC4通信？
3、记录实验中PC1、PC2、PC3、PC4、R1和R2的ARP缓存表项：
步骤6：
使用“showarp”命令查看R1和R2当前的ARP缓存表
IP地址
MAC地址
Interface
R1
R2
步骤8：
使用“arp–a”命令查看清空操作后PC1～PC4的ARP缓存表
IP地址
MAC地址
Interface
PC1
PC2
PC3
PC4
步骤9：
PC1pingPC2后，R1、R2和PC1～PC4的ARP缓存表
IP地址
MAC地址
Interface
R1
R2
PC1
PC2
PC3
PC4
步骤10：
PC1pingPC3后，R1、R2和PC1～PC4的ARP缓存表
IP地址
MAC地址
Interface
R1
R2
PC1
PC2
PC3
PC4
步骤11：
PC1pingPC4后，R1、R2和PC1～PC4的ARP缓存表
IP地址
MAC地址
Interface
R1
R2
PC1
PC2
PC3
PC4
步骤12：
PC1ping本子网内一台不存在的主机后，PC1的ARP缓存表
IP地址
MAC地址
Interface
PC1
说明：
如果某个步骤中某设备的ARP缓存表为空，则填写“无”。
如果某个步骤中某设备有多条ARP缓存表项，则要填写每一条表项。
【分析】
1）每台PC的ARP缓存表中能否有其它IP子网中PC的地址映射？
为什么？
2）在实验中PC2的ARP缓存表中能否会有其默认网关192.168.11.254的地址映射？
为什么？
3）如果步骤11中出现了某条ARP表项消失的情况，原因可能是什么？
4、记录步骤9、步骤10、步骤11、步骤12中捕获的分组信息：
步骤：
PC1ping
子网A
ARP请求
以太帧头
源地址
目的MAC
ARP分组
发方MAC
目标MAC
发方IP
目标IP
ARP响应
以太帧头
源MAC
目的MAC
ARP分组
发方MAC
目标MAC
发方IP
目标IP
ICMP回送请求
以太帧头
源MAC
目的MAC
IP分组头
源IP
目的IP
ICMP回送应答
以太帧头
源MAC
目的MAC
IP分组头
源IP
目的IP
子网B
ICMP回送请求
PPP帧头
地址
IP分组头
源IP
目的IP
ICMP回送应答
PPP帧头
地址
IP分组头
源IP
目的IP
子网C
ARP请求
以太帧头
源地址
目的MAC
ARP分组
发方MAC
目标MAC
发方IP
目标IP
ARP响应
以太帧头
源MAC
目的MAC
ARP分组
发方MAC
目标MAC
发方IP
目标IP
ICMP回送请求
以太帧头
源MAC
目的MAC
IP分组头
源IP
目的IP
ICMP回送应答
以太帧头
源MAC
目的MAC
IP分组头
源IP
目的IP
说明：
MAC和IP地址可用对应的设备标识填写（如“R1f0/0”、“PC1”），如果无对应的设备标识，则填写16进制MAC地址或点分十进制IP地址；
如果某个步骤中某子网内没有捕获到相应类型的分组，则填写“无”。
【分析】
1）4个步骤中是否在子网A、B和C中都有ARP分组？
为什么？
2）4个步骤中PC1是否每次都发出了封装着ICMP报文的IP分组？
为什么？
3）4个步骤中PC1是否每次都收到了封装着ICMP报文的IP分组？
为什么？
4）如果PC1、PC2和路由器R1之间采用以太网交换机连接，那么在步骤9中R1能否捕获到PC1pingPC2时产生的ARP请求分组、ARP响应分组以及ICMP回送请求报文和ICMP回送应答报文？
为什么？
5）步骤10中路由器R1和R2在转发源为PC1、目的为PC3的IP分组时，分别采用的是直接交付还是间接交付？
为什么？
【实验结论】
1、根据步骤2和4，总结本实验中所有特殊IP地址的地址结构特征，以及它们在通信中的使用情况。
2、总结主机发送IP分组时的直接交付和间接交付操作过程，以及过程中ARP协议和ARP缓存表的具体操作步骤。
3、总结当源和目的主机间跨越多个IP网络时，它们的IP分组在交付过程中源和目的IP地址的变化情况，以及封装该分组的数据帧的源和目的MAC地址的变化情况。
实验2：
排错工具－Ping和Trace
【实验目的】
1、了解网络连通性测试的方法和工作原理
2、了解网络路径跟踪的方法和工作原理
3、掌握MTU的概念和IP分片操作
4、掌握IP分组生存时间（TTL）的含义和作用
5、掌握路由表的作用和路由查找算法
【预备知识】
1、ICMP原理和作用
2、Windows系统中的Ping命令及其各种选项
3、Windows中的Tracert命令及其各种选项
【实验原理】
“PING”这个名字源于声纳定位操作。
PING程序的目的是测试另一台主机是否可达，它发送ICMP回送请求报文给被测主机，并等待返回的ICMP回送应答或差错报告报文。
ICMP协议（RFC792）是IP协议的辅助协议，提供差错报告和查询机制。
一台主机的可达性不仅取决于IP层是否可达，还取决于使用的高层协议及端口号。
仅当被测主机可达时，PING程序才能收到返回的ICMP回送应答报文，并能测出到该主机的往返时间。
如果被测主机不可达，PING程序会收到一些ICMP差错报告报文，甚至收不到任何返回信息。
根据ICMP差错报告报文的类型可粗略判定主机不可达的原因。
不同的物理网络具有不同的最大传送单元（MTU）值，因此可能需要对IP分组进行分片操作使其能够通过这些物理网络。
当IP分组被分片时，需要修改分组头中的标志、分片偏移和总长度值，其余各字段将被复制到所有分片中。
已经分片的IP分组在遇到具有更小MTU的网络时还会被再次分片。
TTL字段是由发送端初始设置在IP分组首部中的一个8bit字段，不同操作系统上的不同应用程序指定的TTL初始值不同。
路由器在转发每个IP分组时需要将该分组的TTL值减1或减去该分组在路由器中停留的秒数。
由于大多数路由器转发IP分组的时延都小于1秒钟，因此TTL最终成为一个跳站计数器，即分组每经过一台路由器其TTL值被减1。
TTL字段的目的是为了防止分组在选路时被无休止的转发。
当路由器收到一份需转发的IP分组时，如果该分组的TTL值为1，路由器则丢弃该分组，并向分组源发送一份ICMP的TTL超时报文。
TRACE程序使用IP分组首部的TTL字段（生存时间）和ICMP报文，让使用者可以看到IP分组从一台主机传到另一台主机所经过的路由。
TRACE程序首先发送一份TTL值为1的IP分组给目的主机，处理该IP分组的第1个路由器即会返回一份以自己的IP地址为源的携带有ICMP超时报文的IP分组，这样TRACE程序就得到了该路径中第1个路由器的IP地址。
然后，TRACE程序发送一份TTL值为2的IP分组，同样又可获得该路径中第2个路由器的IP地址。
TRACE程序不断增加所发送IP分组的TTL值直至IP分组到达目的主机，即可获得到目的主机所经过的每一个路由器地址。
但是，IP分组的目的主机不处理该分组的TTL值，即使收到TTL值为1的IP分组也不会丢弃该分组并产生一份ICMP超时报文。
因此，TRACE程序必须判断IP分组是否已到达目的主机，不同操作系统上的TRACE程序的判断方法不同。
目前通常有两种实现方法：
一种是利用“端口不可达”的ICMP差错报文，另一种则是使用ICMP回送请求和回送应答报文。
在前一种方法中，TRACE程序发给目的主机的IP分组中携带的是一份UDP数据报，该UDP数据报的目的端口是一个目的主机上任一应用程序都不可能使用的UDP端口（通常大于30000）。
当该IP分组到达目的主机时，目的主机的UDP模块会产生一份“端口不可达”的ICMP差错报文返回给TRACE程序。
这样，TRACE程序即可根据收到的ICMP报文是超时还是端口不可达来判断何时结束。
在后一种方法中，TRACE程序发给目的主机的IP分组中携带的是ICMP回送请求报文。
当该IP分组到达目的主机时，目的主机即会返回一份ICMP回送应答报文给TRACE程序。
这样，TRACE程序即可根据收到的ICMP报文是超时还是回送应答来判断何时结束。
【实验内容】
实验拓扑中VMware虚拟机PC2、PC3和PC4（未开机）分别位于由提供集线器功能的虚拟网卡VMnet1和VMnet2模拟实现的两个以太网Ethernet1和Ethernet2中，这两个以太网对应的IP子网A和子网B分别连在Dynamips软件模拟实现的路由器R1和R2的F0/0接口上。
R1和R2经由Dynamips软件模拟实现的路由器R3和R4互联，R1、R2、R3和R4之间运行OSPF路由协议，没有缺省路由。
实验者在PC2上使用通信测试命令（ping）和路径跟踪命令（tracert），结合Dynamips软件的分组捕获功能以及Wireshark软件的捕获分组查看功能，测试子网A、B之间的连通性和通信路径，考察IP地址和分组长度对网络间通信的影响以及IP分组生存时间（TTL）对网络间IP分组交付的影响，体会ICMP协议的差错报告机制，理解并掌握PING和TRACE的工作原理和操作命令。
【实验步骤】
1、依次启动VMwareWorkstation中TCPIP组内的虚拟机PC2和PC3。
（注：
不开启PC4）
2、启动DynamipsServer，然后运行，在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令启动路由器R1、R2、R3和R4：
=>startR1
=>startR2
=>startR3
=>startR4
3、在PC2上使用“routeprint”命令查看并记录该主机的路由表。
4、在PC2的cmd窗口键入“ping”命令，查看并记录选项-n、-l、-f的含义和功能。
然后在PC2上pingPC3的IP地址确保整个实验网络运行正常。
5、在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令捕获子网A和子网B中的分组：
=>captureR1f0/0aping.cap
=>captureR2f0/0bping.cap
6、在PC2上使用-n选项pingPC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping-n1
7、在PC2上使用-n和-l选项pingPC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping-n1-l1500
8、在PC2上使用-n、-l和-f选项pingPC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping-n1-l1500-f
9、在PC2上ping未开机的PC4，记录ping回应信息。
ping-n1192.168.22.4
10、在PC2上ping10.1.1.1，记录ping回应信息。
ping-n110.1.1.1
11、在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令重新捕获子网A和子网B的分组：
=>nocaptureR1f0/0
=>nocaptureR2f0/0
=>captureR1f0/0atrace.cap
=>captureR2f0/0btrace.cap
12、在PC2上tracePC3的IP地址，记录trace回应信息。
tracert
13、在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令停止捕获子网A和子网B中的分组：
=>nocaptureR1f0/0
=>nocaptureR2f0/0
14、用Wireshark软件查看并分析捕获的分组文件（aping.cap、bping.cap、atrace.cap、btrace.cap）中的ping和trace通信分组，查看过滤条件为“ip.proto==1”（在Wireshark主窗口界面“过滤工具栏”的“Filter：
”域中输入）。
15、实验结束后，按照以下步骤关闭实验软件、上传实验数据、还原实验环境：
（1）在Dynagen窗口中提示符“=>”后依次输入以下命令关闭Dynagen窗口，然后再关闭DynamipsServer窗口：
=>stop/all
=>exit
（2）依次关闭PC2和PC3，再关闭VMware窗口；
（3）运行所在目录下
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