HNU_计算机网络_实验4（2021级）-网络层与链路层协议分析（PacketTracer）
网络层与链路层协议分析（PacketTracer）一、实验目的通过本实验，进一步熟悉PacketTracer的使用，学习路由器与交换机的基本配置，加深对网络层与链路层协议的理解。二、实验内容了解路由器交换机的基本配置，使用 Packet Tracer 捕获并研究 ICMP 报文，检查ARP交换。打开“《计算机网络》基础实验指导书2023”中的实验四的实验文件，按提示完成实验。使用的网络中包含一台通
通过本实验，进一步熟悉PacketTracer的使用，学习路由器与交换机的基本配置，加深对网络层与链路层协议的理解。
二、实验内容
了解路由器交换机的基本配置，使用 Packet Tracer 捕获并研究 ICMP 报文，检查ARP交换。
2.1 完成路由器交换机的基本配置
打开“《计算机网络》基础实验指导书2023”中的实验四的实验文件，按提示完成实验。
2.2 了解 ICMP 数据包的格式
使用的网络中包含一台通过路由器连接到服务器的 PC，并且捕获从 PC 发出的 ping 命令的输出。
2.3 检查ARP交换
使用 Packet Tracer 的 arp 命令，使用 Packet Tracer 检查 ARP 交换，捕获并评估 ARP 通信。
三、实验步骤
1.路由器的基本配置
（1）打开“4.路由器的一些基本配置.pkt”
（2） 输入命令
①show version
此命令结果包含有网络设备操作系统IOS版本，IOS映像文件，存储器大小，接口类型及配置登记值等信息。
②Enable
输入指令，以及相应解释如下：
|
R1> enable |
进入特权模式，可以进行配置查看 |
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R1# configure terminal Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. |
进入全局模式，用户可以对路由器进行配置 |
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R1(config)# hostname R1 |
将路由器主机名修改为R1 |
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R1(config)# no ip domain-lookup |
关闭域名解释 |
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R1(config)# line console 0 |
进入终端配置模式 |
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R1(config-line)# logging synchronous |
设置输入同步(输入时，IOS的系统提醒或日志不会打断输入). |
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R1(config-line)# exec-timeout 2000 |
设置会话时间,不做任何操作，20分后断开 |
|
R1(config-line)# end R1# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
2.静态路由
静态路由：管理员可以通过手工的方法在路由器中直接配置路由表。
路由器有三种途径建立路由：
- 直连网络：路由器自动添加，自己直接连接的网络的路由；
- 静态路由：管理员手动输入到路由器的路由；
- 动态路由：由路由协议动态建立的路由；
静态路由的缺点：不能动态反映网络拓扑，当网络拓扑发生变化时，管理员就必须手工改变路由表；
静态路由的优点：不会占用路由器太多的CPU 和RAM 资源，也不占用线路的带宽。简单、路由器负载小、可控性强。
（1）打开“8.静态路由.pkt”
配置静态路由的命令格式如下：
|
ip route 目的网络 掩码 { 网关地址 | 接口 } |
例：ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 s0/0
例：ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 12.12.12.2
在写静态路由时，如果链路是点到点的链路（例如PPP 封装的链路），采用网关地址和接口都是可以的；
然而如果链路是多路访问的链路（例如以太网），则只能采用网关地址，即不能：ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 f0/0。
（2）配置静态路由
①路由器0
|
R1>enable R1#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R1(config)#hostname R1 R1(config)#int loopback0 R1(config-if)#ip address 1.1.1.1 255.255.255.0 R1(config-if)#exit R1(config)#int s2/0 R1(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 R1(config-if)#no shutdown R1(config-if)#clock rate 64000 R1(config-if)#ip route 2.2.2.0 255.255.255.0 s2/0 //下一跳为接口形式，s2/0是点对点的链路，注意应该是R1上的s2/0接口 R1(config)#ip route 3.3.3.0 255.255.255.0 192.168.1.2 //下一跳为IP地址形式，192.168.1.2 是R2上的IP地址 R1(config)#end R1# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
②路由器1
|
R2>en R2#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R2(config)#int loopback0 R2(config-if)#ip add 2.2.2.2 255.255.255.0 R2(config-if)#exit R2(config)#int s2/0 R2(config-if)#ip add 192.168.1.2 255.255.255.0 R2(config-if)#no shutdown R2(config-if)#exit R2(config)#int s3/0 R2(config-if)#ip add 192.168.100.1 255.255.255.0 R2(config-if)#no shutdown R2(config-if)#clock rate 64000 R2(config-if)#ip route 1.1.1.0 255.255.255.0 s2/0 R2(config)#ip route 3.3.3.0 255.255.255.0 s3/0 R2(config)#end R2# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
③路由器2
|
R3>en R3#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R3(config)#hostname R3 R3(config)#int loopback0 R3(config-if)#ip address 3.3.3.3 255.255.255.0 R3(config-if)#exit R3(config)#int s2/0 R3(config-if)#ip address 192.168.100.2 255.255.255.0 R3(config-if)#no shutdown R3(config-if)#end R3# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
（3）在R1上进行Ping测试
|
R1>en R1#ping Protocol [ip]: Target IP address: 2.2.2.2 Repeat count [5]: Datagram size [100]: Timeout in seconds [2]: Extended commands [n]: y Source address or interface: 1.1.1.1 Type of service [0]: Set DF bit in IP header? [no]: Validate reply data? [no]: Data pattern [0xABCD]: Loose, Strict, Record, Timestamp, Verbose[none]: Sweep range of sizes [n]: Type escape sequence to abort. Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2.2.2.2, timeout is 2 seconds: Packet sent with a source address of 1.1.1.1 !!!!! Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 1/2/5 ms |
终端运行结果如下：
能够ping通2.2.2.2，因此配置信息无误。
3.子网划分
（1）打开“15.子网划分.pkt”
（2）子网划分的公式及举例
划分子网的一些公式：
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说明 |
公式 |
|
子网掩码产生子网个数 |
|
|
每个子网的主机个数 |
|
|
有效子网号（block size） |
256-十进制的子网掩码 |
|
每个子网的广播地址 |
下个子网号-1 |
|
每个子网的有效主机 |
忽略子网内全为0和全为1的地址剩下的即有效主机地址。 最后有效的1个主机地址=下个子网号-2（即广播地址-1） |
划分子网的例子：
实验文件中对网络192.168.10.0/24进行划分。
|
说明 |
公式-计算结果 |
|
子网掩码产生子网个数 |
2^2=4 |
|
每个子网的主机个数 |
2^6-2=62 |
|
有效子网 |
block size=256-192=64， 第一个子网: 192.168.10.0， 第二个子网: 192.168.10.64， 第三个子网: 192.168.10.128, 最后一个: 192.168.10.192 |
|
每个子网的广播地址 |
第一个子网:192.168.10.63， 第二个子网:192.168.10.127， 第三个子网:192.168.10.191， 最后一个: 192.168.10.255。 |
|
每个子网的有效主机 |
第一个子网: 192.168.10.1到192.168.10.62, 第二个子网: 192.168.10.65到192.168.10.126, 第三个子网: 192.168.10.129到192.168.10.190, 最后一个子网: 192.168.10.193到192.168.10.254 |
4.配置RIP
（1）打开“16.配置RIP.pkt”
路由选择信息协议（RIP/RIP2/RIPng：Routing Information Protocol）:
|
路由协议 |
默认管理距离 |
|
直连网络 |
0 |
|
静态路由 |
1 |
|
EIGRP（internal） |
90 |
|
IGRP |
100 |
|
OSPF |
110 |
|
RIPv1/RIPv2 |
120 |
管理距离越小，可信度越高，优先采用可信度高的路由协议。
（2）配置路由R1-R4
①R1
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R1>enable R1#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R1(config)#router rip R1(config-router)#network 192.168.1.0 R1(config-router)#end R1# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
②R2
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R2>enable R2#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R2(config)#router rip R2(config-router)#network 192.168.1.0 R2(config-router)#network 172.16.0.0 R2(config-router)#end R2# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
③R3
|
R3>enable R3#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R3(config)#router rip R3(config-router)#network 172.16.0.0 R3(config-router)#network 10.0.0.0 R3(config-router)#end R3# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
④R4
|
R4>enable R4#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. R4(config)#router rip R4(config-router)#network 10.0.0.0 R4(config-router)#end R4# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
5.交换机的基本配置
（1）打开“11.交换机的基本配置.pkt”
交换机的作用：维护CAM（ContextAddress Memory）表——MAC地址和交换机端口的映射表；根据CAM 来进行数据帧的转发。
交换机对帧的处理有三种：
- Forword：交换机收到帧后，查询CAM 表，如果能查询到目的计算机所在的端口，且目的计算机所在的端口不是交换机接收帧的源端口，交换机将帧从该端口转发出去；
- Filter：如果该计算机所在的端口和交换机接收帧的源端口是同一端口，交换机将过滤掉该帧；
- Flood：如果交换机不能查询到目的计算机所在的端口，交换机将把帧从源端口以外的其他所有端口上发送出去，这称为泛洪，当交换机接收到的是帧是广播帧或者多播帧，交换机也会泛洪帧。
以太网交换机转发数据帧有三种交换方式：
（1）存储转发（Store-and-Forward）
把从端口输入的数据帧先全部接收并存储起来；然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，把错误帧丢弃；最后才取出数据帧目的地址，查找地址表后进行过滤和转发。
存储转发方式延迟大；但是它可以对进入交换机的数据包进行高级别的错误检测。这种方式可以支持不同速度的端口间的转发。
（2）直接转发（Cut-Through）
交换机在输入端口检测到一个数据帧时，检查该帧的帧头，只要获取了帧的目的地址，就开始转发帧。
优点：开始转发前不需要读取整个完整的帧，延迟非常小。
缺点：不能提供错误检测能力。
（3）无碎片（Fragment-Free）
改进后的直接转发，介于前两者之间的一种解决方法。
无碎片法在读取数据帧的长前64个字节后就开始转发该帧。这种方式虽然不提供数据校验，但是能够避免多数的错误。
数据处理速度比直接转发方式慢，但比存储转发方式快。
（2）交换机的基本配置
①交换机配置类似路由器配置
|
S1>enable S1#conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. S1(config)#hostname R1 R1(config)#no ip domain-lookup R1(config)#line console 0 R1(config-line)#logging synchronous R1(config-line)#exec-timeout 1000 R1(config-line)#end R1# %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console |
终端运行结果如下：
②交换机SW1配置
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SW1>enable SW1#config t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. SW1(config)#enable secret cisco // (MD5加密密码) SW1(config)#line vty 0 15 //(配置VTY口令 用于TELNET) SW1(config-line)#password cisco SW1(config-line)#login SW1(config-line)#interface f0/1 SW1(config-if)#duplex auto // (双工协商模式为自动) SW1(config-if)#speed auto //(速率协商模式为自动) SW1(config-if)#exit SW1(config)#int vlan 1 SW1(config-if)#ip add 192.168.1.254 255.255.255.0 SW1(config-if)#no shutdown SW1(config-if)#exit SW1(config)#ip default-gateway 192.168.1.100 |
终端运行结果如下：
③交换机端口-安全配置
当非法MAC地址的设备接入时，自动关闭接口或拒绝非法设备接入，也可以限制某个端口上的最大MAC地址数。以下是实验给出的交换机端口安全配置：
|
SW1#config t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. SW1(config)#int f0/1 SW1(config-if)#switch mode access //端口访问模式 SW1(config-if)#switch port-security //打开端口安全功能 SW1(config-if)#switch port-sec max 1 //只允许一个设备接入 SW1(config-if)#switch port-sec violation shutdown SW1(config-if)#switch port-sec violation protect /* violation选项共有三种：protect(超过最大数量后，新设备无法接入)，shutdown(超过最大数量后，端口关闭，需要no shutdown命令重新打开)，restrict(超过最大数量后，新设备可以接入，但交换机会向其发送警告信息) */ SW1(config-if)#switch port-sec mac-add 0001.63e.9702 //允许R1路由器从接口接入 Total secure mac-addresses on interface FastEthernet0/1 has reached maximum limit. SW1(config-if)#shutdown SW1(config-if)# %LINK-5-CHANGED: Interface FastEthernet0/1, changed state to administratively down %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/1, changed state to down %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Vlan1, changed state to down |
终端运行结果如下：
6.了解 ICMP 数据包的格式
ICMP因特网控制报文协议被主机和路由器用来沟通网络层的信息。典型的用途是差错报告，包括目的网络不可达，目的主机不可达等。
常用的ping程序也使用的是ICMP报文，发送一个回显请求，目的主机会发送一个回显回答。
任务：使用 Packet Tracer 捕获并研究 ICMP 报文，使用的网络中包含一台通过路由器连接到服务器的 PC，并且捕获从 PC 发出的 ping 命令的输出。
实验拓扑图：
（1）PC0的IP配置：
（2）路由器配置：
（3）服务器0配置：
（4）捕获 ICMP报文：
- 进入 Simulation（模拟）模式。Event List Filters（事件列表过滤器）设置为只显示 ICMP 事件。
- 打开PC0的命令提示符，输入ping 192.168.254.254：
单击 Auto Capture/Play（自动捕获/播放）按钮，收到 “No More Events”（没有更多事件）消息时单击 OK（确定）。
（5）数据包分析-事件列表
Packet Tracer 只显示 TYPE（类型）和 CODE（代码）字段。
查看ICMP报文的内容：
从主机发送的ICMP报文的类型为0x08，编码为0，表示该报文为回显请求；
服务器响应的ICMP报文的类型为0，编码为0，表示回显回答。
（6）捕获并评估到达192.168.253.1的ICMP回应报文
使用 IP 地址 192.168.253.1 重复步骤 1。
步骤1中，目的IP与主机不在同一网段，需要通过网关找到下一跳地址；
若地址设置为192.168.253.1，输入ping指令，会出错，因为中间路由器的接口FastEhernet0/0、0/1的IP地址还没变化，与当前主机设置的IP地址不匹配。
ICMP报文在PC和路由器之间传输，因为路由器没有到达目的主机的路由信息，因此目的主机不可达。
类型为0x03，编码为0x01，表示目的主机不可达。
（7）捕获并评估超过TTL值的ICMP回应报文
Packet Tracer 不支持 ping -i 选项。在模拟模式中，使用 Add Complex PDU（添加复杂 PDU）设置 TTL。
单击 Add Complex PDU按钮，然后单击PC0。打开 Create Complex PDU对话框：
Destination IP Address:输入192.168.254.254。TTL: 值改为 1。Sequence Number：输入 1。Simulation Settings： 选择 Periodic（定期）选项。Interval：输入 2。然后点击 Create PDU（创建 PDU）。
此操作等同于从 PC0 上的命令提示符窗口发出命令 ping -t -i 1 192.168.254.254。
查看路由器发送给主机的ICMP报文，类型为0X0b，编码为0，表示TTL过期。
7.检查 ARP 交换
（1）ARP协议
TCP/IP 使用地址解析协议 (ARP) 将第 3 层 IP 地址映射到第 2 层 MAC 地址。
ARP 是一种使网络设备可以通过 TCP/IP 协议进行通信的协议。如果没有 ARP，就没有建立数据报第 2 层目的地址的有效方法。
但 ARP 也是潜在的安全风险。例如，ARP 欺骗或 ARP 中毒就是攻击者用来将错误的 MAC 地址关联放入网络的技术。攻击者伪造设备的 MAC 地址，致使帧发送到错误的目的地。手动配置静态 ARP 关联是预防 ARP 欺骗的方法之一。
ARP协议工作过程：
主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；
主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；
当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：
- 根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。
- 如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。
- 主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。并将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。
- 当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。
（2）使用PacketTracer的arp命令
本实验需要对ARP请求和响应进行分析，由于ARP请求只用于一个子网内,建立一个两个主机直连的网络拓扑，IP地址分别为192.168.0.1和192.168.0.2。创建拓扑图如下：
单击 PC0 的 Desktop（桌面）中的 Command Prompt（命令提示符）按钮。
- ARP命令，查看PacketTracer中ARP命令可用的选项
- arp 命令，显示 PacketTracer 中可用的选项。
- 使用 ping 命令在 ARP 缓存中动态添加条目。
使用ping命令请求192.168.0.2，ping通后将会获得另一台主机的MAC地址，可以使用arp -a命令查看获取的MAC地址为0060.5CAE.7898。
在此任务结束时，完成率应为 100%。
（3）使用PacketTracer检查ARP交换
使用arp -d命令清空ARP表中的条目，然后再次ping 192.168.0.2，即另一台主机的IP地址：
查看事件列表：
在事件列表过滤出ARP请求和响应。
请求报文：
请求报文(PC0)中包含了源MAC地址和IP地址，以及目的地址的IP地址。
响应报文：
响应报文(PC1)中包含了目的主机的MAC地址，发送主机接收到该报文后就会将IP和MAC地址的映射加入ARP表。
ARP报文格式如下：
|
类型 |
解释说明 |
|
硬件类型 |
发送方请求的硬件接口类型，以太网的值为1 |
|
协议类型 |
发送方提供的高层协议类型，IP为0x0800 |
|
硬件地址长度和协议长度 |
指明硬件地址和高层协议地址的长度，使ARP报文可以在任意硬件和任意协议的网络中使用 |
|
操作类型 |
指明报文类型，ARP请求为1，ARP响应为2，RARP请求为3，RARP响应为4； |
四、实验总结
通过这次实验，我学习了通过PacktTracer工具对应用层和传输层协议进行分析，进一步熟悉了PacketTracer的使用，对于路由与交换技术有了更加深入的了解与体会。
同时，通过本实验，我学习了路由器与交换机的基本配置，加深对网络层与链路层协议的理解，并使用 Packet Tracer 捕获并研究了 ICMP 报文，检查ARP交换。
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