通過簡單的實驗深入透析子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)與ARP協(xié)議的作用
子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)與ARP協(xié)議的概念和工作原理是學習網(wǎng)絡知識的初學者首先遇到的幾個重要的知識點，其中子網(wǎng)掩碼與ARP協(xié)議的作用和基本工作原理更是思科網(wǎng)絡技術(shù)學院教程Semester 1中的重點與難點，初學者往往難以一下子掌握這些抽象復雜的機理。因此很有必要通過實驗來幫助學員更加深入直觀地了解子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)與ARP協(xié)議的基本概念與工作原理。
在對實驗進行講解之前，首先對子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)與ARP協(xié)議的基本知識進行概述。
子網(wǎng)掩碼(Subnet Mask)
子網(wǎng)掩碼的主要功能是告知網(wǎng)絡設備，一個特定的IP地址的哪一部分是包含網(wǎng)絡地址與子網(wǎng)地址，哪一部分是主機地址。網(wǎng)絡的路由設備只要識別出目的地址的網(wǎng)絡號與子網(wǎng)號即可作出路由尋址決策，IP地址的主機部分不參與路由器的路由尋址操作，只用于在網(wǎng)段中唯一標識一個網(wǎng)絡設備的接口。本來，如果網(wǎng)絡系統(tǒng)中只使用A、B、C這三種主類地址，而不對這三種主類地址作子網(wǎng)劃分或者進行主類地址的匯總，則網(wǎng)絡設備根據(jù)IP地址的第一個字節(jié)的數(shù)值范圍即可判斷它屬于A、B、C中的哪一個主類網(wǎng)，進而可確定該IP地址的網(wǎng)絡部分和主機部分，不需要子網(wǎng)掩碼的輔助。

但為了使系統(tǒng)在對A、B、C這三種主類網(wǎng)進行了子網(wǎng)的劃分，或者采用無類別的域間選路技術(shù)(Classless Inter-Domain Routing，CIDR)對網(wǎng)段進行匯總的情況下，也能對IP地址的網(wǎng)絡及子網(wǎng)部分與主機部分作正確的區(qū)分，就必須依賴于子網(wǎng)掩碼的幫助。

子網(wǎng)掩碼使用與IP相同的編址格式，子網(wǎng)掩碼為1的部分對應于IP地址的網(wǎng)絡與子網(wǎng)部分，子網(wǎng)掩碼為0的部分對應于IP地址的主機部分。將子網(wǎng)掩碼和IP地址作“與”操作后，IP地址的主機部分將被丟棄，剩余的是網(wǎng)絡地址和子網(wǎng)地址。例如，一個IP分組的目的IP地址為：10.2.2.1，若子網(wǎng)掩碼為：255.255.255.0，與之作“與”運算得：10.2.2.0，則網(wǎng)絡設備認為該IP地址的網(wǎng)絡號與子網(wǎng)號為：10.2.2.0。

網(wǎng)關(guān)(Gateway)
在Internet中的網(wǎng)關(guān)一般是指用于連接兩個或者兩個以上網(wǎng)段的網(wǎng)絡設備，通常使用路由器(Router)作為網(wǎng)關(guān)。在TCP/IP網(wǎng)絡體系中，網(wǎng)關(guān)的基本作用是根據(jù)目的IP地址的網(wǎng)絡號與子網(wǎng)號，選擇最佳的出口對IP分組進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)跨網(wǎng)段的數(shù)據(jù)通信。在Semester 1中只需要對網(wǎng)關(guān)的基本作用有所了解，在Semester 2中還將對路由器的工作機理和配置過程作詳細的論述。

ARP協(xié)議(Address Resolution Protocol)
在以太網(wǎng)(Ethernet)中，一個網(wǎng)絡設備要和另一個網(wǎng)絡設備進行直接通信，除了知道目標設備的網(wǎng)絡層邏輯地址(如IP地址)外，還要知道目標設備的第二層物理地址(MAC地址)。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進行。

當一個網(wǎng)絡設備需要和另一個網(wǎng)絡設備通信時，它首先把目標設備的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼進行“與”操作，以判斷目標設備與自己是否位于同一網(wǎng)段內(nèi)。如果目標設備在同一網(wǎng)段內(nèi)，并且源設備沒有獲得與目標IP地址相對應的MAC地址信息，則源設備以第二層廣播的形式(目標MAC地址為全1)發(fā)送ARP請求報文，在ARP請求報文中包含了源設備與目標設備的IP地址。同一網(wǎng)段中的所有其他設備都可以收到并分析這個ARP請求報文，如果某設備發(fā)現(xiàn)報文中的目標IP地址與自己的IP地址相同，則它向源設備發(fā)回ARP響應報文，通過該報文使源設備獲得目標設備的MAC地址信息。

如果目標設備與源設備不在同一網(wǎng)段，則源設備首先把IP分組發(fā)向自己的缺省網(wǎng)關(guān)(Default Gateway)，由缺省網(wǎng)關(guān)對該分組進行轉(zhuǎn)發(fā)。如果源設備沒有關(guān)于缺省網(wǎng)關(guān)的MAC信息，則它同樣通過ARP協(xié)議獲取缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址信息。

為了減少廣播量，網(wǎng)絡設備通過ARP表在緩存中保存IP與MAC地址的映射信息。在一次ARP的請求與響應過程中，通信雙方都把對方的MAC地址與IP地址的對應關(guān)系保存在各自的ARP表中，以在后續(xù)的通信中使用。ARP表使用老化機制，刪除在一段時間內(nèi)沒有使用過的IP與MAC地址的映射關(guān)系。

實驗設計
我們通過設計一個簡單的實驗來幫助學員更深入直觀地理解上述三個知識點所涉及的基本概念與原理。在實驗中，我們利用ping命令來檢驗主機間能否進行正常的雙向通信。在“ping”的過程中，源主機向目標主機發(fā)送ICMP的Echo Request報文，目標主機收到后，向源主機發(fā)回ICMP的Echo Reply報文，從而可以驗證源與目標主機能否進行正確的雙向通信。

A與B為實驗用的PC機，使用Windows2000 Professional作操作系統(tǒng)。

實驗方案：

步驟1：

設置兩臺主機的IP地址與子網(wǎng)掩碼：
A: 10.2.2.2 255.255.254.0
B: 10.2.3.3 255.255.254.0
兩臺主機均不設置缺省網(wǎng)關(guān)。

用arp -d命令清除兩臺主機上的ARP表，然后在A與B上分別用ping命令與對方通信，在A與B上分別顯示，
A: Reply from 10.2.3.3: bytes=32 time<10ms TTL=128
B: Reply from 10.2.2.2: bytes=32 time<10ms TTL=128
用arp -a命令可以在兩臺PC上分別看到對方的MAC地址。

分析：由于主機將各自通信目標的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼相“與”后，發(fā)現(xiàn)目標主機與自己均位于同一網(wǎng)段(10.2.2.0)，因此通過ARP協(xié)議獲得對方的MAC地址，從而實現(xiàn)在同一網(wǎng)段內(nèi)網(wǎng)絡設備間的雙向通信。

步驟2：

將A的子網(wǎng)掩碼改為：255.255.255.0，其他設置保持不變。

操作1：用arp -d命令清除兩臺主機上的ARP表，然后在A上ping B，在A上顯示結(jié)果為：Destination host unreachable

用arp -a命令在兩臺PC上均不能看到對方的MAC地址。

分析1：A將目標設備的IP地址(10.2.3.3)和自己的子網(wǎng)掩碼(255.255.255.0)相“與”得10.2.3.0，和自己不在同一網(wǎng)段(A所在網(wǎng)段為:10.2.2.0)，則A必須將該IP分組首先發(fā)向缺省網(wǎng)關(guān)。由于A的缺省網(wǎng)關(guān)沒有配置，無法對分組進行正確發(fā)送，因此顯示“目標主機不可到達”。

操作2：接著在B上ping A，在B上顯示結(jié)果為：Request timed out 此時用arp -a命令可以在兩臺PC上分別看到對方的MAC地址。

分析2：B將目標設備的IP地址(10.2.2.2)和自己的子網(wǎng)掩碼(255.255.254.0)相“與”，發(fā)現(xiàn)目標主機與自己均位于同一網(wǎng)段(10.2.2.0)，因此，B通過ARP協(xié)議獲得A的MAC地址，并可以正確地向A發(fā)送Echo Request報文。但由于A不能向B正確地發(fā)回Echo Reply報文(原因見分析1)，故B上顯示ping的結(jié)果為“請求超時”。在該實驗操作中，通過觀察A與B的ARP表的變化，可以驗證：在一次ARP的請求與響應過程中，通信雙方就可以獲知對方的MAC地址與IP地址的對應關(guān)系，并保存在各自的ARP表中。

步驟3：
在前面實驗的基礎上，把A的缺省網(wǎng)關(guān)設為：10.2.2.1，網(wǎng)關(guān)的子網(wǎng)掩碼為：255.255.0.0。
在A與B上分別用ping命令與對方通信，各自的顯示結(jié)果為：
A: Reply from 10.2.3.3: bytes=32 time<10ms TTL=128
B: Reply from 10.2.2.2: bytes=32 time<10ms TTL=127

在A與B上分別用tracert命令追蹤數(shù)據(jù)的傳輸路徑，結(jié)果分別為：

A: tracert 10.2.3.3
Tracing route to 10.2.3.3 over a maximum of 30 hops:
1 <10 ms <10 ms <10 ms 10.2.2.1
2 <10 ms <10 ms <10 ms 10.2.3.3
Trace complete.

B: tracert 10.2.2.2
Tracing route to 10.2.2.2 over a maximum of 30 hops:
1 <10 ms <10 ms <10 ms 10.2.2.2
Trace complete.

分析：如步驟2中的分析，由于A認為B與其不在同一個網(wǎng)段，故從A發(fā)向B的報文需要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)；而B認為A與其在同一個網(wǎng)段，故B不需要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)直接向A發(fā)送報文，從而可以觀察到A與B雙向通信時傳輸路徑的不對稱性。由于ping命令結(jié)果顯示的是從目標主機返回的Echo Reply報文的TTL的值，而B收到從A返回的Echo Reply報文經(jīng)過了網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)，所以在B中顯示該IP報文的TTL值降為了127(從A發(fā)出的IP分組的TTL的初始值為128，每經(jīng)過一個網(wǎng)關(guān)，TTL值減1)。

步驟4：
用arp -d命令清除A中的ARP表，在A上ping一臺外網(wǎng)段的主機，如中大的WWW Server(202.116.64.8)，再用arp -a可觀察到A的ARP表中只有缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址信息。

分析：當源主機要和外網(wǎng)段的主機進行通信時，它并不需要獲取遠程主機的MAC地址，而是把IP分組發(fā)向缺省網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)IP分組的完成轉(zhuǎn)發(fā)過程。如果源主機沒有缺省網(wǎng)關(guān)MAC地址的緩存記錄，則它會通過ARP協(xié)議獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址，因此在A的ARP表中只觀察到網(wǎng)關(guān)的MAC地址記錄，而觀察不到遠程主機的MAC地址。