【51CTO.com 独家特稿】计算机网络知识的学习，离不开多次试验的实践学习。但昂贵的网络设备，对许多想搭建真实网络环境的人又望而却步。不过，现在我们借助简单的设备搭建所需的网络环境也完全是有可能的。下面的一个实例所需的设备就非常少，只需两台电脑，和一根交叉网线即可。若你觉得具备这些设备还是有些困难，那只用一台电脑也完全可以，只需在网上下载一个VMware虚拟机软件，安装后进行相应的设置，就可以进行下面的实例学习。
不过下面提到的命令和参数，都是在有两台电脑的实验环境中完成的。操作系统使用的是Win7，两台电脑都没有配置默认网关。还需要注意的就是连接两台电脑用的是交叉网线，网线一端是T568A标准的线序，另一端是T568B标准的线序，不能使用直通线。下面就一步步介绍实验过程中碰到的问题，和解决问题的方法，期间也就很自然的学习了TCP/IP协议族中的IP和ARP协议。
（图1 位于同一网络中的两台主机）
一、如图1所示，这种实验环境很简单，想必大家都试验过。它也很容易理解，处在同一网络中的两台PC，不用配置网关，也能够互相通信。
（图2 位于不同网络中的两台主机）
二、如图2所示，两台PC在不同的网络中，但还要让PC1和PC2之间能互相ping通。这种网络实验环境，可能很多人没有深入研究过，下面就通过一些实验截图一步步分析：
（图3 PC1不能ping通PC2）#p#
1、如图3所示，在PC1上ping主机PC2是不通的。若能保证连接两台PC的网线没有故障，ping不通的话，问题肯定首先出在PC1的路由上。
（图4 主机PC1中的路由表）
2、如图4所示，在PC1的"命令行"中，执行"route print"命令，就能看到PC1主机上的路由表，在其中看不到，到达目的网络172.16.0.0/16的路由。所以，在PC1上执行ping 172.16.1.1命令后，PC1首先在它的路由表中查找有没有到达网络172.16.0.0/16的路由表项，若没有就会返回如图3所示的结果。
3、既然路由表中没有到网络172.16.0.0/16的路由，那PC1中的二层ARP表中有没有与172.16.1.1对应的MAC地址表项呢？因为只有IP地址和MAC地址之间进行了一一对应的绑定，主机在封装完三层具有源和目的IP地址的数据包后，然后在进行二层封装数据帧时，必须找到与IP目的地址对应的MAC地址，才能完成二层的封装。不过如图5所示，PC1中的ARP表中，并没有IP地址172.16.1.1和PC2的MAC地址的对照表。
（图5 主机PC1中的ARP表）
4、既然PC1的路由表中没有到网络172.16.0.0/16的路由，那就在PC1中添加一条静态路由，如图6所示。注意添加静态路由的命令格式，必须和图6所示的一致。只是在命令的***还有一个"IF"参数，可以省略不写，这并不影响命令的正确执行。
（图6 在主机PC1中添加静态路由）#p#
5、执行完添加静态路由的命令后，在PC1中再次执行命令"route print"后，发现PC1的路由表中，已经包含了到网络172.16.0.0/16的路由，如图7所示。
（图7 PC1路由表中包含了到PC2网络的路由）
6、既然PC1中的路由表中已经包括了到达网络172.16.0.0/16的路由，那是不是在PC1上就能ping通172.16.1.1了？结果如图8所示，这时PC1还是不能ping通PC2。
（图8 在主机PC1上还是ping不通PC2）
这是因为，虽然PC1路由表中包含有到PC2的路由，这样在PC1上发送具有目的IP地址是172.16.1.1的ping包时，数据包能够到达PC2。但是当PC2收到ping包后，PC2依据ping的性质，还要把ping包再发送回PC1，在PC1收到PC2返回的ping包后，一个完整的ping过程才结束。
但是当PC2发送ping包前，它在自己的路由表中要查找，有没有到达目的网络地址是10.0.0.0/8的路由，但是它没有找到这项路由。在这种情况下PC2就自动丢弃了这个ping包，所以PC1也就收不到由PC2返回的ping包，自然也就有了图8所示的结果。
7、不过这时在PC1上，也发生了一个明显的变化。当再次在命令行中执行命令"arp -a"后，发现PC1的ARP表中多了一项IP地址172.16.1.1和PC2的MAC地址的绑定项，如图9所示。
（图9 PC1中已有了包含PC2的ARP表项）#p#
这是因为，当在PC1上执行"ping 172.16.1.1"命令后，PC1首先在路由表中找到了到达网络172.16.0.0/16的路由表项，然后就对数据包进行三层封装。当三层封装完成后，PC1就要根据172.16.1.1对应的MAC地址，对数据包进行二层封装。这是因为只有把正确的MAC地址封装进数据帧后，数据包才能在以太网中被正确的送达目的地，因为在以太网中只依据二层MAC地址，而不是三层IP地址传输数据。但这时当PC1在ARP表中查找172.16.1.1的MAC地址时，它并没有找到。
这时PC1就会发出一个广播包，询问谁有IP地址172.16.1.1的MAC地址，当PC2收到这个广播包后，发现172.16.1.1这个IP地址和自己的IP地址一样，就给PC1返回一个数据包，数据包中就包括有和172.16.1.1对应的MAC地址，当PC1收到这个数据包后，就会在自己的ARP表中添加与IP地址172.16.1.1对应的MAC地址表项，所以当再次执行"arp -a"命令后，就能看到多了这一项。
那为什么***次执行"arp -a"命令时，PC1的ARP表中没有与172.16.1.1对应的MAC地址绑定呢？因为***次在PC1上执行ping 172.16.1.1命令时，PC1在路由表中没有找到与网络172.16.0.0/16对应的路由，这时PC1就自动放弃了封装三层数据包的行为，既然三层数据包都没有进行封装，就更谈不上在PC1中进行二层封装了，所以PC1也就没有必要知道与172.16.1.1对应的MAC地址了，也就没有再发送一个广播包询问与172.16.1.1对应的MAC地址。所以，***次执行"arp -a"命令时，PC1的ARP表中并没有与172.16.1.1对应的MAC地址表项。
8、既然现在知道在PC1上ping不通PC2是因为，在PC2上没有到达网络10.0.0.0/8的路由，那现在就在PC2上添加一条静态路由，如图10所示，格式和在PC1上添加到网络172.16.0.0/16的路由格式是一样的。
（图10 在主机PC2上添加静态路由）
9、在PC2上添加完静态路由后，再在PC1上执行ping命令后，就能ping通了，如图11所示。因为ping包到达PC2后，也能在路由表中找到去往PC1网络10.0.0.0/8的路由了。
（图11 在PC1上能够ping通PC2）#p#
三、总结
1、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）
（1）概念：ARP工作在数据链路层，它和硬件接口进行联系，同时对上层提供服务。ARP将计算机的32位网络IP地址，转化为48位的MAC物理地址。在以太网中的数据帧从一个主机到达网内的另一台主机是根据48位的以太网地址来确定接口的，而不是根据32位的IP地址。计算机网卡的驱动程序，必须知道目的端的硬件MAC地址才能发送数据。因此，必须把IP目的地址转换成以太网的目的地址。
在TCP/IP协议栈中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。而地址解析（address resolution）就是主机在发送数据帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP在正常情况下的通讯模式应该是，请求→应答→请求→应答，也就是一问一答的规则。
（2）ARP工作原理：首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址之间的对应关系。当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有﹐就直接将数据包发送到这个MAC地址。如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址。源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应的数据包，就表示ARP查询失败。
2、理解路由的两个关键知识点
（1）路由器对三层数据包的路由转发，是根据"网络地址"转发数据包的，而不是根据"IP地址"转发的。例如，一台路由器收到一个需要路由的数据包，数据包的目的IP地址是213.17.53.9，掩码是255.255.255.0。然后路由器首先要做的是结合数据包的IP地址和掩码，算出数据包要被路由的目的网络地址是213.17.53.0/24，然后，路由器才会在其路由表中查找有没有到网络213.17.53.0/24的路由，而不是查找到IP地址213.17.53.9的路由，若有就依据路由表提供的信息，在相应的接口上将数据包转发出去。若没有找到对应的路由，则路由器就会自动把数据包丢弃。
（2）路由器对数据包的路由，是依据三层数据包中的"目的IP地址"进行路由转发的，而和数据包中的"源IP地址"没有关系。也就是路由器收到三层数据包后，只需要数据包中的目的IP地址和目的IP地址的掩码，就可完成对数据包的路由，整个过程没有使用到三层数据包中的源IP地址，及其掩码。
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