电子科大-tcpip实验报告二(排错工具ping和trace).doc

电子科技大学
实
验
报
告

学生姓名：
学号：
指导教师：
日期： 年 月 日

实验项目名称：
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一、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（RFC 792）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8 bit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。
二、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
三、实验内容
PC2
PC3
R1
R2
F0/0
F0/0
Ethernet1
（VMnet1）
Ethernet2
（VMnet2）
R1 F0/0 = 192.168.11.254/24 R2 F0/0 = 192.168.22.254/24 R1～R4间4个IP子网掩码均为/30
PC2 = 192.168.11.2/24 PC3 = 192.168.22.3/24 PC4 = 192.168.22.4/24（未开机）
R4
R3
子网A
子网B
BW=100M
MTU=1500
BW=2M
MTU=800
BW=100M
MTU=1500
BW=64K
MTU=800
MTU=1500
MTU=1500
PC4
F0/1
F0/0
S1/1
S1/0
S1/0
F0/1
F0/0
S1/0

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。
四、实验器材（设备、元器件）
PC计算机一台。
五、实验步骤
1、依次启动VMware Workstation中TCPIP组内的虚拟机PC2和PC3。（注：不开启PC4）
2、启动Dynamips Server，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：
=> start R1
=> start R2
=> start R3
=> start R4
3、在PC2上使用“route print”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ping PC3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：
=> capture R1 f0/0 aping.cap
=> capture R2 f0/0 bping.cap
6、在PC2上使用-n选项ping PC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping -n 1 <PC3的IP地址>
7、在PC2上使用-n和-l选项ping PC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping -n 1 -l 1500 <PC3的IP地址>
8、在PC2上使用-n、-l和-f选项ping PC3的IP地址，记录ping回应信息。
ping -n 1 -l 1500 -f <PC3的IP地址>
9、在PC2上ping未开机的PC4，记录ping回应信息。
ping -n 1 192.168.22.4
10、在PC2上ping 10.1.1.1，记录ping回应信息。
ping -n 1 10.1.1.1
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：
=> 、
=> no capture R2 f0/0
=> capture R1 f0/0 atrace.cap
=> capture R2 f0/0 btrace.cap
12、在PC2上trace PC3的IP地址，记录trace回应信息。
tracert <PC3的IP地址>
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：
=> no capture R1 f0/0
=> no capture R2 f0/0
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Dynamips Server窗口：
=> stop /all
=> exit
（2）依次关闭PC2和PC3，再关闭VMware窗口；
（3）运行所在目录下的“reset.bat”文件。

六、实验数据及结果分析
1、按照显示顺序记录步骤3中PC2的路由表信息：
No.
Network Destination
Netmask
Gateway
1
0.0.0.0
0.0.0.0
192.168.11.254
2
127.0.0.0
255.0.0.0
127.0.0.1
3
192.168.11.0
255.255.255.0
192.168.11.2
4
192.168.11.2
255.255.255.255
127.0.0.1
5
192.168.11.255
255.255.255.255
192.168.11.2
6
224.0.0.0
240.0.0.0
192.168.11.2
7
255.255.255.255
255.255.255.255
192.168.11.2
Default Gateway:
192.168.11.254
【分析】
1） 请按照网关（gateway）地址分类分析主机路由表中每条路由表项的网关地址的特征，路由的目的地，以及所采取的分组交付方式。
No.1：缺省路由。
当系统收到一个目的地址不在路由表中的数据包时，系统会将该数据包发送到缺省网关192.168.11.254；采取间接交付。
No.2：本地环路。
当系统接收到一个发往目标网段127.0.0.0的数据包时，系统将接收发往该网段的所有数据包。采取直接交付。
No.3：直连网段。
当系统接收到一个发往目的网段192.168.11.0的数据包时，系统会将该数据包通过192.168.11.2这个接口发送出去（表中没给出interface的相应记录，对于该表项，gateway和interface是同一个，因为分组的目的网段正是路由器所直连的网段）。采取直接交付。
No.4：本地主机路由。
当系接收到一个目标IP地址为本地网卡IP地址的数据包时，系统将接收该数据包。采取直接交付。
No.5：本地广播路由。
当系统接收到一个发给直连网段的本地广播数据包时，系统会将该数据包从192.168.11.2这个接口以广播的形式发送出去（对于该表项，gateway和interface相同）。
No.6：组播路由。
当系统接收到一个组播数据包时，系统会将该数据包从192.168.11.2这个接口以组播的形式发送出去（对于该表项，gateway和interface相同）。
No.7：广播路由
当系统接收到一个广播数据包时，系统会将该数据包从192.168.11.2这个接口直接发送出去。

2） 本实验中PC2将使用哪条路由发送对目的主机的ping报文？
答：使用第一条，即缺省路由。

2、记录步骤4中PC2上显示的PING命令选项-n、-l、-f的含义。
-n count Number of echo requests to send.
-l size Send buffer size.
-f Set Don't Fragment flag in packet.

3、记录步骤6中PC2上的ping命令回应信息，并按分组的捕获顺序记录该步骤在子网A和子网B上捕获的ICMP报文信息：
Ping命令
PING回应信息
ping -n 1 192.168.22.3
Reply from 192.168.22.3: bytes=32 time=261ms TTL=124
子网
IP分组首部
ICMP报文首部
TTL
源IP地址
目的IP地址
Type
Code
报文类型
A
128
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo request
124
192.168.22.3
192.168.11.2
0
0
Echo reply
B
124
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo request
128
192.168.22.3
192.168.11.2
0
0
Echo reply
说明：IP地址用点分十进制表示，其他值均用十进制表示。
【分析】解释PING命令回应信息中的bytes、time和TTL参数的含义。
bytes：发送字节数
time：往返时间
TTL：生存时间

4、记录步骤7中PC2上的ping命令回应信息，并按分组的捕获顺序记录该步骤在子网A和子网B上捕获的ICMP报文的IP分组头信息：
Ping命令
PING回应信息
ping -n 1 -l 1500 192.168.22.3
Reply from 192.168.22.3: bytes=1500 time=252ms TTL=124
子网
IP分组首部
总长度
标识
不分片
还有分片
分片偏移
源IP地址
目的IP地址
A
1500
76
0
1
0
192.168.11.2
192.168.22.3
48
76
0
0
185
192.168.11.2
192.168.22.3
48
75
0
0
185
192.168.22.3
192.168.11.2
796
75
0
1
0
192.168.22.3
192.168.11.2
724
75
0
1
97
192.168.22.3
192.168.11.2
B
796
76
0
1
0
192.168.11.2
192.168.22.3
724
76
0
1
97
192.168.11.2
192.168.22.3
48
76
0
0
185
192.168.11.2
192.168.22.3
1500
75
0
1
0
192.168.22.3
192.168.11.2
48
75
0
0
185
192.168.22.3
192.168.11.2
说明：IP地址用点分十进制表示，其他值均用十进制表示。
注意：“分片偏移”填写的是分组首部中以8字节为单位的片偏移值。
【分析】
（1）PC2发出的IP分组（源IP地址PC2，目的IP地址PC3）在子网A和子网B上分别有几个分片？这些分片分别是由实验拓扑中的哪些设备划分的？为什么要划分这些分片？这些分片的重组操作将由实验拓扑中的哪台设备进行？
答：
子网A：2个分片，子网B：3个分片；子网A的分片由PC2划分，子网B的分片由路由器R3划分；从实验记录可知PC2发送的分组总长度为1500字节，在Ethernet 1中，当数据报被封装成帧时，帧的长度大于了它的MTU（1500），因此PC2要将数据报分片；当分组到达路由器R3时，从实验拓扑图可以看出，R3-R4之间的链路带宽比较大，分组将选择该路径，而链路的MTU是800，因此对总长度为1500的那个分组还要继续分片，而总长度为48的分组则不需要，分片的过程由R3完成；分片的重组操作将由目的主机PC3进行。
（2）PC3发出的IP分组（源IP地址PC3，目的IP地址PC2）在子网A和子网B上分别有几个分片？这些分片分别是由实验拓扑中的哪些设备划分的？为什么要划分这些分片？这些分片的重组操作将由实验拓扑中的哪台设备进行？
答：
子网A：3个分片，子网B：2个分片；子网B的分片由PC3划分，子网A的分片由路由器R4划分；PC3发送的分组总长度为1500字节，在Ethernet 2中，当数据报被封装成帧时，帧的长度大于了它的MTU（1500），因此PC3要将数据报分片；当分组到达路由器R2时，从实验拓扑图可以看出，R2-R4之间的链路带宽比较大，分组将选择该路径，它的MTU是1500，被分片的2个分组都可正常通过，当分组到达路由器R4时，R4-R3是下一跳必须要经过的路径，而它的MTU只有800，因此对总长度为1500的分组还要继续分片，而总长度为48的分组则不需要，分片的过程由R4完成；分片的重组操作将由目的主机PC2进行。

（3）在分片重组操作中，应根据分片首部中的什么信息判断收到的分片属于哪个IP分组？属于同一IP分组的分片需按照分片首部中的什么信息进行重组？
答：
应根据分片首部中的“标识”字段判断收到的分片所属的IP分组；属于同一IP分组的分片需按照分片首部中“标志”字段中的第三位（M，即“还有分片”位）和“分片偏移”字段进行重组。

5、记录步骤8中PC2上的ping命令回应信息。
步骤
Ping命令
PING回应信息
8
ping -n 1 -l 1500 -f 192.168.22.3
Packet needs to be fragmented but DF set.
【分析】 本步骤中是否捕获到PC2发送或接收的报文？结合PING回应信息解释其原因。
答：
没有捕获到。PING回应信息意思是分组应该被分片才能正常通信。Ping命令中-f使得分组不分片，导致分组封装成帧后长度大于以太链路的MTU而无法传输。

6、记录步骤9中PC2上的ping命令回应信息。
步骤
Ping命令
PING回应信息
9
ping -n 1 192.168.22.4
Request timed out.
【分析】
（1）本步骤中是否捕获到PC2发送或接收的报文？结合PING回应信息解释其原因。
答：
能捕获到PC2发送的报文，但不能捕获到PC2希望接收的报文。PING回应信息的意思是请求超时，因为PC4没有开机，所以无法给予应答。

（2）在ping时如果收到“Request timed out.”信息，是否能确定目的主机一定未开机响应或一定没有可达的路由？为什么？
答：
不一定。有可能是因为请求分组丢失或网络拥塞等原因。

7、记录步骤10中PC2上的ping命令回应信息，并按分组的捕获顺序记录该步骤在子网A上捕获的ICMP报文信息：
Ping命令
PING回应信息
ping -n 1 10.1.1.1
Reply from 192.168.11.254: Destination host unreachable
IP分组首部
ICMP报文首部
ICMP差错报文的数据
标识
源IP地址
Type
Code
标识
源IP地址
79
192.168.11.2
8
0
-
-
196
192.168.11.254
3
1
79
192.168.11.2
说明：IP地址用点分十进制表示，其他值均用十进制表示。
【分析】请指出步骤9和步骤10中目的主机可达性的差异之处，并解释其差异产生的原因。
答：
差异在于PING回应信息内容不同。步骤9中主机不可达，但主机所在的子网是可达的，而步骤10中主机和主机所在的子网均不可达。

8、记录步骤12中主机上输入的TRACE命令及其回应信息，并按分组的捕获顺序记录该步骤在子网A和子网B上捕获的如下报文信息：

子网
IP分组首部
ICMP报文首部
TTL
源IP地址
目的IP地址
Type
Code
报文类型
A
1
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo Request
255
192.168.11.254
192.168.11.2
11
0
TTL Exceeded
2
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo Request
254
192.168.13.2
192.168.11.2
11
0
TTL Exceeded
3
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo Request
253
192.168.34.2
192.168.11.2
11
0
TTL Exceeded
4
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo Request
252
192.168.24.1
192.168.11.2
11
0
TTL Exceeded
5
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo Request
124
192.168.22.3
192.168.11.2
0
0
Echo Reply
B
1
192.168.11.2
192.168.22.3
8
0
Echo Request
128
192.168.22.3
192.168.11.2
0
0
Echo Reply
说明：TTL、源IP地址和目的IP地址都相同的分组只记录1次；
【分析】
1） TRACE程序根据什么报文中的什么信息获得每一跳路由器的IP地址？
答：
根据每次返回的TTL Exceeded类型的ICMP报文中的源IP地址。
2） TRACE程序在跟踪每一跳路由器时，发送了几个测试报文？这样做的目的是什么？
答：
发送了3条测试报文。类似于PING，是为了防止因报文丢失或网络拥塞而收到错误的回应。
3） WinXP系统的TRACE程序使用何种方法判断测试分组是否已到达目的主机？
答：
根据收到的ICMP应答中IP分组首部的源IP地址，如果源地址是所要跟踪的目的地址（这里是192.168.22.3），则意味着测试分组已到达目的主机。

七、实验结论
1、 总结ICMP差错报告机制的作用和ICMP差错报告报文中数据部分的作用。
ICMP差错报告机制可以及时通知发出数据报的主机出现了差错，以及帮助网络管理员获得来自其他主机或路由器的信息。ICMP差错报告报文中数据部分的作用是通告源主机具体的差错类型（如终点不可达、源点抑制、超时等）。

2、 交付出错的哪些IP分组不会产生ICMP差错报告报文？
携带ICMP差错报文的数据报；
分片的数据报，并且不是第一个分片；
具有多播地址的数据报；
具有特殊地址的数据报（如127.0.0.0或0.0.0.0）。
3、请根据实验中的TRACE回应信息和实验拓扑图，写出路由器R1的F0/1接口、R2的F0/1和S1/0接口、以及R3和R4的所有接口的IP地址，并指出本实验中子网A到子网B的通信路径。
路由器
接口的IP地址
R1
F0/1: 192.168.13.1/30
R2
F0/1: 192.168.24.1 S1/0: ？
R3
F0/0: 192.168.13.2/30 S1/0: ？ S1/1: 192.168.34.1/30
R4
F0/0: 192.168.24.2/30 S1/0: 192.168.34.2/30
本实验中子网A到子网B的通信路径：PC2—R1—R3—R4—R2—PC3
八、总结及心得体会
通过模拟实验，学会了用PING命令测试网络连通性和用TRACE命令跟踪网络路径，加深了ICMP协议原理的理解。

九、对本实验过程及方法、手段的改进
实验结论3中路由器R2的S1/0接口和路由器R3的S1/0接口的IP地址无法推知。