局域网内同网段通信的过程

这个时候就需要用到ENSP模拟器了，之前已经安装好了，我们通过ENSP来搭建实验环境，这样可以看到实验的效果以及通过抓包来分享整个过程，先看同网段内的通信过程。

1、准备工作

2、开始测试

我们先用PC1访问一下PC4，先看下结果，测试的使用ICMP协议里面的ping工具，这个协议还没讲解，并且呢，这个协议也是后续排错的重要协议。

简单的测试下来有回显，表示通信正常，这个就是Ping工具，能够探测网络的质量、稳定性怎么样，回到正题，PC1到PC4是已经通了，从IP地址通信规则来看，是在同一个网段，能通很正常，那么它通信的过程中发生了什么呢？

开启抓包，PC1访问PC2，抓取PC2的数据，来看看通信过程中发生了什么事情！因为ping它只回显结果，中间发生了什么并不知道，但这个才是要弄懂的关键。

结果显然还是通的，我们关注的点放在抓包了什么内容。

12个数据包，protocol总共两种类型，一种是ARP、一种是ICMP，ICMP上面介绍过，就是我们在命令行输入的Ping，icmp总共10个包（来回各5个），那ARP是干嘛用的呢？这个就需要从我们之前学到的内容综合起来了，这样才能够把这个过程理解透彻。

（1）IP通信规则

PC1（192.168.100.1/24）访问PC2（192.168.100.2）的时候，PC1会用自己的子网掩码计算出自己的网络号是多少，然后根据目的地址来判断是否在一个网段，判断的依据是两边的网络号是否一致，那这里就有一个疑问了，PC1不可能去知道PC2的掩码是多少，PC1只能知晓自己的，因为可以读取网卡的参数，所以PC1判断的依旧是以自己的子网掩码来计算的PC2的地址的网络号是多少，然后做对比，显然是同一个网点号，PC1会直接发送数据到PC2。（源地址192.168.100.1，目的地址192.168.100.2）

（2）数据封装

现在通过掩码的计算得到了对方跟自己在同一个网段，PC1会开始进行封装，最上层为ICMP协议的数据，中间是网络层，包含IP头部（源地址为 192.168.100.1，目的地址是PC2的地址 192.168.100.2），这个都是知道的。（这里说明下，PC2的地址，如果单纯从PC1来说是不知道的，是我们发送指令调用ICMP的ping功能发往的192.168.100.2，ICMP调用网络层，告诉它目的地址是多少，很多新手会迷糊，所以这里多解释下）

现在的问题就在二层封装上面，源MAC，那自然是PC1的MAC地址（54-89-98-FB-22-1B），但是PC2的MAC多少，PC1是并不知道的，不知道的话，那就没法完成封装，所以这个时候就必须有一个协议出来解决这个问题，让PC1能够获取目标的MAC地址，完成封装，这个协议就是ARP。

（3）从抓包来了解ARP的报文结构

在了解ARP的报文结构之前，我们先来了解下ARP的工作原理，然后在结合抓包的内容，就能够更深入的掌握ARP了。

ARP分为两种报文，ARP请求以及ARP响应

PC1在发送数据包给PC2的时候，发现不知道PC2的MAC是多少，于是PC1会发送一个广播ARP的请求，这个请求包中的内容是请求PC2主机IP地址对应的MAC地址是多少

先看前面2个，怎么看数据包呢，可以双击第一个，会单独显示出来，这也是我们能够去深入学习协议的重要工具，能够实实在在的看到整个过程与内容。

上面提到了ARP有两个报文，第一个包势必就是请求了，那它在ARP中结构就是如上图。

Hardware Type：通常值显示为以太网（0x0001）

Protocol Type：这个类型是不是很熟悉，在IP协议中也有，在ARP中表明为谁提供服务，通常值为IP（0x0800）

硬件地址与协议地址长度：这个表示的是MAC地址与IP地址的字节长度

Opcode：requeset（0x0001）：这个用于标识这个ARP包到底是请求包还是响应包，当操作值为1的时候，表示是ARP请求

Sender MAC Address（发送方MAC）：表明发送方的MAC地址（这里为PC1的MAC 54-89-98-FB-22-1B）

Sender IP Address（发送方的IP）：表明发送方的IP地址（这里PC1的IP是192.168.100.1）

Target MAC address（目标的MAC）：目标的MAC地址，你会发些这里是一个特殊的MAC地址，模拟器里面有一个错误的，是全F，表示广播，但是标准的格式是全0，表示未知

Target IP address（目标的IP）：表明目标的IP地址是多少，也是要请求该IP的MAC

需要掌握的有用信息

这里红色部分表示关键的地方，要掌握，首先来一个比较特殊的，目标MAC那个字段，用的全F的表示，在上面提到过，ARP请求包是以广播的形式发送的，那广播在以太网头部中，目的MAC地址中表示就是为全F

那为什么要广播呢？这就又回到以太网的网络特点了，它是一个典型的多路访问这样的一个结构，从拓扑里面来看，交换机上面接了多个PC，PC1并不知道192.168.10.2具体在哪个PC上面，所以它要想知道这个MAC地址是多少，就只能通过广播的方式来进行请求获取，这个包以广播形式发送出去后，所有人都会收到，那么收到以后，谁来回应呢？这就是在ARP请求报文中目标IP存在的意义了，它表明了请求的就是这个IP的MAC地址，那源MAC与IP的作用是什么呢？这是让对应的目标能够正确的回包，不然你发一个请求包，不告诉别人是谁在请求，那对方想回应都找不到谁来请求的。

看了ARP的报文结构内容后，结合我们做的测试，是不是就很容易看懂了，PC1不知道PC2的MAC地址是多少，于是发送了ARP请求报文，报文中源IP与MAC是PC1，请求的目标IP是192.168.100.2，目标MAC未知，所以以广播的形式全F，发送给同一个链路区域的所有终端设备，其他设备收到以后会拆开这个ARP请求包的内容，如果发现请求包中的目标IP地址与自己的IP地址一致，那么这个设备就会回应这个请求，如果不一致则丢弃（发现找的不是自己）

所以PC2发现这个请求包是询问的自己，于是使用ARP响应来回应这个请求。（在来看回应报文字段内容）

图片大部分字段都是一样的，我们来看看变化的

Opcode：reply（0x0002）：这里变成了响应，类型是2

Sender MAC Address（发送方MAC）：这个就是PC2收到请求后，在响应包里面把自己的MAC地址包含在源MAC里面

Sender IP Address（发送方的IP）：响应方的IP地址，这里为192.168.100.2（PC2的）

Target MAC address（目标的MAC）：请求者的目标MAC（PC1，是它请求）

Target IP address（目标的IP）：请求者的IP地址（PC1，192.168.100.1）

这样PC1就知道了PC2的MAC地址是多少了，那就可以完成封装了，把数据包发送给PC2了，另外可以发现回应的时候使用的是单播（因为PC2知道了PC1的MAC是多少）

那现在有一个问题，PC1每次发送数据给PC2，都需要ARP请求吗？ARP请求包是广播报文，其余无关终端也需要去查看这个包的内容，如果每次发送数据包都要发送ARP请求，一旦这个网络规模比较大的时候，那岂不是白白的消耗了链路带宽，为了解决这个问题，在终端设备以及网络设备上面都有一个表项，叫做ARP表，用于缓存自己通过ARP协议获取到的IP与MAC的对应信息，在一定时间内，只要ARP表项存在这个IP对应MAC的条目，不需要在去ARP请求。

通过命令arp -a，就可以查看到了，192.168.100.2对应的MAC地址是多少，并且Type是动态的，动态的意思是这条记录是有时间的，时间一过，那么就会消失。像Windows系统默认是2分钟（arp -a的意思是查看arp缓存，Windows CMD里面的指令）

（4）解封装

PC1发送ICMP数据包出来后，交换机会根据MAC表查询到PC2的位置（MAC表记录了PC2的MAC地址是多少），交换机的工作原理，在第三篇链路层简单提到了，回头在开始进入交换篇后在详细了解，PC2收到这个数据包，会进行解封装，那PC2怎么知道这个数据包就是给自己的呢？这个时候就需要来看下以太网的头部。

从抓包来看，以太网头部就显示三个字段

Destination（目的MAC）：这里MAC地址为PC2，如果为全F则表示广播（该链路区域内的所有主机都会进行接受处理）

Source（源MAC）：这里MAC地址为PC1

Type（类型）：表示上层的内容，在如今的网络中，这个值为0x0800（表示IP），如果为0x86DD(表示IPV6）

抓包是看不到前导码跟FCS的，因为这个抓取的数据包是网卡已经处理完毕后的结果。

PC2通过读取以太网头部中的目的MAC地址，发现是找的自己，并且从type中知道上层是IP协议，所以在解封装三层的时候，会用IP协议来读取，同样我们先来看下IP的头部

IP协议头部的字段之前都介绍过，这里就看下几个比较重要的字段，复习下

version（版本）：固定为版本4，因为IPV6的包头已经发生了变化

Header Length（头部长度）与Total Length（总长度）：头部长度为20个字节，这是一个默认的大小，而总长度表示的IP头部加后面DATA部分的总长度，为60字节，那说明ICMP部分有40个字节（60-20）。

Time to Live（生成时间）：这里TTL为128

Protocol（协议）：这里为ICMP=1，也就是告诉接收方，上一层的协议是什么

Source与Destination：源目IP，源自然是PC1的地址（192.168.100.1），目的是PC2（192.168.100.2）

PC2通过读取IP协议中的目的地址发现是自己，也从Protocol中知道上层使用的是ICMP，最终会使用ICMP来读取这些数据，然后做出回应，这个就是整个的通信过程。

整个同网段通信过程重点回顾

（1）PC1想要跟PC2通信，首先会读取自己网卡上的IP、子网掩码参数，利用该掩码计算出自己与对方的网络号，看是否相同，相同则在同一个网段。

（2）判断出在同一个网段后，PC1由于不知道PC2的MAC地址是多少，无法完成二层封装，所以必须依靠ARP请求协议来获取，这个请求包内容是请求PC2的IP的MAC地址是多少，并且以广播形式发送（以太网头部 源MAC为PC1，目的MAC，全F），发广播的原因是PC1不知道PC2在哪，只能依靠广播的形式来询问PC2在哪（也是之前说的的靠”吼”的方式），这样整个局域网内的终端都可以收到这个请求，不是PC2的终端设备收到，发现ARP报文里面询问的IP不是自己，就丢弃了，而PC2自身发现请求的是自己IP的MAC，则开始进行ARP回应。

（3）PC2回应这个请求（携带了自己的MAC），以太网头部（源为PC2，目的是PC1），单播的形返回，PC1收到以后，会把这个信息缓存到ARP表项里面，一定时间内不会消失，在这个时间内再次有数据包发送的话，则直接调用ARP表里面的信息即可。

（4）PC1终于知道了PC2的MAC，开始进行封装，以太网头部:源MAC（PC1），目的MAC（PC2），IP头部：源IP（PC1），目的IP（PC2），最终ICMP头部与数据，并且以太网头与IP头里面都会标识出来上层的协议使用的是什么。

（5）PC2收到以后，开始解封装，解封装的过程通过二层头部的目的MAC发现找的是自己，然后通过type知道上层协议使用的是什么，在用对应协议读取上层IP头部，IP头部里面通过查询目的IP字段，发现也是给自己的，然后通过协议号知道上层协议为ICMP，最后读取到最终数据，然后回应。

（6）回应的过程也是一个封装与解封装的过程，与PC1到PC2一样，只是中间不需要在执行ARP了，因为PC1用ARP得到PC2的MAC地址的时候，PC2也从ARP协议里面学到了PC1的MAC，也会缓存到ARP列表中，只有在缓存消失后，再次访问就又需要依赖ARP报文来解析了，缓存期间只要ARP表里面存在的列表，则不需要再次发起ARP请求，直接调用。

（7）这里没有讲解交换机收到数据包如何处理，这个会在交换机篇开始讲解，至此同一个网段局域网通信就完毕了。