两不同网段主机直连通信过程的建立（3个实验详细分析）

网络界流行一种说法：不同网段主机不能直接通信。今天我们就来让两台不同网段的主机直连能够通信，并做详细详细解释。

这里插讲一个技术：免费ARP——Gratuitous ARP。翻译也许不准确。 Gratuitous ARP包含的重要信息： sender MAC:发送者的MAC地址； sender IP:发送者的IP地址； target MAC:00:00:00:00:00:00； target Ip:发送者的IP地址； Gratuitous主要有两个作用： 一是主动通告自己的MAC地址。一般用于热备份系统中，比如冗余网关，当主设备发生故障，备用设备立即接管主设备，并向广播域发送Gratuitous ARP,通知所有主机网关IP对应的MAC为备份设备的MAC，这样网络中其他设备就会把流量转向备份设备。 二是用于IP冲突检测。当一个主机A的网络接口刚UP的时候，会发送Gratuitous ARP。ARP target IP字段为自己的IP，target MAC字段全0，如果该网段中有其他主机B的IP与之相同，主机B会用自己的MAC填充单播应答ARP sender MAC字段，然后将该ARP单播应答发往主机A。主机A接收任何一个ARP的单播应答则认为产生了IP冲突。值得注意的是：当网络中其他主机收到主机A发出的Gratuitous ARP后，并不会把该ARP中包含的sender ip与sender mac加入本地ARP缓存。 注意：主机不会将Gratuitous ARP中的sender MAC和sender IP加入本地ARP缓存。

下面开始试验。

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试验一：

PC1的配置:

IP:192.168.1.200

mask：255.255.255.0

getway:不配

PC2的配置：

IP：1.1.1.1

mask:255.255.255.0

getway：不配

当PC2刚启动的时候会发送3个Gratuitous ARP广播包来检测是否存在IP冲突。PC1收到PC2的ARP广播，但并不将PC1的主机IP和MAC加进自己ARP缓存中。

我们在PC2上ping PC1的IP（ping 192.168.1.200）。

PC2首先将目标IP 192.168.1.200与自己路由表比对，在本地路由表中找不到相关路由,原因是没有配置网关，从而没有默认路由。PC2直接将该ICMP包丢弃。

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试验二：

PC1的配置:

IP:192.168.1.200

mask：255.255.255.0

getway:不配

PC2的配置：

IP：1.1.1.1

mask:255.255.255.0

getway：192.168.1.200 //注意：与实验一不同的地方。

当PC2刚启动的时候会发送3个Gratuitous ARP广播包来检测是否存在IP冲突。PC1收到PC2的ARP广播，但并不将PC2的主机IP和MAC加进自己ARP缓存中。

我们在PC2上ping PC1的IP（ping 192.168.1.200）。

PC2首先将目标IP 192.168.1.200与自己路由表比对，在本地路由表中找了到一条默认路由：

Network Destination Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.200 1.1.1.1 10

该路由条目的下一条（网关）为192.168.1.200，于是PC2查看本机ARP表缓存是否存在网关的ARP条目，但并没有找到相应网关条目，所以PC2发出寻找网关的的ARP广播。PC1收到该ARP广播查询包，于是PC1向PC2发送ARP应答的单播包，这个应答包中的sender mac就是PC1的MAC地址。PC2收到PC1的应答包后，提取sender ip和sender mac值，加入本地ARP缓存。这样PC2就知道了网关MAC地址。（注意我们要到达的目标IP为192.168.1.200，网关IP也为192.168.1.200。但我尽量用“网关”这个词语，就是要请大家留意PC2发送ARP包的目的不是寻找PING包的目的地址，而是寻找网关地址。这里查找网关的步骤属于OSI 2层通信。）

于是PC2在PING包，即ICMP包数据段的前部加上IP报头，IP报头的Distination IP:192.168.1.200，source ip:1.1.1.1,再在IP报头前部封装以太网帧头，Distination mac:网关192.168.1.200的MAC(从ARP缓存中提取)，sorce mac为PC2 1.1.1.1接口MAC。于是PC2拿到这封装好了的ICMP包，交给1.1.1.1接口，就这样，PC2将ICMP包顺利传递到了网关。（注意本步骤同样用“网关”这个词。该过程属OSI 3层通信）。

PC1收到该ICMP包，提取IP报头的Distination ip 192.168.1.200与自己IP比对，发现刚好匹配。PC1认为该ICMP是给自己的。于是PC1就准备给PC2一个ICMP应答。

PC1再次分析ICMP包，从IP报头的source ip字段提取出1.1.1.1，再从以太网帧头中提取sender mac：PC2的MAC，将PC2的IP和PC2的MAC加进自己ARP缓存中。

PC1拿1.1.1.1与自己路由表比对，找不到相应路由（原因在于PC1没有配置网关）。最后PC1将放弃对PC2进行ICMP应答。

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试验三：

PC1的配置:

IP:192.168.1.200

mask：255.255.255.0

getway:1.1.1.1 //注意：与实验二不同的地方。

PC2的配置：

IP：1.1.1.1

mask:255.255.255.0

getway：192.168.1.200

当PC2刚启动的时候会发送3个Gratuitous ARP广播包来检测是否存在IP冲突。PC1收到PC2的ARP广播，但并不将PC2的主机IP和MAC加进自己ARP缓存中。

我们在PC2上ping PC1的IP（ping 192.168.1.200）。

PC2首先将目标IP 192.168.1.200与自己路由表比对，在本地路由表中找了到一条默认路由：

Network Destination Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.200 1.1.1.1 10

该路由条目的下一条（网关）为192.168.1.200，于是PC2查看本机ARP表缓存是否存在网关的ARP条目，但并没有找到相应网关条目，所有PC2发出寻找网关的的ARP广播。PC1收到该ARP广播查询包，于是PC1向PC2发送ARP应答的单播包，这个应答包中的sender mac就是PC1的MAC地址。PC2收到PC1的应答包后，提取sender ip和sender mac值，加入本地ARP缓存。这样PC2就知道了网关MAC地址。（注意我们要到达的目标IP为192.168.1.200，网关IP也为192.168.1.200。但我尽量用“网关”这个词语，就是要请大家留意PC2发送ARP包的目的不是寻找PING包的目的地址，而是寻找网关地址。这里查找网关的步骤属于OSI 2层通信。）

于是PC2在PING包，即ICMP包数据段前部加上IP报头，IP报头的Distination IP:192.168.1.200，source ip:1.1.1.1（路由条目的interface字段提取）,再在IP报头前部封装以太网帧头，Distination mac:网关192.168.1.200的MAC(从ARP缓存中提取)，sorce mac为路由条目的interface字段提取的1.1.1.1接口MAC。于是PC2拿到这封装好了的ICMP包，交给路由条目中interface字段指定的接口1.1.1.1，就这样，PC2将ICMP包顺利传递到了网关。（注意本步骤我同样用“网关”这个词。该过程属OSI 3层通信）。

PC1收到该ICMP包，从IP报头的source ip字段提取出1.1.1.1，再从以太网帧头中提取sender mac：PC2的MAC，将PC2的IP和PC2的MAC加进自己ARP缓存中。

PC1再次分析ICMP包，提取IP报头的Distination ip 192.168.1.200与自己IP比对，发现刚好匹配。PC1认为该ICMP请求包是给自己的。于是PC1就准备给PC2一个ICMP应答。（上诉步骤与实验二步骤相同）

于是PC1在ICMP应答包的数据段前部加上IP报头，IP报头的Distination IP:从PC2 ICMP请求包IP报头source ip字段提取；

PC1将从PC2 ICMP请求包IP报头source ip字段提取到的1.1.1.1与自己路由表比对，找到一条默认路由：

Network Destination Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 1.1.1.1 192.168.1.200 20

该路由下一条（网关）为1.1.1.1。于是PC1查看本机ARP缓存是否存在网关的ARP条目。

Interface: 192.168.1.200 --- 0x30003

Internet Address Physical Address Type

1.1.1.1 00-0c-29-c3-0d-92 dynamic

在ARP缓存中找到了相应条目。于是PC1提取（网关）对应的MAC作为ICMP应答包以太网帧帧头的Distination mac。再从路由条目interface字段192.168.1.200对应自己网卡的mac作为ICMP应答包帧头的source mac。于是PC1拿这个封装好的ICMP应答包，交给路由条目中interface字段指定的接口192.168.1.1。就这样PC1将ICMP应答包顺利传递到了网关。（注意用词也是“网关”。该过程也属于OSI 3层通信）。

PC2收到ICMP应答包，提取IP报头的Distination ip 1.1.1.1与自己IP比对，发现刚好匹配。

到此一次完整的PING过程就完成，PC1 ping PC2 成功！。

================重要结论：两台不同网段的主机直连能够通信。=================================

下面简要总结实验一、实验二部能通信得原因：

实验一：

两主机都没网关：PC2找不到目标IP路由——双向不通。

实验二：

PC1没有网管，PC2有网关：PC2将数据包成功发往PC1，但PC找不到到达PC2的路由——单通。

实验三：

两主机网关为对端主机IP：——双向互通。

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在CISCO环境中，比如用CISCO路由器通过配置no ip routing来模拟PC直连，配置不同网段IP后，发现能通信的现象我还不知道怎么解释，也许CISCO有它自己的检测机制。

有网友提出是设备刚启动后发送的Gratuitous ARP所致，但本文已经阐明主机不会将Gratuitous ARP中的sender MAC和sender IP加入本地ARP缓存。再者，设备通信第一步检查的是路由表，而不是ARP缓存。所以我认为Gratuitous ARP所致的原因是不合理的。希望有朋友能提出拟独到的见解，共同探讨。