两主机互ping的一些例子及其解释

以下的东西是小弟以前计算机网络实验作业的一部分，觉得有点保留的价值，就拿过来了。实验的目的是检验两主机是否能ping通。
如果仅仅是简单的把ping的结果记录下来，然后按照结果去推为什么这样可以ping通，那样不行的话，根本就达不到了解两台主机互相ping的实质。所以我决定先用理论严格的TCP/IP协议规定的步骤进行电脑似的傻瓜推导，然后再用实验结果实际检验正确与否的方法。这种方法看起来似乎不难，实际操作的时候却遇到了很多的阻力。
事实上，关于这方面的文章可以说相当的多，但除非你看了源代码，很难按照那种笨笨的傻瓜方式一步一步推导下来。网络上的文章讲得似是而非，可能这涉及一点，那涉及一点，并不十分系统。在看了大量的文章跟论坛之后，我不敢保证完全理解了，至少下面的例子都可以一步一步的解释明白。

实验简单过程：
1) 将A、B主机连接到同一个hub上，防火墙什么的关闭，以免影响ping的结果；
2) 分别设置A、B主机的IP地址、网关地址等属性，然后使用ping命令；

关于ping的本质，这里不过多涉及了。不明白的可以搜索以下ICMP。

3)
下面先给一个ping过程的概述，然后按照这个模式来解释每个ping的具体过程，个人认为这样有利于理解ping的具体过程，同时又能把握总体方向。
当源主机发出ping命令时，网络层的ICMP协议封装好一个包，然后进行IP路由：
a）搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配，即整个IP都要完全相同）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目（即看子网掩码与IP的逻辑与的结果是否相同）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行搜径的。
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。
如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。如果不能传送的数据报来自本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”的错误。IP选路按照上面三个步骤顺序执行，只要有其中一个符合，就完成了选路工作，把数据报交给下一层――数据链路层。
在数据链路层时，对IP路由挑选出来的IP地址（注意不一定是最终的目标IP地址）进行如下步骤：
a) 如果在ARP缓存中存在该IP地址的MAC地址（使用arp –a命令察看），则将该MAC地址封装到帧里面，发送出去；
b.1) 如果该IP地址不是本机IP地址，则进行广播，获取该IP地址的MAC地址，并记录在ARP缓存中，然后将刚获取的MAC地址封装到帧里面，发送出去；
b.2) 如果该IP地址是本机的IP地址，嗯，这里有点问题了。
如果还是按照b.1)的方法，就会找到本机的MAC地址，然后发送出去。结果是本机接收到了这个ICMP，然后又按照上面的步骤一步一步下来，想想看，这是不是一个无法终结的死循环？（当然在以太网中超时就会放弃的）
这里为了避免这个情况，用了一个另外一个协议：代理ARP（arp proxy）。当选路出来的IP地址是本机IP地址时，并不是广播自己的IP地址，而是广播最终目标的IP地址。
这个时候（通常该最终目标地址都跟本机隔着一个路由器的），在该网段上的所有主机都不会相应这个广播，由路由器的代理ARP协议响应这个广播，把自己的MAC地址发送给源主机，说“最终目标的MAC地址是我的MAC地址（路由器‘欺骗’了源主机）”，然后由路由器接管这个帧，按照之前叙述的步骤进行发送。理解代理ARP是这个实验最难的地方。当然如果路由器关闭了代理ARP端口的话，就不能进行这样的操作了。

事实上，为了减少广播量，现在很多路由器都禁用了代理ARP端口。比如我们楼的路由器就禁止了这个功能。完成了数据链路层的操作之后，就进入到物理层，发送数据到目标主机了。至此，ping过程的叙述已经完成，下面看看具体的例子。

例1:

IP地址	子网掩码	默认网关
a主机:192.168.0.1	255.255.255.0	不填
b主机:192.168.1.3	255.255.255.0	不填

当a ping b时，按照3)中所述的步骤：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配，即整个IP都要完全相同），找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目（即看子网掩码与IP的逻辑与的结果是否相同）。a主机的网络号为：192.168.0，b主机的网络号为：192.168.1，网络号不匹配，进入下一步；
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，a的默认网关没有，故在网络层该数据报无法发出，出现“主机不可达”的错误。由于没有到达数据链路层，故在a、b主机使用arp –a命令，均看不到对方的物理网卡地址。
b ping a的步骤同理可得。

例2:

IP地址	子网掩码	默认网关
a主机:192.168.0.1	255.255.255.0	192.168.0.1
b主机:192.168.1.3	255.255.255.0	192.168.0.1

当a ping b时，按照3)中所述的步骤：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目，找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目。a主机的网络号为：192.168.0，b主机的网络号为：192.168.1，网络号不匹配，进入下一步；
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，a的默认网关是192.168.0.1，IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层的步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该IP地址（192.168.0.1）的MAC地址，不存在，进入下一步；
b.2) 由于该IP地址（192.168.0.1）与源主机的IP地址（a）相同，故使用b.2)这步。广播最终目标的IP地址（192.168.1.3）。由路由器（192.168.1.3）的代理ARP端口响应这个广播，把自己的MAC地址发送给源主机（a），然后由路由器（192.168.1.3）接管这个帧，将该帧发给最终目的地址（192.168.1.3）。

当b成功接收到这个帧时，要发送一个ICMP应答给a主机，其步骤如下：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目，找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目。网络号不匹配，进入下一步；
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，b的默认网关是192.168.0.1，IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该地址（192.168.1.3）的MAC地址（因为192.168.1.3路由器代理了ARP，所以要找回代理ARP的MAC地址），存在！数据链路层完成，成功发送ICMP应答给a。
至此，a ping b的整个过程都完成了。当b ping a的时候，步骤稍微有点不一样。
当b ping a时：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目，网络号不匹配，进入下一步；
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，b的默认网关是192.168.0.1，IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层的步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该IP地址（192.168.0.1）的MAC地址，不存在，进入下一步；
b.1) 注意，由于b的默认网关跟本机的IP地址不同，故使用b.1)。由b的ARP协议进行广播，获取192.168.0.1的物理地址，并记录在b的ARP缓存中，然后将刚获取的MAC地址封装到帧里面，发送出去；

至此，b成功发送了一帧给a，a收到后，要给b一个ICMP应答，其步骤如下：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目，找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目，网络号不匹配，进入下一步；
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，a的默认网关是192.168.0.1，IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层的步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该IP地址（192.168.0.1）的MAC地址，不存在，进入下一步；
b.2) 按照之前叙述的代理arp方式，就能成功发送ICMP应答给b了。
哦，终于完成了一个简单的ping命令，是不是有点长？没办法，按照协议步骤执行下来就是这么冗长，好在电脑并不觉得这些烦琐的步骤麻烦。

例3:

IP地址	子网掩码	默认网关
a主机:192.168.0.1	255.255.254.0	不填
b主机:192.168.1.3	255.255.254.0	不填

当a ping b时，
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目，找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目。a主机的网络号为：192.168.0，b主机的网络号为：192.168.0，网络号匹配， IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层的步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该IP地址（192.168.0.1）的MAC地址，不存在，进入下一步；
b.1) 广播IP地址（192.168.1.3），获取它的物理地址，封装成一个帧，进入物理层。

当b成功接收到这个帧时，要发送一个ICMP应答给a主机，其步骤如下：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目，找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目。网络号匹配，IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层的步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该IP地址（192.168.1.3）的MAC地址，存在！数据链路层完成，成功发送ICMP应答给a。
b ping a同理可得。

例4:

IP地址	子网掩码	默认网关
a主机:192.168.0.1	255.255.255.0	192.168.0.1
b主机:192.168.1.3	255.255.254.0	不填

当a ping b时，按照例2中a ping b的例子可得。当b接收到一帧数据之后，要给a一个ICMP应答，其步骤与例3中b ping a的步骤类似。
在例4中，如果加以改变，将a的默认网关也设为不填，将会出现一下情况：
当a ping b时：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目，找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目（即看子网掩码与IP的逻辑与的结果是否相同）。a主机的网络号为：192.168.0，b主机的网络号为：192.168.1，网络号不匹配，进入下一步；
c) 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目，a的默认网关没有，故在网络层该数据报无法发出，出现“主机不可达”的错误。由于没有到达数据链路层，故在a、b主机使用arp –a命令，均看不到对方的物理网卡地址。
当b ping a时：
a) 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配，即整个IP都要完全相同），找不到，进入下一步；
b) 搜索路由表，寻找能与目的网络号匹配的表目（即看子网掩码与IP的逻辑与的结果是否相同）。a主机的网络号为：192.168.0，b主机的网络号为：192.168.0，网络号匹配，IP选路完成，进入数据链路层。

数据链路层的步骤如下：
a) 在ARP缓存中是否存在该IP地址（192.168.1.3）的MAC地址，不存在；
b.1) ARP广播目标IP地址，获取物理地址之后，封装一帧，发送到物理层。

至此，b将ICMP数据报成功发送给了a。a接收到之后，需要给b一个ICMP应答。发送ICMP应答的过程与a ping b的过程类似。所以，a不能成功发送一个应答给b。在a主机中出现“主机不可达”，而在b主机出现的信息是“超时”（注意IP是无连接服务，它只管是否发出）。使用arp –a命令，可以双方的物理地址。这证实了上面步骤的正确性，同时也说明了另外一个问题：即使拿到对方的物理网卡地址，如果网络层的IP路由失败，仍然无法进行数据链路层以上的层的通信，进一步加深了我对网络分层结构的理解。

例5:

IP地址	子网掩码	默认网关
a主机:192.168.0.1	255.255.254.0	不填
b主机:192.168.1.3	255.255.255.0	192.168.0.1(或1.3)

a ping b的原理同例3中的a ping b（b的应答不同），b ping a的原理同例2。在此不多叙述了，结论是能够成功ping通。
严格（至少我这么认为）的按照TCP/IP协议的ping过程已经给出来了，如果还需要了解更多的细节，可以查看W.Richard Stevens 的TCP/IP Illustracted Volume 1:The Protocols （TCP/IP详解 卷1:协议）。文章中关于IP选路的步骤完全摘录自该书。

两台主机的例子基本都涉及到了，三台甚至多台的原理与之类似。当初为了解释这几个例子的时候花了挺多的时间，现在想起来还不错，至少理解了这小部分的原理。关于代理arp这部分很多人可能起先感到惊讶，这都能ping通？开始我问一个前辈的时候也有类似的反应，不过查阅了资料并亲自实践之后不再迷茫了。
由于小弟只涉及到很浅的方面，所以如果文章中有错误，欢迎大家指正，也算是共同学习吧。

本文出自 “魔风网络” 博客，请务必保留此出处http://hukaijian.blog.51cto.com/3810856/779946