計算機網路實驗三—— Cisco Packet Tracer 實驗

蔡姬努力變大佬發表於2020-12-26

計算機網路

計算機網路實驗三—— Cisco Packet Tracer 實驗

本部分實驗共有 15 個，需使用 Cisco Packet Tracer 軟體完成。
請大家先了解 VLSM、CIDR、RIP、OSPF、VLAN、STP、NAT 及 DHCP 等概念，以能夠進行網路規劃和配置。

Cisco Packet Tracer 系列視訊
Cisco Packet Tracer 實驗教程

CPT 軟體使用簡介

請使用上面的參考連結 1 ，瞭解和熟悉 CPT 軟體的使用。

一、直接連線兩臺 PC 構建 LAN

將兩臺 PC 直接連線構成一個網路。注意：直接連線需使用交叉線。。
在這裡插入圖片描述

配置ip分別為：

202.202.241.9
202.202.241.7

進行兩臺 PC 的基本網路配置，只需要配置 IP 地址即可，然後相互 ping 通即成功
在這裡插入圖片描述

二、用交換機構建 LAN

構建如下拓撲結構的區域網：
在這裡插入圖片描述

各PC的基本網路配置如下表：

機器名 IP 子網掩碼

PC0 192.168.1.1 255.255.255.0
PC1 192.168.1.2 255.255.255.0
PC2 192.168.2.1 255.255.255.0
PC3 192.168.2.2 255.255.255.0
在這裡插入圖片描述

✎ 問題

PC0 能否 ping 通 PC1、PC2、PC3 ？
答：PC0 能 ping 通 PC1，不能ping通PC2、PC3。
PC3 能否 ping 通 PC0、PC1、PC2 ？為什麼？
答：PC3 能 ping 通 PC2，不能ping通PC0、PC1。
將 4 臺 PC 的掩碼都改為 255.255.0.0 ，它們相互能 ping 通嗎？為什麼？
答：可以，此時他們屬於同一子網。
使用二層交換機連線的網路需要配置閘道器嗎？為什麼？
答：需要，因為沒有閘道器就連線不了其他網路。

1、
在這裡插入圖片描述

2、

3、

✎ 試一試

集線器 Hub 是工作在物理層的多介面裝置，它與交換機的區別是什麼？請在 CPT 軟體中用 Hub 構建網路進行實際驗證。

三、交換機介面地址列表

二層交換機是一種即插即用的多介面裝置，它對於收到的幀有 3 種處理方式：廣播、轉發和丟棄（請弄清楚何時進行何種操作）。那麼，要轉發成功，則交換機中必須要有介面地址列表即 MAC 表，該表是交換機通過學習自動得到的！
在這裡插入圖片描述

仍然構建上圖的拓撲結構，並配置各計算機的 IP 在同一個一個子網，使用工具欄中的放大鏡點選某交換機如左邊的 Switch3，選擇 MAC Table，
在這裡插入圖片描述
可以看到最初交換機的 MAC 表是空的，也即它不知道該怎樣轉發幀（那麼它將如何處理？），
答：廣播。
用 PC0 訪問（ping）PC1 後，

再檢視該交換機的 MAC 表，現在有相應的記錄，請思考如何得來。
在這裡插入圖片描述
答：廣播轉發登記後找到該ip的MAC地址後記錄。
隨著網路通訊的增加，各交換機都將生成自己完整的 MAC 表，此時交換機的交換速度就是最快的！

? 祕籍

你還可以使用 CPT 的 Simulation 模式即模擬方式進一步看清楚這個過程！

四、生成樹協議（Spanning Tree Protocol）

交換機在目的地址未知或接收到廣播幀時是要進行廣播的。如果交換機之間存在迴路/環路，那麼就會產生廣播迴圈風暴，從而嚴重影響網路效能。

而交換機中執行的 STP 協議能避免交換機之間發生廣播迴圈風暴。

只使用交換機，構建如下拓撲：
在這裡插入圖片描述

這是初始時的狀態。我們可以看到交換機之間有迴路，這會造成廣播幀迴圈傳送即形成廣播風暴，嚴重影響網路效能。

隨後，交換機將自動通過生成樹協議（STP）對多餘的線路進行自動阻塞（Blocking），以形成一棵以 Switch4 為根（具體哪個是根交換機有相關的策略）的具有唯一路徑樹即生成樹！

經過一段時間，隨著 STP 協議成功構建了生成樹後，Switch5 的兩個介面當前物理上是連線的，但邏輯上是不通的，處於Blocking狀態（桔色）如下圖所示：
在這裡插入圖片描述

在網路執行期間，假設某個時候 Switch4 與 Switch5 之間的物理連線出現問題（將 Switch4 與 Switch5 的連線剪掉），則該生成樹將自動發生變化。Switch5 上方先前 Blocking 的那個介面現在活動了（綠色），但下方那個介面仍處於 Blocking 狀態（桔色）。如下圖所示：
在這裡插入圖片描述

? 注意

交換機的 STP 協議即生成樹協議始終自動保證交換機之間不會出現迴路，從而形成廣播風暴。

? 祕籍

使用 CPT 的 Simulation 即模擬方式可非常清楚看到這個過程！

五、路由器配置初步

我們模擬重慶交通大學和重慶大學兩個學校的連線，構建如下拓撲：
在這裡插入圖片描述

說明一

交通大學與重慶大學顯然是兩個不同的子網。在不同子網間通訊需通過路由器。
在這裡插入圖片描述

路由器的每個介面下至少是一個子網，圖中我們簡單的規劃了 3 個子網：

左邊路由器是交通大學的，其下使用交換機連線交通大學的網路，分配網路號 192.168.1.0/24，該路由器介面也是交通大學網路的閘道器，分配 IP 為 192.168.1.1
右邊路由器是重慶大學的，其下使用交換機連線重慶大學的網路，分配網路號 192.168.3.0/24，該路由器介面也是重慶大學網路的閘道器，分配 IP 為 192.168.3.1
兩個路由器之間使用廣域網介面相連，也是一個子網，分配網路號 192.168.2.0/24

說明二

現實中，交通大學和重慶大學的連線是遠端的。該連線要麼通過路由器的光纖介面，要麼通過廣域網介面即所謂的 serial 口（如拓撲圖所示）進行，一般不會通過雙絞線連線（為什麼？）。
答：因為雙絞線與其他傳輸介質相比，雙絞線在傳輸距離，通道寬度和資料傳輸速度等方面均受到一定限制，它的傳輸距離較近。
下面我們以通過路由器的廣域網口連線為例來進行相關配置。請注意：我們選用的路由器預設沒有廣域網模組（名稱為 WIC-1T 等），需要關閉路由器後新增，然後再開機啟動。
在這裡插入圖片描述

說明三

在模擬的廣域網連線中需注意 DCE 和 DTE 端（連線時線路上有提示，帶一個時鐘標誌的是 DCE 端。有關 DCE 和 DTE 的概念請查閱相關資料。），在 DCE 端需配置時脈頻率 64000

說明四

路由器有多種命令列配置模式，每種模式對應不同的提示符及相應的許可權。

請留意在正確的模式下輸入配置相關的命令。
·User mode：使用者模式
·Privileged mode：特權模式
·Global configuration mode：全域性配置模式
·Interface mode：介面配置模式
·Subinterface mode：子介面配置模式

說明五

在現實中，對新的路由器，顯然不能遠端進行配置，我們必須在現場通過筆記本的串列埠與路由器的 console 介面連線並進行初次的配置（注意設定位元率為9600）後，才能通過網路遠端進行配置。這也是上圖左上畫出筆記本連線的用意。

說明六

在路由器的 CLI 介面中，可看到路由器剛啟動成功後，因為無任何配置，將會提示是否進行對話配置（Would you like to enter the initial configuration dialog?），因其步驟繁多，請選擇 NO
比如交通大學路由器的初步配置可以如下：

? 注意

在我們的實驗中可不進行如下的配置，但在現實中為了安全，以下的登入及特權密碼等配置是必須的，否則每個人都可操作你的路由器或交換機！

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#interface FastEthernet0/0
Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
Router(config-if)#no shutdown
Router(config-if)#exit
Router(config)#line vty 0 4 //可支援0-4共5個終端同時登入
Router(config-line)#password dswybs // 遠端登入密碼
Router(config-line)#login
Router(config-line)#exit
Router(config)#enable password dswybs // 特權模式密碼
Router(config)#^Z // 退出

拓撲圖中路由器各介面配置資料如下：

介面名 IP 子網掩碼

交通大學 Router2 乙太網口 192.168.1.1 255.255.255.0
交通大學 Router2 廣域網口 192.168.2.1 255.255.255.0
重慶大學 Router3 乙太網口 192.168.3.1 255.255.255.0
重慶大學 Router3 廣域網口 192.168.2.2 255.255.255.0
拓撲圖中各 PC 配置資料如下：

節點名 IP 子網掩碼閘道器

交通大學 PC0 192.168.1.2 255.255.255.0 192.168.1.1
交通大學 PC1 192.168.1.3 255.255.255.0 192.168.1.1
重慶大學 PC2 192.168.3.2 255.255.255.0 192.168.3.1
重慶大學 PC3 192.168.3.3 255.255.255.0 192.168.3.1
在這裡插入圖片描述

交通大學路由器基本配置如下：

乙太網口：
Router>enable // 從普通模式進入特權模式
Router#configure terminal // 進入全域性配置模式
Router(config)#interface f0/0 // 進入配置乙太網口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 // 配置該介面的 IP
Router(config-if)#no shutdown // 啟用介面
Router(config-if)#^z // 直接退到特權模式
Router#
在這裡插入圖片描述
廣域網口：
Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#int s0/0 // 進入配置廣域網口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0 //配置該介面的 IP
Router(config-if)#clock rate 64000 // 其為 DCE 端，配置時脈頻率
Router(config-if)#no shutdown // 啟用介面
Router(config-if)#^z // 直接退到特權模式
Router#
在這裡插入圖片描述

重慶大學路由器基本配置如下：

乙太網口：
Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#int f0/0 // 進入配置乙太網口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0 // 配置該介面的 IP
Router(config-if)#no shutdown // 啟用介面
Router(config-if)#^z // 直接退到特權模式
Router#
在這裡插入圖片描述

廣域網口：
Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#int s0/0 // 進入配置廣域網口模式
Router(config-if)#ip address 192.168.2.2 255.255.255.0 //配置該介面的 IP
Router(config-if)#no shutdown // 啟用介面
Router(config-if)#^z // 直接退到特權模式
Router#
在這裡插入圖片描述

至此，路由器基本的配置完成。請按照上面 PC 配置表繼續配置各個 PC 。

✎ 問題

現在交通大學內的各 PC 及閘道器相互能 ping 通，重慶大學也類似。但不能從交大的 PC ping 通重大的 PC，反之亦然，也即不能跨子網。為什麼？
答：使用ping功能時，本地PC會首先查詢本地的ARP地址對映表，如果目的IP不在ARP快取中，則受限會查詢ARP對映表。這裡的是一般路由器，沒有三層交換路由功能，本地電路查詢ARP對映表的時候，會發出一個MAC層目的地址為路由器MAC地址的ICMP資料包，路由器收到ICMP資料包之後，經過地址過濾，發現目的IP地址不是其路由器的子網，則會將此ICMP包拋棄，不會發出ARP查詢包進行ARP地址查詢。所以不能ping通。

六、靜態路由

靜態路由是非自適應性路由協議，是由網路管理人員手動配置的，不能夠根據網路拓撲的變化而改變。因此，靜態路由簡單高效，適用於結構非常簡單的網路。
在當前這個簡單的拓撲結構中我們可以使用靜態路由，即直接告訴路由器到某網路該怎麼走即可。
在前述路由器基本配置成功的情況下使用以下命令進行靜態路由協議的配置：

交通大學路由器靜態路由配置：

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#ip route 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.2.2 // 告訴交通大學路由器到 192.168.3.0 這個網路的下一跳是 192.168.2.2
Router(config)#exit //退到特權模式
Router#show ip route //檢視路由表
在這裡插入圖片描述

重慶大學路由器靜態路由配置：

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.2.1 // 告訴重慶大學路由器到 192.168.1.0 這個網路的下一跳是 192.168.2.1
Router(config)#exit //退到特權模式
Router#show ip route //檢視路由表
在這裡插入圖片描述

檢視路由表你可看到標記為 S 的一條路由，S 表示 Static 。
至此，這些 PC 能全部相互 ping 通！
在這裡插入圖片描述

? 注意

我們的拓撲只模擬了 3 個網路。在現實中，路由器連線的網路數量非常多，我們還需要配置一條預設路由，否則其它網路皆不能到達！當然，我們的拓撲可以不考慮。
Router(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 ... // 預設全部轉發給 ... 這個IP

七、動態路由 RIP

動態路由協議採用自適應路由演算法，能夠根據網路拓撲的變化而重新計算機最佳路由。
RIP 的全稱是 Routing Information Protocol，是距離向量路由的代表（目前雖然淘汰，但可作為我們學習的物件）。使用 RIP 協議只需要告訴路由器直接相連有哪些網路即可，然後 RIP 根據演算法自動構建出路由表。
因為我們模擬的網路非常簡單，因此不能同時使用靜態和動態路由，否則看不出效果，所以我們需要把剛才配置的靜態路由先清除掉。

清除靜態路由配置：

直接關閉路由器電源。相當於沒有儲存任何配置，然後各介面再按照前面基本配置所述重新配置 IP 等引數（推薦此方法，可以再熟悉一下介面的配置命令）；
使用 no 命令清除靜態路由。在全域性配置模式下，交通大學路由器使用：no ip route 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.2.2，
重慶大學路由器使用：no ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.2.1 。相當於使用 no 命令把剛才配置的靜態路由命令給取消。

在這裡插入圖片描述

交通大學路由器 RIP 路由配置：

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#router rip // 啟用 RIP 路由協議，注意是 router 命令
Router(config-router)#network 192.168.1.0 // 網路 192.168.1.0 與我直連
Router(config-router)#network 192.168.2.0 // 網路 192.168.2.0 與我直連
Router(config-router)#^z //直接退到特權模式
Router#show ip route //檢視路由表
在這裡插入圖片描述

重慶大學路由器 RIP 路由配置：

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#router rip // 啟用RIP路由協議，注意是 router 命令
Router(config-router)#network 192.168.3.0 // 網路 192.168.3.0 與我直連
Router(config-router)#network 192.168.2.0 // 網路 192.168.2.0 與我直連
Router(config-router)#^z //直接退到特權模式
Router#show ip route //檢視路由表
在這裡插入圖片描述

檢視路由表你可看到標記為 R 的一條路由，R 表示 RIP 。
至此，這些 PC 也能全部相互 ping 通！
在這裡插入圖片描述

? 祕籍

可以在特權模式下使用 debug ip rip 開啟 RIP 診斷，此時會看到路由器之間不停傳送的距離向量資訊，以判斷網路狀態是否發生改變從而更新路由表。該命令會不停的顯示相關資訊，打擾我們的輸入，可使用 no debug ip rip 關閉 RIP 診斷。

八、動態路由 OSPF

OSPF（Open Shortest Path First 開放式最短路徑優先）是一個內部閘道器協議（Interior Gateway Protocol，簡稱 IGP），用於在單一自治系統（Autonomous System，AS）內決策路由。OSPF 效能優於 RIP，是當前域內路由廣泛使用的路由協議。
同樣的，我們需要把剛才配置的 RIP 路由先清除掉。

清除 RIP 路由配置：

直接關閉路由器電源。相當於沒有儲存任何配置，然後各介面再按照前面基本配置所述重新配置 IP 等引數
使用 no 命令清除 RIP 路由。在全域性配置模式下，各路由器都使用：no router rip 命令進行清除

交通大學路由器 OSPF 路由配置：

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#router ospf 1 // 啟用 OSPF 路由協議，程式號為1（可暫不理會程式號概念）
Router(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0 // 自治域0中的屬於 192.168.1.0/24 網路的所有主機（反向掩碼）參與 OSPF
Router(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 0 // 自治域0中的屬於 192.168.2.0/24 網路的所有主機（反向掩碼）參與 OSPF
Router(config-router)#^z //直接退到特權模式
Router#show ip route //檢視路由表
在這裡插入圖片描述

重慶大學路由器 OSPF 路由配置：

Router>en // 從普通模式進入特權模式
Router#conf t // 進入全域性配置模式
Router(config)#router ospf 1 // 啟用 OSPF 路由協議，程式號為1
Router(config-router)#network 192.168.3.0 0.0.0.255 area 0 // 自治域0中的屬於 192.168.3.0/24 網路的所有主機（反向掩碼）參與 OSPF
Router(config-router)#network 192.168.2.0 0.0.0.255 area 0 // 自治域0中的屬於 192.168.2.0/24 網路的所有主機（反向掩碼）參與 OSPF
Router(config-router)#^z //直接退到特權模式
Router#show ip route //檢視路由表
在這裡插入圖片描述

檢視路由表你可看到標記為 O 的一條路由，O 表示 OSPF 。
至此，這些 PC 能全部相互 ping 通！

? 祕籍

可以在特權模式下使用 debug ip ospf events 開啟 OSPF 診斷（no debug ip ospf events 關閉診斷），可看到路由器之間傳送的 Hello 資訊用以診斷當前的鏈路是否發生改變以便進行路由調整（事件觸發而非定時更新！）。

? 反向掩碼

我們常見的子網掩碼是所謂的正向掩碼，用連續的 1 和 0 來表示，其中 1 表示需精確匹配， 0 則無需，以此得到網路號。
類似的，反向掩碼也使用連續的 1 和 0 來表示，但相反，其中 0 表示需精確匹配， 1 則無需，以此得到相關的 IP，主要用於 OSPF 中。
還有一個萬用字元掩碼，也採用與反向掩碼相似的規則，主要用於訪問控制列表 ACL 中。
請參見：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/72863128
https://www.bilibili.com/read/cv311291/
https://zhidao.baidu.com/question/1801513609594810827.html

✎ 試一試

可構造稍微複雜的拓撲（有更多的路由器即更多的路徑），檢視其路由表的生成，並且故意 down 下某介面以模擬路由器介面出現問題，或者剪掉路由器之間的連線以模擬網路連線出現故障等，從而更直觀的看看路由自動的動態改變。

九、基於埠的網路地址翻譯 PAT

網路地址轉換（NAT，Network Address Translation）被各個 Internet 服務商即 ISP 廣泛應用於它們的網路中，也包括 WiFi 網路。原因很簡單，NAT 不僅完美地解決了 lP 地址不足的問題，而且還能夠有效地避免來自網路外部的攻擊，隱藏並保護網路內部的計算機。
NAT 的實現方式一般有三種：
·靜態轉換： Static NAT
·動態轉換： Dynamic NAT
·埠多路複用： OverLoad
埠多路複用使用最多也最靈活。OverLoad 是指不僅改變發向 Internet 資料包的源 IP 地址，同時還改變其源埠，即進行了埠地址轉換（PAT，Port Address Translation）。
採用埠多路複用方式，內部網路的所有主機均可共享一個合法外部 IP 地址實現對 Internet 的訪問，從而可以最大限度地節約IP地址資源。同時，又可隱藏網路內部的所有主機，有效避免來自 Internet 的攻擊。因此，目前網路中應用最多的就是埠多路複用方式。
我們仍然使用重慶交通大學和重慶大學兩個學校的拓撲進行 PAT 實驗。我們需要保證兩個學校的路由已經配置成功，無論使用靜態路由還是動態路由，以下我們給出完整的配置過程：設定這兩個學校的路由器使用 OSPF 協議，模擬交通大學使用內部 IP 地址（192.168.1.0/24），模擬重慶大學使用外部 IP 地址（8.8.8.0/24），兩個路由器之間使用外部 IP 地址（202.202.240.0/24），在交通大學的出口位置即廣域網口實施 PAT。
拓撲圖中各 PC 配置資料如下：

節點名 IP 子網掩碼閘道器

交通大學 PC0 192.168.1.2 255.255.255.0 192.168.1.1
交通大學 PC1 192.168.1.3 255.255.255.0 192.168.1.1
重慶大學 PC2 8.8.8.2 255.255.255.0 8.8.8.1
重慶大學 PC3 8.8.8.3 255.255.255.0 8.8.8.1
拓撲圖中路由器各介面配置資料如下：