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通过简单的实验深入透析子网掩码，网关与ARP协议的作用

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子网掩码 ， 网关与ARP协议的概念和工作原理是学习网络知识的初学者首先碰到的几个重要的知识点 ， 其中子网掩码与ARP协议的作用和基本工作原理更是思科网络技术学院教程Semester 1中的重点与难点 ， 初学者往往难以一下子把握这些抽象复杂的机理 。因此很有必要通过实验来帮助学员更加深入直观地了解子网掩码 ， 网关与ARP协议的基本概念与工作原理 。
在对实验进行讲解之前 ， 首先对子网掩码 ， 网关与ARP协议的基本知识进行概述 。
子网掩码（Subnet Mask）
子网掩码的主要功能是告知网络设备 ， 一个特定的IP地址的哪一部分是包含网络地址与子网地址 ， 哪一部分是主机地址 。网络的路由设备只要识别出目的地址的网络号与子网号即可作出路由寻址决策 ， IP地址的主机部分不参与路由器的路由寻址操作 ， 只用于在网段中唯一标识一个网络设备的接口 。本来 ， 假如网络系统中只使用A、B、C这三种主类地址 ， 而不对这三种主类地址作子网划分或者进行主类地址的汇总 ， 则网络设备根据IP地址的第一个字节的数值范围即可判定它属于A、B、C中的哪一个主类网 ， 进而可确定该IP地址的网络部分和主机部分 ， 不需要子网掩码的辅助 。
但为了使系统在对A、B、C这三种主类网进行了子网的划分 ， 或者采用无类别的域间选路技术（Classless Inter-Domain Routing ， CIDR）对网段进行汇总的情况下 ， 也能对IP地址的网络及子网部分与主机部分作正确的区分 ， 就必须依靠于子网掩码的帮助 。
子网掩码使用与IP相同的编址格式 ， 子网掩码为1的部分对应于IP地址的网络与子网部分 ， 子网掩码为0的部分对应于IP地址的主机部分 。将子网掩码和IP地址作"与"操作后 ， IP地址的主机部分将被丢弃 ， 剩余的是网络地址和子网地址 。例如 ， 一个IP分组的目的IP地址为：10.2.2.1 ， 若子网掩码为：255.255.255.0 ， 与之作"与"运算得：10.2.2.0 ， 则网络设备认为该IP地址的网络号与子网号为：10.2.2.0 。
网关（Gateway）
在Internet中的网关一般是指用于连接两个或者两个以上网段的网络设备 ， 通常使用路由器（Router）作为网关 。在TCP/IP网络体系中 ， 网关的基本作用是根据目的IP地址的网络号与子网号 ， 选择最佳的出口对IP分组进行转发 ， 实现跨网段的数据通信 。在Semester 1中只需要对网关的基本作用有所了解 ， 在Semester 2中还将对路由器的工作机理和配置过程作具体的论述 。
ARP协议（Address Resolution Protocol）
在以太网（Ethernet）中 ， 一个网络设备要和另一个网络设备进行直接通信 ， 除了知道目标设备的网络层逻辑地址（如IP地址）外 ， 还要知道目标设备的第二层物理地址（MAC地址） 。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址 ， 查询目标设备的MAC地址 ， 以保证通信的顺利进行 。
当一个网络设备需要和另一个网络设备通信时 ， 它首先把目标设备的IP地址与自己的子网掩码进行"与"操作 ， 以判定目标设备与自己是否位于同一网段内 。假如目标设备在同一网段内 ， 并且源设备没有获得与目标IP地址相对应的MAC地址信息 ， 则源设备以第二层广播的形式（目标MAC地址为全1）发送ARP请求报文 ， 在ARP请求报文中包含了源设备与目标设备的IP地址 。同一网段中的所有其他设备都可以收到并分析这个ARP请求报文 ， 假如某设备发现报文中的目标IP地址与自己的IP地址相同 ， 则它向源设备发回ARP响应报文 ， 通过该报文使源设备获得目标设备的MAC地址信息 。
假如目标设备与源设备不在同一网段 ， 则源设备首先把IP分组发向自己的缺省网关（Default Gateway） ， 由缺省网关对该分组进行转发 。假如源设备没有关于缺省网关的MAC信息 ， 则它同样通过ARP协议获取缺省网关的MAC地址信息 。

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