4.2 【2015统考真题】
题目原文
(14)【2015统考真题】某网络拓扑如下图所示,其中路由器内网接口、 DHCP 服务器、 WWW 服务器与主机 1 均采用静态 IP 地址配置, 相关地址信息见图中标注; 主机 2~N 通过 DHCP 服务器动态获取 IP 地址等配置信息。回答下列问题:
(注：由于无法直接嵌入图片，此处为图片占位符，请参照您提供的原图)
- DHCP 服务器可为主机 2~N 动态分配 IP 地址的最大范围是什么? 主机 2 使用 DHCP 获取 IP 地址的过程中, 发送的封装 DHCPDiscover 报文的 IP 分组的源 IP 地址和目的 IP 地址分别是多少?
- 若主机 2 的 ARP 表为空,则该主机访问 Internet 时,发出的第一个以太网帧的目的 MAC 地址是什么? 封装主机 2 发往 Internet 的 IP 分组的以太网帧的目的 MAC 地址是什么?
- 若主机 1 的子网掩码和默认网关分别配置为 255.255.255.0 和 111.123.15.2,则该主机是否能访问 WWW 服务器? 是否能访问 Internet? 请说明理由。
综合解析
一、运用了什么知识点？
这道题考察的是一个局域网中主机从“一无所有”到“能够上网”的全过程，涉及多个关键协议和概念：
-
动态主机配置协议 (DHCP):
- 理解DHCP的作用：自动分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等。
- DHCP地址池的计算：如何在一个网段中排除已用地址和保留地址。
- DHCP的DORA过程（Discover, Offer, Request, ACK），特别是DHCP Discover报文的封装，其源/目的IP地址的特殊性。
-
地址解析协议 (ARP):
- 理解ARP的作用：通过IP地址查询对应的MAC地址，解决下一跳的链路层寻址问题。
- ARP缓存（ARP表）的概念。
- ARP请求是广播帧，其目的MAC地址是
FF-FF-FF-FF-FF-FF。 - ARP应答是单播帧。
-
IP路由基础（主机侧）:
- 默认网关 (Default Gateway) 的作用：本地主机访问非本网段（远程网络）地址时，数据包必须发往的目标。通常是路由器的内网接口。
- 子网掩码 (Subnet Mask) 的作用：用于判断一个目标IP地址是在本地子网内，还是在远程网络上。这是主机决定数据包是直接发送还是发给网关的依据。
- 主机路由决策过程：比较
(源IP & 掩码)与(目的IP & 掩码)的结果。
二、考了什么？为什么这么考？
- 第1问：考察对 DHCP协议 的理解。第一小问是网络管理员的基本功——地址规划。第二小问深入到协议细节，考察你是否理解一个没有IP地址的主机是如何“呐喊”出第一个网络数据包的。
- 第2问：考察 ARP协议 与 默认网关 的联动。这是主机访问外网的关键第一步。题目通过“ARP表为空”这个条件，强制你思考从IP寻址到MAC寻址的转换过程，并清晰地区分“为了找到网关而发出的第一个帧（ARP）”和“真正发往网关的数据帧”。
- 第3问：考察对 主机路由决策机制 的深刻理解，以及网络故障排查能力。这是一个非常经典的错误配置场景。它检验你是否明白：一个错误的网关配置，到底会影响哪部分网络通信，为什么？
为什么这么考？ 因为这三个问题串联起了现代网络中一台普通电脑能上网的几乎所有幕后流程。它不是孤立地考某个协议，而是考这些协议如何协同工作，以及配置错误会导致哪个环节“掉链子”。这非常考验考生将理论知识应用于实际场景的能力。
三、解题思路与详细分析 (为什么怎么样？)
问题1分析：DHCP 地址池与报文
-
最大IP地址范围:
- 确定网络范围：从图中
111.123.15.1/24可知，该网络是111.123.15.0，子网掩码是255.255.255.0。IP地址范围从111.123.15.0到111.123.15.255。 - 排除保留地址：
111.123.15.0是网络地址，不能分配。111.123.15.255是广播地址，不能分配。
- 排除已静态分配的地址：
111.123.15.1(路由器/网关)111.123.15.2(DHCP服务器)111.123.15.3(WWW服务器)111.123.15.4(主机1)
- 计算最终范围：可用的地址池是从
111.123.15.5开始，到111.123.15.254结束。 - 结论: 最大范围是
111.123.15.5 ~ 111.123.15.254。
- 确定网络范围：从图中
-
DHCPDiscover 报文的源/目的IP:
- 背景：主机2刚开机，它什么都不知道，连自己的IP地址都没有。
- 源IP地址：因为它没有IP，所以它只能使用一个表示“我还未分配IP”的地址，即
0.0.0.0。 - 目的IP地址：它不知道DHCP服务器在哪，为了让局域网内的所有主机都能听到它的请求，它必须发送一个广播。这个IP分组层的广播地址是
255.255.255.255(受限广播地址)。 - 结论: 源IP是
0.0.0.0，目的IP是255.255.255.255。
问题2分析：ARP 与访问 Internet
-
第一个以太网帧的目的MAC地址:
- 主机2的思考过程：
- 我想访问Internet（一个远程地址）。
- 根据路由原理，我必须把数据包发给我的默认网关。
- 我的默认网关IP是
111.123.15.1(这是通过DHCP获取的)。 - 我想把IP包封装成以太网帧发给它，但我需要它的MAC地址。
- 我的ARP表是空的，我不知道
111.123.15.1的MAC地址。
- 主机2的行动：发送一个ARP请求。这个请求是在问：“局域网里的各位，谁的IP是
111.123.15.1？请告诉我你的MAC地址！” - 为了让局域网里所有设备都收到这个“寻人启事”，ARP请求必须以广播形式在链路层发送。
- 结论: 第一个发出的帧是ARP请求帧，其目的MAC地址是广播MAC地址
FF-FF-FF-FF-FF-FF。
- 主机2的思考过程：
-
封装发往Internet的IP分组的以太网帧的目的MAC地址:
- 后续过程：路由器（
111.123.15.1）收到ARP请求后，会回复一个ARP应答，告诉主机2它的MAC地址是00-a1-a1-a1-a1-a1。主机2会将这个信息存入自己的ARP表。 - 主机2的第二次行动：现在主机2知道了网关的MAC地址，它可以正式地封装那个要去Internet的IP分组了。
- 封装细节：
- IP层：源IP是主机2的IP，目的IP是Internet上某个服务器的IP。
- 以太网帧层：源MAC是主机2的MAC，目的MAC是下一跳（即默认网关）的MAC地址。
- 结论: 封装发往Internet的IP分组的帧，其目的MAC地址是路由器内网接口的MAC地址
00-a1-a1-a1-a1-a1。
- 后续过程：路由器（
问题3分析：错误网关配置的后果
-
主机1的配置：
- IP:
111.123.15.4 - 掩码:
255.255.255.0(正确) - 默认网关:
111.123.15.2(错误! 正确应为111.123.15.1)
- IP:
-
主机1的路由决策逻辑：
当主机1要发包时，它会用自己的掩码255.255.255.0去判断目的地：- 计算
自己的IP & 掩码 - 计算
目的IP & 掩码 - 如果两个结果相等，说明目的地在同一个局域网，直接通过ARP找对方的MAC地址发送。此时不使用网关。
- 如果两个结果不相等，说明目的地在远程网络，必须把包发给配置好的默认网关。
- 计算
-
访问WWW服务器 (
111.123.15.3):- 主机1进行判断：
111.123.15.4 & 255.255.255.0->111.123.15.0111.123.15.3 & 255.255.255.0->111.123.15.0
- 结果相等。主机1认为WWW服务器是本地邻居。它会直接ARP
111.123.15.3的MAC地址，然后将数据帧直接发给WWW服务器。这个过程完全不涉及默认网关。 - 结论: 能访问WWW服务器。
- 主机1进行判断：
-
访问Internet (例如
8.8.8.8):- 主机1进行判断：
111.123.15.4 & 255.255.255.0->111.123.15.08.8.8.8 & 255.255.255.0->8.8.8.0
- 结果不相等。主机1认为Internet是远程网络，必须将包发给它配置的默认网关。
- 它配置的默认网关是
111.123.15.2。于是，主机1会将去往Internet的数据包发给IP地址为111.123.15.2的设备。 111.123.15.2是谁？是DHCP服务器，它不是路由器，没有路由功能，不知道如何将数据包转发到Internet。它收到这个包后，只会默默地丢弃它。- 结论: 不能访问Internet。因为数据包被发送到了一个错误的网关地址，永远无法到达真正的路由器。
- 主机1进行判断：