計算機網絡實驗教學的設計與思考*

年梅++張蘭芳

摘 要：針對高校計算機網絡實驗教學，文章提出了將協議實驗與服務器配置相結合，提升學生實踐能力的同時加深學生對網絡協議理解的實驗設計方法。本設計首先分析服務的功能、確定服務配置參數及服務協議知識點，借助虛擬機平臺搭建服務器和客戶機拓撲，然后進行服務配置和功能測試，最后利用Wireshark軟件對協議包進行獲取和分析。通過DHCP協議實驗設計過程為例，證實了該方法的可行性。

關鍵詞：實驗設計；網絡協議； DHCP；協議包分析

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8454（2014）10-0071-04

一、引言

《計算機網絡》是信息技術相關專業本專科的必修課，是計算機科學與技術專業考研必考科目之一，要求學生掌握一定的理論深度。同時，網絡技術應用范圍越來越廣，社會對掌握網絡工程實踐技能的人才需求越來越大。針對這種狀況，我們將網絡課程的目標設置為：使學生熟練掌握計算機網絡的體系結構、局域網、廣域網、網絡互連和Internet協議等網絡基本原理和配置技術，讓學生能夠“學網”、“建網”、“用網”和“管網”，為后續學習和未來工作打下扎實的理論基礎和實踐技能。如何加深學生對網絡理論的理解以及讓學生掌握較強的實踐能力，網絡實驗起到了至關重要的作用。

目前，高校開設的《計算機網絡》實驗主要包括了三類：一是計算機網絡協議實驗，通過讓學生對網絡協議包的抓取和分析，加深對網絡體系結構，網絡協議的語法、語義以及協議執行順序的理解。二是網絡工程實驗，幫助學生學會交換機、路由器以及服務器的配置，掌握管理局域網和廣域網基本技能。三是計算機網絡編程實驗，培養學生網絡編程的思想和方法。通過這幾類實驗的培養，基本能夠滿足本課程培養目標要求。

目前的網絡實驗模式存在以下問題：有些學校沒有條件建立專門的網絡協議實驗室和網絡工程實驗室，無法開設網絡協議實驗，影響了學生對協議的理解；其次，很多高校的網絡協議和網絡工程類是專門的軟硬結合的實驗室，兩個實驗室中開設的實驗內容相互隔離，無法根據教學需要自主設計和調整實驗內容；網絡工程實驗只關注網絡設備和服務器的配置與管理，并未考慮服務實現中協議的作用。這種實驗方案無法將兩類實驗相結合，培養工程能力同時加深理論理解。如何解決以上問題，打破協議實驗和工程實驗之間的壁壘，滿足無協議實驗室高校能夠開設網絡協議類實驗，是本文要解決的主要問題。

二、問題的解決方法

《計算機網絡》中最重要的概念就是網絡協議。單純依靠教師講解網絡協議，學生缺乏對網絡協議的感性認識，無法深入地理解網絡協議。由于技術的不斷發展，網絡工具越來越多，出現了各種網絡嗅探器，如Sniffer、Wireshark等，這些工具能夠進行協議數據包的獲取和分析，因此能有效地彌補無網絡協議實驗室的問題。此外，網絡虛擬機軟件的出現，能夠在一臺計算機上搭建客戶/服務器等復雜網絡拓撲，為學生獨立完成從網絡服務拓撲搭建到服務功能測試的實驗提供了技術支持。

由此可知，在普通機房中開設網絡服務器配置管理與協議分析實驗是可能的。但如何達到培養目標，最重要的問題是提供精心設計的實驗內容，在實驗中融合服務功能和服務協議分析，在潛移默化中讓學生深入理解網絡協議的功能和作用。

1.Wireshark抓包軟件簡介

Wireshark（前稱Ethereal）是一個網絡抓包分析軟件，其功能是抓取網絡中各層次的協議數據包，并盡可能顯示出最為詳細的網絡協議包的信息。網絡管理員可以使用Wireshark來檢測網絡問題，網絡安全工程師可以使用Wireshark來檢查資訊安全相關問題，我們可以使用Wireshark來學習網絡協定的相關知識。[1]本文主要利用Wireshark來獲取并分析網絡協議的語法、語義和順序，為學生深刻理解網絡協議和體系結構提供幫助。

2.VMware Workstation軟件介紹

VMware Workstation是一款功能強大的桌面虛擬計算機軟件，它可在一部實際機器上模擬完整的網絡環境，以及可便于攜帶的虛擬機器，利用VMware Workstation，可以在一個窗口中加載一臺虛擬機，它可以運行自己的操作系統和應用程序。用戶可以在運行于桌面上的多臺虛擬機之間切換，通過一個網絡共享虛擬機。該軟件為我們在普通的PC機上實現客戶/服務器網絡拓撲結構提供了支持。

3.實驗設計的思路

本類實驗設計主要包括了以下步驟：

（1）確定實驗拓撲結構。該階段是整個實驗成功的關鍵，其主要任務是確定配置的服務器、客戶數量，考慮是否需要轉發設備等。

（2）根據服務器的功能，確定服務器和客戶機配置的參數以及如何通過客戶機測試服務器的功能。

（3）如有轉發設備或者中間設備，確定中轉設備的數量、硬件結構和配置參數。

（4）實驗拓撲中的每臺設備（包括服務器和客戶機）都安裝Wireshark軟件，設計在哪些設備上抓取協議包以及抓取該協議的哪些種類報文等。

（5）通過課程綱要中對協議的知識點要求，確定需要對哪些類型的協議報文進行分析以及如何分析協議的順序。確定重點分析協議報文中哪些字段及這些字段在協議中作用。

三、實驗設計實例——DHCP實驗設計

按照實驗設計的步驟，我們以DHCP實驗為例，介紹了如何應用該設計方法，進行DHCP實驗內容的設計與實施。

1.DHCP協議的分析

動態主機配置協議（Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP）是一個局域網的網絡協議，使用UDP協議工作，主要有兩個用途：給內部網絡或網絡服務供應商自動分配IP地址，給用戶或者內部網絡管理員提供作為對所有計算機進行中央管理的手段。

DHCP是一種典型的客戶/服務器的服務模式，主要任務是IP地址的分配。DHCP對服務器的主要配置和管理就是對其預分配的地址范圍數據庫的管理。該地址范圍可以是一個網絡的也可以是多個網絡的。客戶機的配置就是使其能夠實現自動地址獲取配置。

DHCP服務器除了能夠為本局域網內的計算機分配IP地址外，還能給外網的機器分配IP地址，為此需要設計一臺DHCP中繼代理服務器，該中繼設備需要連接兩個網絡，可以對不在同一網絡中其它客戶機的請求和應答信息進行轉發。

DHCP協議實現過程中共有7種報文。Dhcpdiscover是 client開始DHCP過程中的第一個請求報文；dhcpoffer 是server對dhcpdiscover報文的響應；dhcprequst 是client 對dhcpoffer報文的響應；Dhcpdeclient是client發現server 分配給它的IP地址無法使用（如 IP地址發生沖突），將發出此報文讓server禁止使用這次分配的IP地址的報文；dhcpack是server對dhcprequst報文的響應，client收到此報文后才真正獲得了IP地址和相關配置信息；dhcpnack是server對client的dhcprequst報文的拒絕響應，client 收到此報文后，一般會重新開始DHCP過程；dhcprelease是 client主動釋放IP地址，當server 收到此報文后就可以收回IP地址分配給其他的client。

2.DHCP實驗的拓撲設計

按照對DHCP的分析，我們設置了2臺服務器，一臺用作DHCP服務器，一臺用作DHCP中繼代理服務器，該DHCP中繼代理服務器上需要配置兩塊網卡，一塊連接內網，一塊連接外網。為了驗證IP地址的分配結果以及轉發的結果，至少需要兩臺客戶機，是分別進行內外網地址獲取的驗證設備。按照上述要求，設計了如圖1所示的拓撲結構。

3. DHCP實驗內容的設計

（1）按照設計的DHCP實驗拓撲結構，安裝兩臺Windows 2003 server虛擬機和兩臺Windows XP虛擬機。其中一臺server虛擬機設置為DHCP服務器，另一臺server虛擬機設置為DHCP中繼代理服務器（也稱轉發器），并在該機器中配置了兩塊網卡。設置兩個網段，即LAN segment1、LAN segment2。把DHCP服務器、客戶機A、DHCP中繼代理服務器的網卡1（本地連接）設置為LAN segment1，把客戶機B、DHCP中繼代理服務器的網卡2（本地連接2）設置為LAN segment2。

（2）設置DHCP服務器的IP地址、網關、DHCP作用域（LAN 1和LAN 2的地址范圍）。實驗時將DHCP服務器的IP地址設置為192.168.10.1，網關為192.168.10.30（指向DHCP中繼代理服務器的IP地址），DNS為192.168.10.1；設置第一個DHCP作用域area1，范圍為192.168.10.2～192.168.10.50，要排除的IP地址為192.168.10.30，租約期限使用默認，路由器（默認網關）為192.168.10.1；設置第二個DHCP作用域area2，其范圍為192.168.20.2～192.168.20.50，地址租約期限設置默認，路由器（默認網關）為192.168.20.1；建立超級作用域hr，包括area1和area2兩個作用域，并授權。

（3）DHCP中繼代理服務器的配置。DHCP中繼代理服務器的網卡1連接DHCP服務器，IP地址為192.168.10.30（DHCP服務器的網關地址），網卡2連接LAN 2，IP地址為192.168.20.1；在該機器上配置路由轉發和DHCP中繼代理功能使子網192.168.20.0的客戶機可以使用子網192.168.10.0的DHCP服務器。

（4）用主機A和B進行內外網獲取地址的測試。將機器的TCP/IP屬性設置為“自動獲取IP地址”以及“自動獲取DNS服務器的地址”。

（5）DHCP協議實現過程中共有7種報文，為了盡可能測試各種協議報文的作用和執行順序，設計了以下實驗內容，每個實驗前都需要：打開所有設備上的Wireshark軟件，設置為俘獲DHCP協議數據包，并啟動數據俘獲功能。每個實驗結束后都停止俘獲報文并進行實驗分析。

①分別在每個客戶機上使用命令IPCONFIG /all查看獲取IP地址的結果，并整理獲取的所有DHCP報文，分析報文的地址和類型字段。列出俘獲的各類DHCP報文的順序。

②分別在每個客戶機上使用命令。IPCONFIG /release釋放IP地址，整理獲取的DHCP報文，分析這些報文的地址和類型字段。列出俘獲的各類DHCP報文的順序。

③將DHCP中繼代理服務器上。Wireshark軟件打開，在其兩塊網卡上設置DHCP協議報文的俘獲，然后分別在兩個客戶機上使用命令IPCONFIG /renew重新獲取IP地址。停止DHCP中繼代理服務器上的DHCP俘獲，整理兩個網絡接口上獲取的各類DHCP報文，分析報文類型和順序。對兩個接口上俘獲的DHCP請求、應答報文的地址信息進行記錄然后比較。

4.DHCP實驗結果分析

按照實驗設計得到以下的實驗結果：

（1）在兩臺客戶機上執行了IPCONFIG /all命令后，兩個主機上均獲得了正確的IP地址，證明DHCP服務設置正確。同時，我們在實驗的DHCP服務器上獲取了地址分配時的DHCP報文，如圖2所示。在圖2中用方框標識的是為主機A分配IP所用DHCP報文，可以看出DHCP地址分配使用了四類報文，分別是dhcpdiscover、dhcpoffer、dhcprequest和dhcpack，以上列出的順序就是該協議報文的執行順序。圖2下半部分是dhcpoffer報文的解析結果，通過解析清楚地看到擬分配的地址是192.168.10.2以及該地址的各種租約期限等。

（2）使用IPCONFIG /release后，在DHCP服務器上獲取了如圖3上半部分所示的數據包，表示192.168.20.2（客戶機B）、192.168.10.2（客戶機A）釋放IP地址時僅使用了一種報文，即dhcprelease報文。使用IPCONFIG /renew后，在DHCP服務器上俘獲的DHCP報文如圖3下半部分所示。從圖3中可以看出，renew過程相當于執行了一次地址釋放和一次地址分配過程。在圖3中，用方框標識的是主機A地址獲取時的DHCP報文，剩下的報文則是主機B地址獲取時的DHCP。

（3）在DHCP中繼代理服務器上，網卡1上俘獲的DHCP報文如圖4上半部分所示，網卡2上俘獲的DHCP報文如圖4下半部分所示。從圖4上下兩部分的對比發現，主機B發出的dhcpdiscover和dhcprequest，在LAN segment2上傳遞時，報文的源地址為0.0.0.0，目標地址為255.255.255.255，由此證明是廣播傳遞。經DHCP轉發器轉發后，報文的源地址為192.168.20.1（DHCP中繼代理地址），目標地址為192.168.10.1，轉變為單播傳遞。為了更為清晰地表達，我們在圖4上下兩部分的對應位置上用方框進行了標識。從以上對比證實了DHCP在跨網地址分配時，DHCP的請求應答報文在不同的網段上以不同的傳播方式進行傳遞。

四、結束語

計算機網絡是一門理論與實踐結合非常緊密的課程，通過實驗能夠加深對理論的理解，掌握計算機網絡工程的實踐技能。精心設計的實驗，能夠讓學生在工程中深入理解網絡原理，激發他們的求知欲望，同時充分利用現有信息技術，解決一些學校在設備不足的情況下，提升學生的綜合設計性能力的實驗思路。本文以網絡中常用的DHCP協議為例，介紹了該類實驗設計的思路。限于篇幅，文中未將所有的實驗結果羅列出來，如僅將dhcpoffer的解析展示給大家，教師還可以根據需要設計分析更多的協議報文以及協議字段的信息，引導學生進行深入思考。希望通過本文，給教師們一點參考，能夠促進教師將多年的教學經驗進行總結，為學生精心設計更多的綜合性實驗，幫助學生達到課程培養的目標。

參考文獻：

[1]百度百科.Wireshark[DB/OL]http://baike.baidu.com/link?url=W1Su2atwHdLqM0wSTk2QsXPkHdF0VZr PF7lDXUWsE_fZtFmMs54YEcOwmp1GlRR,2013-10-22/2013-10-31.

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[3]蔣一川，王陳章，曹巖，高菲等.計算機網絡實驗教學系統V1.1實驗教程（IPv4網絡協議篇）[M].吉林中軟吉大信息技術有限公司.2011.8:162-175.

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（編輯：魯利瑞）