基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實踐

鄭文光

摘要：該文針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中存在的問題，引入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析的方法對教學(xué)進(jìn)行了探索。以ARP理論學(xué)習(xí)為例，通過網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)抓包分析，把抽象的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例分析，提高了教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析;ARP;教學(xué)方法

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0058-03

The Teaching Practice of Computer Networks Based on the Analyzing of Network Application

ZHENG Wen-guang

（Zhejiang Post and Telecommunication College， Shaoxing 312016， China）

Abstract： In order to solve the problems lying in the teaching of the course of computer networks， the scholarly paper studies the teaching by the method of the analyzing of network application. Taking the ARP theory learning as an example， the paper transforms abstract learning of theory into specific case study of network application by the analysis of grasping data package through network analysis system and achieves my aim of improving the effect of teaching.

Key words： computer networks; the analyzing of network application; ARP; the teaching method

1 引言

《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》是一門理論性很強的專業(yè)核心課程，是后繼學(xué)習(xí)《無線局域網(wǎng)組建與維護(hù)》《網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)》和《物聯(lián)網(wǎng)》等課程的基礎(chǔ)。該課程主要學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)的基本原理、TCP/IP協(xié)議族和基本網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。涉及的基礎(chǔ)理論多，內(nèi)容抽象難以理解。在教學(xué)中，很多老師采用分層教學(xué)，從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層一直到最上的應(yīng)用層，每一層介紹它的功能、協(xié)議和相關(guān)的一些概念，側(cè)重于理論學(xué)習(xí)和理解，很少通過具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析從整體上學(xué)習(xí)協(xié)議的特點及相關(guān)的協(xié)議。

從事《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程教學(xué)多年，一直把基于實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析的教學(xué)方法應(yīng)用于各層次網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。本文將描述基于科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包跟蹤和分析功能，理論聯(lián)系實際以一次連通測試為例學(xué)習(xí)ARP協(xié)議的特點及原理，把抽象的協(xié)議和具體的數(shù)據(jù)包聯(lián)系起來，把復(fù)雜的概念簡單化。

2 ARP協(xié)議簡介

ARP，中文名稱是地址解析協(xié)議，全稱Address Resolution Protocol，它工作在參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，向下和硬件接口聯(lián)系，向上對上層提供服務(wù)。

在以太網(wǎng)通信過程中，一臺計算機要和另一臺計算進(jìn)行通信之前，必須要有目的主機的MAC地址。因此，計算機必須采用某種方法把目的IP地址轉(zhuǎn)換成目的MAC地址。在以太網(wǎng)中，計算機就是通過地址解析協(xié)議ARP實現(xiàn)的。ARP協(xié)議把網(wǎng)絡(luò)中的IP地址解析為對應(yīng)的硬件地址（MAC地址），從而保證通信的順利進(jìn)行。

ARP的工作原理如下：

1） 每臺計算機都會建有一個ARP緩存表，保存已知的IP地址和MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。

2） 當(dāng)源計算機需要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到目的計算機時，首先它要做的是檢查自己的ARP緩存表，查看是否有該目的IP地址對應(yīng)MAC地址的映射記錄。如果存在，就直接發(fā)送數(shù)據(jù)包到這個MAC地址;如果不存在，源計算機就向所在網(wǎng)段發(fā)出一個ARP請求的廣播包，查詢此目的主機對應(yīng)的MAC地址。這個ARP請求數(shù)據(jù)包里包括有源主機的IP地址、源主機的MAC地址以及目的主機的IP地址。

3） 網(wǎng)絡(luò)中所有的主機收到這個ARP請求數(shù)據(jù)包后，首先判斷數(shù)據(jù)包中的目的IP是否和自己的IP地址相同。如果不相同就忽略此數(shù)據(jù)包;如果相同，該主機先將數(shù)據(jù)包中的源IP地址和MAC地址添加到自己的ARP緩存表中，如果緩存表中已經(jīng)存在此IP的信息，則將其覆蓋。然后給源主機發(fā)送一個一對一的ARP響應(yīng)包，該數(shù)據(jù)包封裝了自己的MAC地址。

4） 源主機收到發(fā)來的ARP響應(yīng)包后，將數(shù)據(jù)包里的目的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP緩存表中，并利用獲取的MAC地址開始發(fā)送數(shù)據(jù)。ARP報頭的結(jié)構(gòu)，如表1所示。

硬件類型字段值為1表明硬件接口類型為以太網(wǎng)。

協(xié)議類型字段指明了上一層的協(xié)議類型，IP為0800（16進(jìn)制）。

操作類型字段用于表明這個報文的類型，ARP請求為1，ARP響應(yīng)為2。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，我們會講解ARP的以上知識點，希望通過理論分析讓學(xué)生掌握ARP的功能以及數(shù)據(jù)傳輸流程。這個過程是抽象的，需要大腦想象、分析和形成數(shù)據(jù)流。傳統(tǒng)教學(xué)表明學(xué)生難以理解這些知識，同時學(xué)習(xí)后很容易忘記，教學(xué)效果較差。

3 ARP抓包分析

科來是一家國內(nèi)領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)提供商，通過科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)可以捕獲和分析計算機通信的數(shù)據(jù)包，部署方便高效，能快速地對網(wǎng)絡(luò)故障、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析。

本文以PC1：10.10.70.139和PC2：10.10.70.242的連通性測試為例介紹網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析在抽象的ARP理論學(xué)習(xí)中的作用。設(shè)置科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)過濾器只捕捉ARP和ICMP的通信數(shù)據(jù)包。然后在PC1上執(zhí)行arp–a命令查看本機arp緩存表，結(jié)果如圖1所示。

可以看到本機不存在10.10.70.242的MAC地址記錄，接下來在PC1去PING目標(biāo)PC2，抓取的第一個包如圖2所示。

通過分析抓取的第一個數(shù)據(jù)包我們可以清楚地看到數(shù)據(jù)鏈路層的目標(biāo)地址為FF：FF：FF：FF：FF：FF，表明這是一個廣播包，ARP協(xié)議頭部中操作類型為1，表明這是一個ARP請求，目標(biāo)物理地址為00：00：00：00：00：00，說明目標(biāo)物理地址未知，綜合分析得出PC1在未知PC2的MAC地址情況下，發(fā)出一個ARP廣播查找10.10.70.242的MAC地址。接下來看10.10.70.242返回的數(shù)據(jù)包，如圖3所示。

從數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)可以看出在數(shù)據(jù)鏈路層目標(biāo)地址和源地址都為具體的MAC地址，結(jié)合交換機的工作原理，得出這個數(shù)據(jù)包會被一對一轉(zhuǎn)發(fā)。再看ARP的頭部結(jié)構(gòu)，操作類型為2，說明這是一個ARP響應(yīng)包，包含了源和目標(biāo)的IP和MAC地址，綜合分析得出這個數(shù)據(jù)包是一個一對一的ARP響應(yīng)包。

此時再次在PC1上執(zhí)行arp–a命令，結(jié)果如圖4所示，本機已經(jīng)學(xué)習(xí)到了10.10.70.242的MAC地址。

接下來再次用科來網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)捕捉PC1和PC2的PING測試，結(jié)果如圖5所示。

從中可以看出在PC1已有PC2的MAC地址情況下，未再做ARP請求操作，而是直接發(fā)出回顯請求。

通過簡單的抓包分析，印證了書上介紹的ARP工作原理和ARP的頭部結(jié)構(gòu)，把抽象的理論轉(zhuǎn)變成具體的、可見的數(shù)據(jù)包分析，同時也學(xué)習(xí)了ARP和ICMP協(xié)議涉及的各個協(xié)議。

4 結(jié)束語

基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析的實踐練習(xí)有助于學(xué)生理論聯(lián)系實際，直觀地學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)的各種協(xié)議。同時，在具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析中，可以系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)的一系列協(xié)議，理解分層模型下的協(xié)議調(diào)用。通過實踐，學(xué)生普遍反映基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析的教學(xué)方法有利于他們掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的基本原理，在一定程度上提高了他們的學(xué)習(xí)熱情。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：101-103.

[2] 李萍.Packet Tracer在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（11）：177-179+182.

[3] Forouzan.B.A.TCP/IP協(xié)議族[M]. 3版.謝希仁，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2006.