高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實驗指導(dǎo)書前言計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門理論與實踐緊密結(jié)合的學(xué)科。實驗環(huán)節(jié)作為課程教學(xué)的重要組成部分，旨在幫助學(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò)基本原理、熟悉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實際運作方式、掌握網(wǎng)絡(luò)分析與配置的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。本指導(dǎo)書旨在為學(xué)生提供清晰、規(guī)范的實驗指引，確保實驗教學(xué)的順利進(jìn)行并取得良好效果。本指導(dǎo)書適用于高等院校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、信息技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的本科生，作為《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程配套實驗教材使用。學(xué)生應(yīng)在完成相應(yīng)理論知識學(xué)習(xí)后進(jìn)行實驗，并嚴(yán)格遵守實驗要求和操作規(guī)程。實驗一：TCP/IP協(xié)議?；菊J(rèn)識與常用網(wǎng)絡(luò)命令一、實驗?zāi)康?.理解TCP/IP協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)及其各層主要功能。2.掌握常用網(wǎng)絡(luò)命令的使用方法，能夠利用這些命令獲取網(wǎng)絡(luò)信息、診斷基本網(wǎng)絡(luò)故障。3.熟悉操作系統(tǒng)（Windows或Linux）的網(wǎng)絡(luò)配置界面。二、實驗原理TCP/IP協(xié)議棧是互聯(lián)網(wǎng)的基石，它將網(wǎng)絡(luò)通信過程抽象為若干層次，每一層負(fù)責(zé)特定的功能，并通過層間接口進(jìn)行交互。通常我們將其描述為四層模型（網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層）或與OSI七層模型相對應(yīng)。常用的網(wǎng)絡(luò)命令如`ipconfig`/`ifconfig`、`ping`、`tracert`/`traceroute`、`netstat`、`arp`等，分別用于查看網(wǎng)絡(luò)接口配置、測試網(wǎng)絡(luò)連通性、追蹤數(shù)據(jù)包路徑、顯示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)以及管理ARP緩存等。這些命令是網(wǎng)絡(luò)管理和故障排查的基礎(chǔ)工具。三、實驗環(huán)境與工具1.操作系統(tǒng)：Windows10/11或Linux（如Ubuntu）操作系統(tǒng)的計算機(jī)。2.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：能夠接入局域網(wǎng)，并能訪問互聯(lián)網(wǎng)。3.工具：操作系統(tǒng)自帶的命令提示符（CMD）或終端（Terminal）。四、實驗步驟（一）查看與理解本機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置信息1.Windows系統(tǒng)：*打開“命令提示符”（CMD）。*輸入命令`ipconfig/all`，觀察并記錄本機(jī)的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器地址、物理地址（MAC地址）等信息。*思考：IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器各自的作用是什么？MAC地址有何特點？2.Linux系統(tǒng)：*打開“終端”。*輸入命令`ifconfig`或`ipaddr`，查看并記錄本機(jī)IP地址、子網(wǎng)掩碼、MAC地址等。*輸入命令`cat/etc/resolv.conf`，查看DNS服務(wù)器配置。（二）測試網(wǎng)絡(luò)連通性與路徑追蹤1.使用ping命令：*測試本機(jī)回環(huán)地址連通性：`ping127.0.0.1`。此地址用于測試TCP/IP協(xié)議棧是否正常工作。*測試與局域網(wǎng)內(nèi)其他主機(jī)的連通性（若有條件，如實驗室另一臺已知IP的電腦）：`ping[目標(biāo)IP地址]`。*測試與網(wǎng)關(guān)的連通性：`ping[默認(rèn)網(wǎng)關(guān)IP地址]`。*觀察輸出結(jié)果，理解“字節(jié)”、“時間”、“TTL”等字段的含義。嘗試使用`-t`（Windows）或`-c[次數(shù)]`（Linux）參數(shù)控制ping的持續(xù)時間或次數(shù)。*思考：若ping某個地址失敗，可能的原因有哪些？TTL值的大小與什么有關(guān)？2.使用tracert/traceroute命令：*觀察并記錄數(shù)據(jù)包從本機(jī)到達(dá)目標(biāo)主機(jī)所經(jīng)過的路由節(jié)點IP地址（或域名）及每個節(jié)點的響應(yīng)時間。*思考：如何解讀輸出結(jié)果中的星號（*）？路徑中的節(jié)點數(shù)量是否越多越好？（三）查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)與端口占用1.Windows系統(tǒng)：*輸入命令`netstat-ano`，查看當(dāng)前所有網(wǎng)絡(luò)連接、協(xié)議、本地地址及端口、外部地址及端口、連接狀態(tài)以及對應(yīng)的進(jìn)程ID（PID）。*嘗試使用`netstat-an|findstr"LISTENING"`過濾出處于監(jiān)聽狀態(tài)的端口。2.Linux系統(tǒng)：*輸入命令`netstat-tuln`或`ss-tuln`，查看當(dāng)前監(jiān)聽的TCP和UDP端口。*結(jié)合`ps`命令可以查看特定端口對應(yīng)的進(jìn)程。*思考：LISTENING、ESTABLISHED等狀態(tài)分別代表什么含義？端口號的作用是什么？熟知端口、注冊端口和動態(tài)/私有端口的范圍是多少？（四）ARP緩存表查看與分析1.Windows系統(tǒng)：*輸入命令`arp-a`，查看本機(jī)ARP緩存表，記錄IP地址與MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。*嘗試ping一個局域網(wǎng)內(nèi)未在ARP表中的IP地址（若有），之后再次執(zhí)行`arp-a`，觀察該IP對應(yīng)的MAC地址是否被添加到表中。2.Linux系統(tǒng)：*輸入命令`arp-n`查看ARP緩存表。*思考：ARP協(xié)議的作用是什么？ARP緩存的目的是什么？五、實驗思考與討論1.比較`ipconfig`（Windows）和`ifconfig`/`ip`（Linux）命令輸出信息的異同。3.`ping`命令基于ICMP協(xié)議，請簡述ICMP協(xié)議的主要功能。4.若本機(jī)無法訪問互聯(lián)網(wǎng)，但局域網(wǎng)內(nèi)其他主機(jī)可以，可能的故障點有哪些？如何逐步排查？實驗二：以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析一、實驗?zāi)康?.理解以太網(wǎng)（Ethernet）的基本工作原理，掌握以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)。2.學(xué)會使用Wireshark軟件捕獲和分析以太網(wǎng)幀。3.觀察MAC地址在數(shù)據(jù)鏈路層通信中的作用。二、實驗原理以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報封裝成幀，并通過物理介質(zhì)傳輸。以太網(wǎng)幀包含源MAC地址、目的MAC地址、類型/長度字段、數(shù)據(jù)字段和幀校驗序列（FCS）等。Wireshark是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器，它能夠捕獲流經(jīng)本機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，并對其進(jìn)行詳細(xì)的解析，幫助用戶理解協(xié)議的具體實現(xiàn)和數(shù)據(jù)的傳輸過程。三、實驗環(huán)境與工具1.操作系統(tǒng)：Windows10/11或Linux操作系統(tǒng)的計算機(jī)。2.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：接入局域網(wǎng)。3.工具：Wireshark軟件（需提前安裝）。四、實驗步驟（一）Wireshark軟件基本操作1.啟動Wireshark，選擇當(dāng)前正在使用的網(wǎng)絡(luò)接口（如以太網(wǎng)、Wi-Fi）進(jìn)行數(shù)據(jù)包捕獲。2.熟悉Wireshark界面布局：菜單欄、工具欄、捕獲過濾器、顯示過濾器、數(shù)據(jù)包列表窗格、數(shù)據(jù)包詳細(xì)信息窗格、數(shù)據(jù)包字節(jié)流窗格。（二）捕獲并分析以太網(wǎng)幀1.捕獲本機(jī)與網(wǎng)關(guān)通信的以太網(wǎng)幀：*在Wireshark的捕獲過濾器中輸入`arp`或`icmp`，然后點擊開始捕獲按鈕。*打開命令提示符/終端，執(zhí)行`ping[默認(rèn)網(wǎng)關(guān)IP]`命令。*待ping命令執(zhí)行完畢后，停止Wireshark捕獲。2.分析ARP請求與應(yīng)答幀：*在Wireshark的顯示過濾器中輸入`arp`，篩選出ARP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。*找到一個ARP請求（ARPRequest）和一個ARP應(yīng)答（ARPReply）數(shù)據(jù)包。*展開“EthernetII”部分，觀察并記錄：*源MAC地址（Source）*目的MAC地址（Destination）：ARP請求幀的目的MAC地址有何特點？*類型字段（Type）：對于ARP幀，該字段值通常是多少？*展開“AddressResolutionProtocol(request/reply)”部分，理解ARP報文的結(jié)構(gòu)，如硬件類型、協(xié)議類型、操作碼等。3.分析ICMP回顯請求與應(yīng)答幀（封裝在IP數(shù)據(jù)報中）：*在顯示過濾器中輸入`icmp`，篩選出ICMP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。*找到一個ICMP回顯請求（Echo(ping)request）和一個ICMP回顯應(yīng)答（Echo(ping)reply）數(shù)據(jù)包。*展開“EthernetII”部分，觀察此時的源MAC地址和目的MAC地址與ARP幀有何不同。*記錄以太網(wǎng)幀的類型字段值，思考該值代表什么含義（提示：IP協(xié)議）。4.分析以太網(wǎng)幀的其他字段：*觀察以太網(wǎng)幀的長度。以太網(wǎng)幀有最小幀長和最大幀長限制，查閱資料，了解其具體數(shù)值及原因。*找到幀校驗序列（FCS）字段，思考其作用。五、實驗思考與討論1.以太網(wǎng)幀中的類型字段（Type）和長度字段（Length）如何區(qū)分？它們的取值范圍有何不同？2.為什么ARP請求幀是廣播發(fā)送的，而ARP應(yīng)答幀是單播發(fā)送的？3.在捕獲的ICMP數(shù)據(jù)包中，以太網(wǎng)幀的源MAC地址和目的MAC地址是本機(jī)和目標(biāo)IP主機(jī)的MAC地址嗎？為什么？這說明了什么？4.如果在一個共享式以太網(wǎng)中（使用集線器），Wireshark能否捕獲到其他主機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)包？為什么？在交換式以太網(wǎng)中呢？實驗三：IP協(xié)議分析與ICMP協(xié)議應(yīng)用一、實驗?zāi)康?.深入理解IP數(shù)據(jù)報的格式及其各字段的含義。2.掌握ICMP協(xié)議的主要功能，理解ping和tracert命令的工作原理。3.學(xué)會使用Wireshark分析IP數(shù)據(jù)報和ICMP報文。二、實驗原理IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)路由到目的主機(jī)。IP數(shù)據(jù)報由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，首部包含了版本、首部長度、總長度、TTL、協(xié)議、源IP地址、目的IP地址等重要信息。ICMP（Internet控制消息協(xié)議）是IP層的一個輔助協(xié)議，用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息和差錯報告。常見的ICMP消息類型有回顯請求與應(yīng)答（用于ping命令）、目的不可達(dá)、時間超過（用于tracert命令）等。三、實驗環(huán)境與工具1.操作系統(tǒng)：Windows10/11或Linux操作系統(tǒng)的計算機(jī)。2.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：接入局域網(wǎng)，并能訪問互聯(lián)網(wǎng)。3.工具：Wireshark軟件，命令提示符（CMD）或終端（Terminal）。四、實驗步驟（一）捕獲并分析IP數(shù)據(jù)報1.啟動Wireshark，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)接口開始捕獲。3.停止捕獲，在Wireshark顯示過濾器中輸入`ip`，篩選出所有IP數(shù)據(jù)包。4.選擇一個從本機(jī)發(fā)送到百度服務(wù)器的ICMPEchoRequest數(shù)據(jù)包（其上層協(xié)議為ICMP）。5.展開“InternetProtocolVersion4”部分，詳細(xì)觀察并記錄以下字段：*Version(版本)：IPv4還是IPv6？*HeaderLength(首部長度)：單位是什么？該值表示IP首部實際長度是多少字節(jié)？*DifferentiatedServicesField(區(qū)分服務(wù)字段)*TotalLength(總長度)：整個IP數(shù)據(jù)報的長度。*Identification(標(biāo)識)、Flags(標(biāo)志)、FragmentOffset(片偏移)：理解這些字段與IP分片的關(guān)系。*TimetoLive(TTL)：記錄該值。思考TTL的作用是什么？它是如何變化的？*Protocol(協(xié)議)：該字段指示上層使用的協(xié)議，ICMP對應(yīng)的協(xié)議號是多少？TCP和UDP的協(xié)議號呢？*HeaderChecksum(首部校驗和)*SourceAddress(源IP地址)：是否為本機(jī)IP？*DestinationAddress(目的IP地址)：這是百度服務(wù)器的IP嗎？（二）分析ICMP協(xié)議報文1.在Wireshark顯示過濾器中輸入`icmp`，篩選出ICMP數(shù)據(jù)包。2.分析ICMPEchoRequest(ping請求)和EchoReply(ping應(yīng)答)：*選擇一個EchoRequest報文，展開“InternetControlMessageProtocol”部分。*Type(類型)：EchoRequest的類型值是多少？EchoReply呢？*Code(代碼)：通常為0。*Checksum(校驗和)*Identifier(標(biāo)識符)、Sequencenumber(序列號)：用于匹配請求和應(yīng)答。*Data(數(shù)據(jù))：ping命令發(fā)送的數(shù)據(jù)部分。*對比EchoRequest和對應(yīng)的EchoReply報文，觀察它們的Identifier、Sequencenumber和Data部分有何關(guān)系。3.利用tracert/traceroute命令分析ICMPTimeExceeded報文：*清空Wireshark之前的捕獲數(shù)據(jù)，或使用新的捕獲文件。*在Wireshark顯示過濾器中輸入`icmp`。*觀察Wireshark捕獲到的ICMP報文。除了EchoRequest和Reply外，還會出現(xiàn)大量的ICMPTimeExceeded(時間超過)報文。*分析一個ICMPTimeExceeded報文：*Type(類型)：TimeExceeded的類型值是多少？*Code(代碼)：通常為0(TTLexpiredintransit)。*思考：tracert/traceroute命令是如何利用ICMPTimeExceeded報文來實現(xiàn)路徑追蹤功能的？其發(fā)送的探測報文有何特點（提示：TTL值）？五、實驗思考與討論1.IP數(shù)據(jù)報中的TTL字段值在傳輸過程中是如何變化的？如果TTL值減為0，路由器會如何處理該數(shù)據(jù)報？2.當(dāng)目的主機(jī)不可達(dá)時（例如ping一個不存在的局域網(wǎng)IP），源主機(jī)會收到哪種類型的ICMP報文？嘗試捕獲并分析。3.IP分片是在什么情況下發(fā)生的？如何通過IP數(shù)據(jù)報首部的相關(guān)字段來重組分片？4.對比分析ping命令和tracert命令在使用ICMP協(xié)議上的異同。實驗四：傳輸層協(xié)議TCP與UDP分析一、實驗?zāi)康?.理解TCP協(xié)