計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與思考*——以DHCP協(xié)議實(shí)驗(yàn)為

年 梅，張?zhí)m芳

（1.新疆大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)博士后流動站，新疆 烏魯木齊830054；2.新疆師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆，烏魯木齊830054）

一、引言

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》是信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)本?？频谋匦拚n，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)考研必考科目之一，要求學(xué)生掌握一定的理論深度。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，社會對掌握網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐技能的人才需求越來越大。針對這種狀況，我們將網(wǎng)絡(luò)課程的目標(biāo)設(shè)置為：使學(xué)生熟練掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)互連和Internet協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)基本原理和配置技術(shù)，讓學(xué)生能夠“學(xué)網(wǎng)”、“建網(wǎng)”、“用網(wǎng)”和“管網(wǎng)”，為后續(xù)學(xué)習(xí)和未來工作打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐技能。如何加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)理論的理解以及讓學(xué)生掌握較強(qiáng)的實(shí)踐能力，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用。

目前，高校開設(shè)的《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)主要包括了三類：一是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)，通過讓學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包的抓取和分析，加深對網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語法、語義以及協(xié)議執(zhí)行順序的理解。二是網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生學(xué)會交換機(jī)、路由器以及服務(wù)器的配置，掌握管理局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)基本技能。三是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)編程的思想和方法。通過這幾類實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)，基本能夠滿足本課程培養(yǎng)目標(biāo)要求。

目前的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖谝韵聠栴}：有些學(xué)校沒有條件建立專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，無法開設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)，影響了學(xué)生對協(xié)議的理解；其次，很多高校的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)工程類是專門的軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互隔離，無法根據(jù)教學(xué)需要自主設(shè)計(jì)和調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)只關(guān)注網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的配置與管理，并未考慮服務(wù)實(shí)現(xiàn)中協(xié)議的作用。這種實(shí)驗(yàn)方案無法將兩類實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)工程能力同時(shí)加深理論理解。如何解決以上問題，打破協(xié)議實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)之間的壁壘，滿足無協(xié)議實(shí)驗(yàn)室高校能夠開設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類實(shí)驗(yàn)，是本文要解決的主要問題。

二、問題的解決方法

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》中最重要的概念就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。單純依靠教師講解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，學(xué)生缺乏對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的感性認(rèn)識，無法深入地理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)工具越來越多，出現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)嗅探器，如Sniffer、Wireshark等，這些工具能夠進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)包的獲取和分析，因此能有效地彌補(bǔ)無網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)室的問題。此外，網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)軟件的出現(xiàn)，能夠在一臺計(jì)算機(jī)上搭建客戶/服務(wù)器等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，為學(xué)生獨(dú)立完成從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拓?fù)浯罱ǖ椒?wù)功能測試的實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)支持。

由此可知，在普通機(jī)房中開設(shè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置管理與協(xié)議分析實(shí)驗(yàn)是可能的。但如何達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)，最重要的問題是提供精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)中融合服務(wù)功能和服務(wù)協(xié)議分析，在潛移默化中讓學(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功能和作用。

1.Wireshark抓包軟件簡介

Wireshark（前稱Ethereal）是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)抓包分析軟件，其功能是抓取網(wǎng)絡(luò)中各層次的協(xié)議數(shù)據(jù)包，并盡可能顯示出最為詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包的信息。網(wǎng)絡(luò)管理員可以使用Wireshark來檢測網(wǎng)絡(luò)問題，網(wǎng)絡(luò)安全工程師可以使用Wireshark來檢查資訊安全相關(guān)問題，我們可以使用Wireshark來學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)定的相關(guān)知識。[1]本文主要利用Wireshark來獲取并分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語法、語義和順序，為學(xué)生深刻理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)提供幫助。

2.VMwareWorkstation軟件介紹

VMwareWorkstation是一款功能強(qiáng)大的桌面虛擬計(jì)算機(jī)軟件，它可在一部實(shí)際機(jī)器上模擬完整的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以及可便于攜帶的虛擬機(jī)器，利用VMwareWorkstation，可以在一個(gè)窗口中加載一臺虛擬機(jī)，它可以運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。用戶可以在運(yùn)行于桌面上的多臺虛擬機(jī)之間切換，通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享虛擬機(jī)。該軟件為我們在普通的PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)客戶/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了支持。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路

本類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括了以下步驟：

（1）確定實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該階段是整個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，其主要任務(wù)是確定配置的服務(wù)器、客戶數(shù)量，考慮是否需要轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等。

（2）根據(jù)服務(wù)器的功能，確定服務(wù)器和客戶機(jī)配置的參數(shù)以及如何通過客戶機(jī)測試服務(wù)器的功能。

（3）如有轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備或者中間設(shè)備，確定中轉(zhuǎn)設(shè)備的數(shù)量、硬件結(jié)構(gòu)和配置參數(shù)。

（4）實(shí)驗(yàn)拓?fù)渲械拿颗_設(shè)備（包括服務(wù)器和客戶機(jī)）都安裝Wireshark軟件，設(shè)計(jì)在哪些設(shè)備上抓取協(xié)議包以及抓取該協(xié)議的哪些種類報(bào)文等。

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

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例——DHCP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的步驟，我們以DHCP實(shí)驗(yàn)為例，介紹了如何應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行DHCP實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

1.DHCP協(xié)議的分析

動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議 （DynamicHostConfiguration Protocol,DHCP）是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用UDP協(xié)議工作，主要有兩個(gè)用途：給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動分配IP地址，給用戶或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員提供作為對所有計(jì)算機(jī)進(jìn)行中央管理的手段。

DHCP是一種典型的客戶/服務(wù)器的服務(wù)模式，主要任務(wù)是IP地址的分配。DHCP對服務(wù)器的主要配置和管理就是對其預(yù)分配的地址范圍數(shù)據(jù)庫的管理。該地址范圍可以是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的也可以是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的?？蛻魴C(jī)的配置就是使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動地址獲取配置。

DHCP服務(wù)器除了能夠?yàn)楸揪钟蚓W(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)分配IP地址外，還能給外網(wǎng)的機(jī)器分配IP地址，為此需要設(shè)計(jì)一臺DHCP中繼代理服務(wù)器，該中繼設(shè)備需要連接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以對不在同一網(wǎng)絡(luò)中其它客戶機(jī)的請求和應(yīng)答信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

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

2.DHCP實(shí)驗(yàn)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)

圖1DHCP實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照對DHCP的分析，我們設(shè)置了2臺服務(wù)器，一臺用作DHCP服務(wù)器，一臺用作DHCP中繼代理服務(wù)器，該DHCP中繼代理服務(wù)器上需要配置兩塊網(wǎng)卡，一塊連接內(nèi)網(wǎng)，一塊連接外網(wǎng)。為了驗(yàn)證IP地址的分配結(jié)果以及轉(zhuǎn)發(fā)的結(jié)果，至少需要兩臺客戶機(jī)，是分別進(jìn)行內(nèi)外網(wǎng)地址獲取的驗(yàn)證設(shè)備。按照上述要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.DHCP實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

（1）按照設(shè)計(jì)的DHCP實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，安裝兩臺Windows2003server虛擬機(jī)和兩臺WindowsXP虛擬機(jī)。其中一臺server虛擬機(jī)設(shè)置為DHCP服務(wù)器，另一臺server虛擬機(jī)設(shè)置為DHCP中繼代理服務(wù)器（也稱轉(zhuǎn)發(fā)器），并在該機(jī)器中配置了兩塊網(wǎng)卡。設(shè)置兩個(gè)網(wǎng)段，即LANsegment1、LANsegment2。把DHCP服務(wù)器、客戶機(jī)A、DHCP中繼代理服務(wù)器的網(wǎng)卡1（本地連接）設(shè)置為LANsegment1，把客戶機(jī)B、DHCP中繼代理服務(wù)器的網(wǎng)卡2（本地連接2）設(shè)置為LANsegment2。

（2）設(shè)置DHCP服務(wù)器的IP地址、網(wǎng)關(guān)、DHCP作用域（LAN1和LAN2的地址范圍）。實(shí)驗(yàn)時(shí)將DHCP服務(wù)器的 IP地址設(shè)置為 192.168.10.1， 網(wǎng)關(guān)為192.168.10.30（指向DHCP中繼代理服務(wù)器的IP地址），DNS為192.168.10.1；設(shè)置第一個(gè)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(rèn)，路由器（默認(rèn)網(wǎng)關(guān)）為192.168.10.1；設(shè)置第二個(gè)DHCP作用域area2，其范圍為192.168.20.2～192.168.20.50，地址租約期限設(shè)置默認(rèn)，路由器（默認(rèn)網(wǎng)關(guān)）為192.168.20.1；建立超級作用域hr，包括area1和area2兩個(gè)作用域，并授權(quán)。

（3）DHCP中繼代理服務(wù)器的配置。DHCP中繼代理服務(wù)器的網(wǎng)卡1連接DHCP服務(wù)器，IP地址為192.168.10.30（DHCP服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)地址），網(wǎng)卡2連接LAN2，IP地址為192.168.20.1；在該機(jī)器上配置路由轉(zhuǎn)發(fā)和DHCP中繼代理功能使子網(wǎng)192.168.20.0的客戶機(jī)可以使用子網(wǎng)192.168.10.0的DHCP服務(wù)器。

（4）用主機(jī)A和B進(jìn)行內(nèi)外網(wǎng)獲取地址的測試。將機(jī)器的TCP/IP屬性設(shè)置為“自動獲取IP地址”以及“自動獲取DNS服務(wù)器的地址”。

（5）DHCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程中共有7種報(bào)文，為了盡可能測試各種協(xié)議報(bào)文的作用和執(zhí)行順序，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每個(gè)實(shí)驗(yàn)前都需要：打開所有設(shè)備上的Wireshark軟件，設(shè)置為俘獲DHCP協(xié)議數(shù)據(jù)包，并啟動數(shù)據(jù)俘獲功能。每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后都停止俘獲報(bào)文并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

①分別在每個(gè)客戶機(jī)上使用命令I(lǐng)PCONFIG/all查看獲取IP地址的結(jié)果，并整理獲取的所有DHCP報(bào)文，分析報(bào)文的地址和類型字段。列出俘獲的各類DHCP報(bào)文的順序。

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

③將DHCP中繼代理服務(wù)器上。Wireshark軟件打開，在其兩塊網(wǎng)卡上設(shè)置DHCP協(xié)議報(bào)文的俘獲，然后分別在兩個(gè)客戶機(jī)上使用命令I(lǐng)PCONFIG/renew重新獲取IP地址。停止DHCP中繼代理服務(wù)器上的DHCP俘獲，整理兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口上獲取的各類DHCP報(bào)文，分析報(bào)文類型和順序。對兩個(gè)接口上俘獲的DHCP請求、應(yīng)答報(bào)文的地址信息進(jìn)行記錄然后比較。

4.DHCP實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）在兩臺客戶機(jī)上執(zhí)行了IPCONFIG/all命令后，兩個(gè)主機(jī)上均獲得了正確的IP地址，證明DHCP服務(wù)設(shè)置正確。同時(shí)，我們在實(shí)驗(yàn)的DHCP服務(wù)器上獲取了地址分配時(shí)的DHCP報(bào)文，如圖2所示。在圖2中用方框標(biāo)識的是為主機(jī)A分配IP所用DHCP報(bào)文，可以看出DHCP地址分配使用了四類報(bào)文，分別是dhcpdiscover、dhcpoffer、dhcprequest和dhcpack，以上列出的順序就是該協(xié)議報(bào)文的執(zhí)行順序。圖2下半部分是dhcpoffer報(bào)文的解析結(jié)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。

圖2客戶機(jī)B執(zhí)行ipconfig/all的結(jié)果

圖3執(zhí)行ipconfig/release和ipconfig/renew的結(jié)果

（2）使用IPCONFIG/release后，在DHCP服務(wù)器上獲取了如圖3上半部分所示的數(shù)據(jù)包，表示192.168.20.2（客戶機(jī)B）、192.168.10.2（客戶機(jī)A）釋放IP地址時(shí)僅使用了一種報(bào)文，即dhcprelease報(bào)文。使用IPCONFIG/renew后，在DHCP服務(wù)器上俘獲的DHCP報(bào)文如圖3下半部分所示。從圖3中可以看出，renew過程相當(dāng)于執(zhí)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(biāo)識的是主機(jī)A地址獲取時(shí)的DHCP報(bào)文，剩下的報(bào)文則是主機(jī)B地址獲取時(shí)的DHCP。

圖4DHCP轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)卡1、2獲取的DHCP報(bào)文

（3）在DHCP中繼代理服務(wù)器上，網(wǎng)卡1上俘獲的DHCP報(bào)文如圖4上半部分所示，網(wǎng)卡2上俘獲的DHCP報(bào)文如圖4下半部分所示。從圖4上下兩部分的對比發(fā)現(xiàn)，主機(jī)B發(fā)出的dhcpdiscover和dhcprequest，在LANsegment2上傳遞時(shí)，報(bào)文的源地址為0.0.0.0，目標(biāo)地址為255.255.255.255，由此證明是廣播傳遞。經(jīng)DHCP轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后，報(bào)文的源地址為192.168.20.1（DHCP中繼代理地址），目標(biāo)地址為192.168.10.1，轉(zhuǎn)變?yōu)閱尾鬟f。為了更為清晰地表達(dá)，我們在圖4上下兩部分的對應(yīng)位置上用方框進(jìn)行了標(biāo)識。從以上對比證實(shí)了DHCP在跨網(wǎng)地址分配時(shí)，DHCP的請求應(yīng)答報(bào)文在不同的網(wǎng)段上以不同的傳播方式進(jìn)行傳遞。

四、結(jié)束語

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由顚碚摰睦斫?，掌握?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)踐技能。精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生在工程中深入理解網(wǎng)絡(luò)原理，激發(fā)他們的求知欲望，同時(shí)充分利用現(xiàn)有信息技術(shù)，解決一些學(xué)校在設(shè)備不足的情況下，提升學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)性能力的實(shí)驗(yàn)思路。本文以網(wǎng)絡(luò)中常用的DHCP協(xié)議為例，介紹了該類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。限于篇幅，文中未將所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果羅列出來，如僅將dhcpoffer的解析展示給大家，教師還可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)分析更多的協(xié)議報(bào)文以及協(xié)議字段的信息，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考。希望通過本文，給教師們一點(diǎn)參考，能夠促進(jìn)教師將多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為學(xué)生精心設(shè)計(jì)更多的綜合性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生達(dá)到課程培養(yǎng)的目標(biāo)。

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