2023年高校計算機網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)書前言計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息時代的基石，其重要性不言而喻。對于高等院校相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，理論知識的學(xué)習(xí)固然重要，但通過親自動手實驗來深化理解、掌握網(wǎng)絡(luò)配置與管理的基本技能，更是培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新思維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本實驗指導(dǎo)書旨在配合計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)，為學(xué)生提供一套系統(tǒng)、規(guī)范且實用的實驗指導(dǎo)。書中實驗項目的設(shè)計緊扣課程教學(xué)大綱，涵蓋了從物理層到應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)點，以及網(wǎng)絡(luò)故障排查的基本方法。我們期望通過這些實驗，幫助學(xué)生將抽象的理論知識轉(zhuǎn)化為實際操作能力，加深對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理的理解，并初步具備分析和解決實際網(wǎng)絡(luò)問題的能力。本指導(dǎo)書在編寫過程中，注重內(nèi)容的科學(xué)性、先進(jìn)性和可操作性。每個實驗項目均包含實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗環(huán)境、實驗內(nèi)容與步驟、實驗報告要求及思考與探索等模塊，力求條理清晰、指導(dǎo)明確。同時，我們也強調(diào)實驗過程中的安全規(guī)范和良好習(xí)慣的培養(yǎng)。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，且各高校實驗條件存在差異，教師可根據(jù)實際情況對實驗內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和補充。我們也歡迎廣大師生在使用過程中提出寶貴意見和建議，以便未來對本指導(dǎo)書進(jìn)行修訂和完善，共同提高計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的質(zhì)量。致學(xué)生：實驗是探索和發(fā)現(xiàn)的過程。請務(wù)必在實驗前認(rèn)真預(yù)習(xí)相關(guān)理論知識和實驗指導(dǎo)，帶著問題進(jìn)行操作。實驗過程中要仔細(xì)觀察、積極思考、勇于嘗試，并嚴(yán)格遵守實驗操作規(guī)程。希望你們能在親自動手的過程中感受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的魅力，真正做到學(xué)有所獲、學(xué)以致用。第一章實驗預(yù)備知識與環(huán)境1.1實驗安全與規(guī)范*用電安全：注意實驗室供電線路和設(shè)備電源的正確連接與使用，避免短路和觸電事故。*設(shè)備安全：愛護實驗設(shè)備，輕拿輕放。插拔網(wǎng)線、模塊時應(yīng)注意操作規(guī)范，避免損壞接口。*網(wǎng)絡(luò)安全：禁止進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)掃描、攻擊或其他破壞網(wǎng)絡(luò)正常運行的行為。實驗過程中產(chǎn)生的流量應(yīng)控制在實驗環(huán)境內(nèi)部。*操作規(guī)范：嚴(yán)格按照實驗步驟進(jìn)行操作，記錄實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。實驗結(jié)束后，清理實驗臺面，關(guān)閉設(shè)備電源。1.2常用網(wǎng)絡(luò)命令簡介在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗中，熟練掌握一些基本的網(wǎng)絡(luò)命令是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置、狀態(tài)查看和故障診斷的基礎(chǔ)。以下列出一些最常用的命令：*ping：用于測試網(wǎng)絡(luò)連通性，發(fā)送ICMP回顯請求報文并等待回應(yīng)。*ipconfig/ifconfig：查看和配置網(wǎng)絡(luò)接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等信息。*Windows系統(tǒng)常用`ipconfig/all`顯示詳細(xì)信息。*Linux/macOS系統(tǒng)常用`ifconfig`或`ipaddrshow`。*tracert/traceroute：用于追蹤數(shù)據(jù)包從源主機到目的主機所經(jīng)過的路由節(jié)點。*Windows系統(tǒng)使用`tracert`，Linux/macOS系統(tǒng)使用`traceroute`。*netstat：顯示網(wǎng)絡(luò)連接、路由表、接口統(tǒng)計等網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息。*示例：`netstat-an`查看所有活動的網(wǎng)絡(luò)連接及其端口號。*arp：查看和管理本地ARP緩存表，該表記錄了IP地址與MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。*示例：`arp-a`查看ARP緩存。*route：查看和配置本地路由表。*示例：`routeprint`(Windows)或`route-n`(Linux)。1.3實驗環(huán)境說明本指導(dǎo)書的實驗項目設(shè)計主要基于以下幾種環(huán)境，具體實驗所采用的環(huán)境將在各實驗項目中明確：*物理設(shè)備環(huán)境：包括計算機（服務(wù)器、客戶機）、交換機、路由器、集線器（教學(xué)演示用）、防火墻、網(wǎng)線等真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。*虛擬機構(gòu)建環(huán)境：利用VMware、VirtualBox等虛擬化軟件，在單臺物理機上創(chuàng)建多臺虛擬機，模擬不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。*網(wǎng)絡(luò)仿真軟件環(huán)境：如CiscoPacketTracer、GNS3等，用于模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚善?、交換機的配置。這類軟件為學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備配置提供了便捷且經(jīng)濟的途徑。學(xué)生應(yīng)熟悉所使用的實驗環(huán)境的基本操作方法，例如虛擬機的創(chuàng)建與配置、仿真軟件的界面與操作等。1.4實驗報告要求一份規(guī)范的實驗報告是實驗工作的重要組成部分，它能幫助學(xué)生系統(tǒng)地總結(jié)實驗過程，深化對實驗原理的理解。實驗報告應(yīng)包含以下主要內(nèi)容：*基本信息：實驗名稱、實驗日期、班級、學(xué)號、姓名、同組實驗者（如有）、實驗成績。*實驗?zāi)康模汉喪霰敬螌嶒炏Ｍ_(dá)成的目標(biāo)。*實驗環(huán)境：詳細(xì)記錄實驗所用的硬件設(shè)備型號、軟件版本、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（可附圖說明）。*實驗原理：簡要回顧與本實驗相關(guān)的核心理論知識和關(guān)鍵技術(shù)點。*實驗內(nèi)容與步驟：清晰、準(zhǔn)確地描述實驗的主要內(nèi)容和具體操作步驟，可輔以截圖或關(guān)鍵配置命令說明。*實驗結(jié)果與分析：記錄實驗過程中觀察到的現(xiàn)象、測試數(shù)據(jù)、配置截圖等。對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，若結(jié)果與預(yù)期不符，應(yīng)分析可能的原因。*實驗總結(jié)與體會：總結(jié)本次實驗的收獲、遇到的問題及解決方法、對實驗過程的改進(jìn)建議等。*思考與探索：回答實驗項目中提出的思考問題，或記錄實驗過程中產(chǎn)生的疑問及自主探索的結(jié)果。實驗報告要求書寫工整、邏輯清晰、圖表規(guī)范、結(jié)論明確。鼓勵使用專業(yè)術(shù)語，提倡獨立思考和創(chuàng)新見解。第二章基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實驗實驗一網(wǎng)絡(luò)基本命令與協(xié)議分析初步一、實驗?zāi)康?.熟練掌握常用網(wǎng)絡(luò)診斷命令（如ping,ipconfig/ifconfig,tracert/traceroute,netstat等）的使用方法和輸出信息解讀。2.初步了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具（如Wireshark）的基本操作，能夠捕獲并簡單分析ICMP、IP等協(xié)議報文。3.理解IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的作用。二、實驗原理1.ICMP協(xié)議：Internet控制報文協(xié)議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息，如網(wǎng)絡(luò)通不通、主機是否可達(dá)、路由是否可用等。ping命令基于ICMP的回顯請求和回顯應(yīng)答報文。2.IP協(xié)議：網(wǎng)際協(xié)議，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從源主機通過網(wǎng)絡(luò)路由到目的主機。IP地址是網(wǎng)絡(luò)中主機的唯一標(biāo)識，子網(wǎng)掩碼用于確定網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址。3.路由：數(shù)據(jù)包從源到目的所經(jīng)過的路徑。tracert/traceroute命令通過發(fā)送帶有遞增TTL值的數(shù)據(jù)包，并利用ICMP超時消息來跟蹤路徑上的各個路由器。4.協(xié)議分析工具：能夠捕獲經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，并對其進(jìn)行解碼和分析，是理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作過程和排查網(wǎng)絡(luò)故障的有力工具。三、實驗環(huán)境1.安裝有Windows或Linux操作系統(tǒng)的計算機。2.計算機已接入局域網(wǎng)，并能訪問互聯(lián)網(wǎng)（部分實驗內(nèi)容）。3.協(xié)議分析軟件（如Wireshark）。四、實驗內(nèi)容與步驟（一）常用網(wǎng)絡(luò)命令練習(xí)1.查看本機網(wǎng)絡(luò)配置信息*在Windows命令提示符下執(zhí)行`ipconfig/all`命令，在Linux終端執(zhí)行`ifconfig`或`ipaddrshow`命令。*記錄本機的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）。*思考：IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的作用分別是什么？2.測試網(wǎng)絡(luò)連通性*使用`ping`命令測試到本機網(wǎng)關(guān)的連通性。*使用`ping`命令測試到同一局域網(wǎng)內(nèi)其他同學(xué)計算機的連通性（需征得對方同意，并告知其IP地址）。*使用`ping`命令測試到互聯(lián)網(wǎng)上某服務(wù)器（如DNS服務(wù)器地址或知名網(wǎng)站域名）的連通性。*觀察并記錄上述ping命令的輸出結(jié)果，包括TTL值、往返時間（RTT）。*嘗試使用`ping-n5`(Windows)或`ping-c5`(Linux)命令指定發(fā)送的回顯請求次數(shù)。*思考：TTL值代表什么含義？不同操作系統(tǒng)的默認(rèn)TTL值是否相同？ping不通可能有哪些原因？3.追蹤網(wǎng)絡(luò)路徑*觀察并記錄所經(jīng)過的路由節(jié)點數(shù)量、各節(jié)點的IP地址（或域名）及響應(yīng)時間。*思考：為什么有些節(jié)點顯示為“*”？tracert/traceroute命令的工作原理是什么？4.查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)*使用`netstat-an`命令查看本機當(dāng)前所有的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)和監(jiān)聽端口。（二）使用Wireshark捕獲與分析ICMP報文1.啟動Wireshark軟件，選擇本機用于連接網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)卡接口開始捕獲數(shù)據(jù)包。2.在Wireshark的過濾欄中輸入“icmp”并應(yīng)用過濾規(guī)則。4.停止Wireshark捕獲。在捕獲的數(shù)據(jù)包列表中，找到與剛才ping操作相關(guān)的ICMP報文。5.分析一個ICMP回顯請求報文（Echo(ping)request）和一個ICMP回顯應(yīng)答報文（Echo(ping)reply）：*觀察其IP頭部中的源IP地址和目的IP地址。*觀察ICMP報文類型（Type）和代碼（Code）字段的值。*查看ICMP報文中的數(shù)據(jù)部分（Data）。五、實驗報告要求1.整理實驗中各個命令的輸出結(jié)果，對關(guān)鍵信息進(jìn)行標(biāo)注和解釋。2.繪制Wireshark捕獲到的ICMP請求與應(yīng)答報文的協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖，并標(biāo)注各主要字段的含義和觀察到的值。3.詳細(xì)回答實驗步驟中提出的思考問題。4.總結(jié)本次實驗的收獲與遇到的問題。六、思考與探索1.如果本機無法訪問互聯(lián)網(wǎng)，但可以ping通網(wǎng)關(guān)，可能的故障點在哪里？如果既不能ping通網(wǎng)關(guān)，也不能ping通同網(wǎng)段其他主機，可能的故障點又在哪里？2.嘗試使用`arp-a`命令查看本機的ARP緩存表，解釋表中各條目代表的含義。在局域網(wǎng)內(nèi)ping一個之前未通信過的IP地址后，再次查看ARP緩存表，有何變化？實驗二以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)與MAC地址學(xué)習(xí)一、實驗?zāi)康?.理解以太網(wǎng)的基本工作原理，熟悉以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)。2.掌握MAC地址的概念及其在局域網(wǎng)通信中的作用。3.觀察交換機的MAC地址學(xué)習(xí)過程和數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)行為。二、實驗原理*以太網(wǎng)：目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，采用CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問）介質(zhì)訪問控制方法（共享式以太網(wǎng)）或基于交換機的星型拓?fù)洌ń粨Q式以太網(wǎng)）。*MAC地址：媒體訪問控制地址，是固化在網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）上的48位二進(jìn)制地址，用于在局域網(wǎng)中唯一標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)接口。*以太網(wǎng)幀：數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中傳輸?shù)幕締卧?，包含目的MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數(shù)據(jù)字段和幀校驗序列（FCS）等。*交換機MAC地址學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機通過分析接收到的數(shù)據(jù)幀的源MAC地址來構(gòu)建和維護MAC地址表（CAM表），該表記錄了MAC地址與交換機端口的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)交換機收到數(shù)據(jù)幀時，會根據(jù)目的MAC地址查詢MAC地址表：*若表中有對應(yīng)條目，則將數(shù)據(jù)幀從相應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去（單播）。*若表中沒有對應(yīng)條目，則將數(shù)據(jù)幀從除接收端口外的所有其他端口廣播出去。*若目的MAC地址是廣播地址，則進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)。三、實驗環(huán)境1.網(wǎng)絡(luò)交換機一臺（支持查看MAC地址表）。2.安裝有抓包軟件（如Wireshark）的計算機2-3臺。3.直通網(wǎng)線若干。四、實驗內(nèi)容與步驟（一）觀察MAC地址1.在本機上使用命令（如`ipconfig/all`(Windows)或`ifconfig`(Linux)）查看并記錄本機的MAC地址。2.若條件允許，查看同組其他同學(xué)計算機的MAC地址。（二）構(gòu)建簡單交換網(wǎng)絡(luò)并觀察MAC地址學(xué)習(xí)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ǎ簩?-3臺計算機通過直通網(wǎng)線連接到同一臺以太網(wǎng)交換機的不同端口。確保各計算機已正確配置IP地址（可手動配置同一網(wǎng)段的靜態(tài)IP，如192.168.1.10/24,192.168.1.11/24,子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)可暫不設(shè)置）。2.清除交換機MAC地址表：在交換機的特權(quán)模式下執(zhí)行清除MAC地址表的命令（如CiscoIOS:`clearmac-address-tabledynamic`）。具體命令請參考所用交換機型號的手冊。3.查看初始MAC地址表：在交換機上執(zhí)行查看MAC地址表的命令（如CiscoIOS:`showmac-address-table`）。記錄此時MAC地址表的內(nèi)容（應(yīng)為空或僅有少量系統(tǒng)相關(guān)條目）。4.觸發(fā)MAC地址學(xué)習(xí)：*從計算機A（如IP:192.168.1.10）ping計算機B（如IP:192.168.1.11）。*再次在交換機上查看MAC地址表，觀察是否新增了計算機A和計算機B的MAC地址及其對應(yīng)的交換機端口。*若有第三臺計算機C，從計算機Cping計算機A，再次查看MAC地址表的變化。5.分析MAC地址表內(nèi)容：解釋MAC地址表中各條目的含義（VLANID、MAC地址、類型、端口）。（三）使用Wireshark捕獲以太網(wǎng)幀1.在計算機A上啟動Wireshark，選擇連接交換機的網(wǎng)卡開始抓包。2.從計算機Bping計算機A。3.停止抓包，在Wireshark中找到對應(yīng)的ICMP回顯請求和應(yīng)答報文。4.選擇一個以太網(wǎng)幀，展開其“EthernetII”部分，觀察并記錄：*目的MAC地址（是否為計算機A的MAC地址？）*源MAC地址（是否為計算機B的MAC地址？）*