计算机网络课程设计

一、课程的目的和任务

本课程要求学生在"计算机网络原理"理论学习基础上，验证和加深对计算机网络概念的理解。通过本课程的实践，培养学生独立思考、综合分析和动手实践的能力。

通过本课程的学习，达到如下目标：

1. 理解计算机网络体系结构和工作原理，掌握常用的网络命令，能够对命令的功能进行解释，分析命令执行结果，得到合理有效结论。

2. 掌握Packet Tracer软件的操作方法，能够使用该软件模拟组网、配置交换机、路由器，能够按照实验方案实施仿真实验，采集和整理数据。

3. 具备网络编程能力，能够设计抓包程序获取数据包，结合相关协议对数据包各个字段的含义进行分析、处理和解释，获取有效结论。

二、课程的基本内容和要求

2.1实验理论

1. 常用网络命令的工作原理及协议

2. ARP的原理

3. ICMP协议及原理

4. telnet远程登录的原理

5. IP报文格式及路由转发

6. 以太网CSMA/CD协议原理

7. 透明网桥、以太网交换机

8. 虚拟局域网VLAN

9. 路由器的作用、静态路由、动态路由

10. IP报文格式及IP协议

11. Socket网络编程

2.2实验内容

1.常用网络命令

①ipconfig命令

ipconfig命令显示当前所有的TCP/IP配置值、刷新动态主机配置协议（DHCP）和域名系统（DNS）设置。具体用法如下：

ipconfig [/allcompartments] [/? | /all |

                             /renew [adapter] | /release [adapter] |

                             /renew6 [adapter] | /release6 [adapter] |

                             /flushdns | /displaydns | /registerdns |

                             /showclassid adapter |

                             /setclassid adapter [classid] |

                             /showclassid6 adapter |

                             /setclassid6 adapter [classid] ]

下面选取ipconfig常用参数进行说明：

1. /all

功能：显示所有适配器的完整TCP/IP配置信息。

运行结果：

2. /renew [adapter]

功能：更新所有适配器（不带adapter参数），或特定适配器（带有adapter参数）的DHCP配置。

运行截图：

运行结果解释：因实验过程中计算机只有无线局域网连接，因此只有在无线局域网适配器上执行操作。

3. //release[adapter]

功能：发送DHCPRELEASE消息到DHCP服务器，以释放所有适配器（不带adapter参数）或特定适配器（带有adapter参数）的当前DHCP配置并丢弃IP地址配置。

运行结果：

运行结果解释：跟/renew参数对比，可知ipv4地址、子网掩码、默认网关都被释放。（release命令只释放ipv4适配器，因此ipv6地址还存在）

因为释放IP地址，因此在运行/release参数后计算机出现无法上网的情况，重新运行/renew参数后恢复正常。

②ping命令

ping命令可以被用来检查网络是否连通。具体用法如下：

ping [-t] [-a] [-n count] [-l size] [-f] [-i TTL] [-v TOS]

            [-r count] [-s count] [[-j host-list] | [-k host-list]]

            [-w timeout] [-R] [-S srcaddr] [-c compartment] [-p]

            [-4] [-6] target\_name

下面选取ping命令常用参数进行说明：

1. 无参数（即ping target_name）

运行结果：

运行结果解释：因中国大陆无法使用Google和Wikipedia，因此ping请求找不到主机。

2. -t

功能：对指定的计算机一直进行ping操作，直到从键盘按Ctrl+C组合键中断为止。

运行结果：

3. -n count

功能：要发送的回显请求数。（默认四条）

运行结果：

运行结果解释：使用两次ping -n，第一次为10条，第二次为2条。结果如上。

③netstat命令

netstat命令用于显示与IP、TCP、UDP和ICMP协议相关的统计数据，一般用于检验本机各端口的网络连接情况。具体用大如下：

NETSTAT [-a] [-b] [-e] [-f] [-n] [-o] [-p proto] [-r] [-s] [-x] [-t] [interval]

下面选取netstat命令常用参数进行说明：

1. -a

功能：显示一个所有的有效连接信息列表，包括已建立的连接（ESTABLISHED），也包括监听连接请求（LISTENING）的那些连接。

运行结果：

2. -e

功能：用于显示关于以太网的统计数据，包括传送的数据报的总字节数、错误数、删除数、数据报的数量和广播的数量。

运行结果：

3. -n

功能：以数字形式显示地址和端口号。

运行结果：

4. -t

功能：照各个协议分别显示其统计数据

运行结果：

④arp命令

arp命令用于显示和修改地址解析协议(ARP)使用的"IP 到物理"地址转换表。具体用法如下：

ARP -s inet\_addr eth\_addr [if\_addr]

ARP -d inet\_addr [if\_addr]

ARP -a [inet\_addr] [-N if\_addr] [-v]

下面选取arp命令常用参数进行说明：

1. -a

功能：用于查看高速缓存中的所有项目。

运行结果：

2. -d

功能：删除ARP缓存列表。

运行结果：

运行结果解释：直接运行arp-d命令会跳出提示："ARP 项添加失败: 请求的操作需要提升"。后了解到需要使用管理员身份运行cmd才能使用arp-d命令。结果如上。

⑤tracert命令

tracert命令是跟踪路由路径的一个实用程序，用于确定数据报访问目标所经过的路径。具体用法如下：

tracert [-d] [-h maximum\_hops] [-j host-list] [-w timeout]

               [-R] [-S srcaddr] [-4] [-6] target\_name

下面选取tracert命令常用参数进行说明：

1. 无参数

功能：路由追踪，返回从源到目标的路由情况。

运行结果：

运行结果解释：因为服务商对某些结点设置进制追踪，因此结果中有相当多的结点请求超时。

2. -d

功能：路由追踪，返回从源到目标的路由情况（与无参数相似），但不解析各路由器的名称，只返回路由器的IP地址。

运行结果：

运行结果解释：因为只返回IP地址，因此要比无参数运行速度快。

3）-h maximum_hops

功能：指定在搜索目标的路径中跃点的最大数，默认值为30。

运行结果：

⑥telnet命令

tnelnet命令常用于网页服务器的远程控制，可供使用者在本地主机运行远程主机上的工作，具体用法如下：

telnet [-a][-e escape char][-f log file][-l user][-t term][host [port]]

因为缺少真实可以被远程操作的主机，因此使用Cisco Packet Tracer软件模拟。使用PC机远程控制路由器：

2.交换机与路由器

①熟悉交换机命令、交换机初始化配置

如上图，初步熟悉交换机命令，并对交换机进行了初始化配置，建立了最为简单的拓扑结构。

②在交换机上实现VLAN配置

拓扑结构如下：

拓扑结构解释如下：

配置交换机：

交换机VLAN配置如下：

使用PC0分别ping同组内的PC5与非同组PC4、PC2。以此来测试VLAN划分是否成功，结果如下：

③路由器配置相关命令

拓扑结构如下：

路由器配置如下：

PC通过ping和telnet命令验证路由器配置是否正确：

④静态路由配置

拓扑结构：

配置路由器1（其中转发表配置在第二张图）：

配置路由器2（其中转发表配置在第二张图）：

配置路由器3：

配置路由器4（其中转发表配置在第二张图）：

使用ping与tracert命令测试：

⑤静态路由配置

拓扑结构：

配置路由器1（其中RIP配置在第二章图片）：

配置路由器2（其中RIP配置在第二章图片）：

剩余三个路由器配置类似，在此不一一展示。

在PC0上使用tracert命令分别追踪到PC3与PC2的路径。结果如下：

通过分析追踪结果，可知RIP配置结果正确。

1. 3.网络编程

①运行结果（IP包头的各字段信息）
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200122155428998.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDMxODE5Mg==,size_16,color_FFFFFF,t_70

②使用软件及操作系统

• 编程软件：Visual Studio 2017

• 编程语言：c++

• 操作系统：Windows 10 家庭中文版

程序中需要使用到Ws2_32.dll库，以及socket编程中的旧函数，在vs中对项目属性设置如下：

③程序设计思想

通过socket编程捕获IP包，然后通过二进制计算解析捕获的IP包。程序中使用函数需要管理员身份运行才可使用，因此需要在编写完成后找到.exe文件运行。同时程序为了能方便截图运行结果，设置为捕获20个IP包后持续线程休眠。

④程序流程图

⑤程序源码及注释

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#pragma comment(lib,"Ws2_32.lib")

using namespace std;

struct IP_HEAD
{
     
	unsigned char ver_hlen;//版本和首部长度，总共占8字节
	unsigned char DS;//区分服务
	unsigned short PacketLen;//总长度
	unsigned short Identification;//标识
	union {
     
		unsigned char Flag;//标识
		unsigned char FlagOf;//片偏移
	};
	unsigned char TTL;//生存时间
	unsigned char Protocol;//协议
	unsigned short HeadCheckSum;//首部校验和
	unsigned long Src;//原地址,32位
	unsigned long Des;//目的地址
	unsigned char Options;//选项
};

int cnt;

void Decode(char *buf, int len) {
     
	int n = len;
	if (n >= sizeof(IP_HEAD))
	{
     
		IP_HEAD iphead;
		iphead = *(IP_HEAD*)buf;
		cout << "第" << cnt++ << "个IP包：" << endl;
		cout << "协议版本：" << (iphead.ver_hlen >> 4) << endl;//右移四位
		cout << "首部长度" << ((iphead.ver_hlen & 0x0f) << 2) << endl;
		cout << "区分服务：Priority：" << (iphead.DS >> 5) << " Service：" << ((iphead.DS >> 1) & 0x0f) << endl;
		cout << "总长度：" << ntohs(iphead.PacketLen) << endl;//ntohs用于将网络字节序转为主机字节序
		cout << "标识：" << ntohs(iphead.Identification) << endl;
		cout << "标志：DF=" << ((iphead.Flag >> 14) & 0x0F) << " MF=" << ((iphead.Flag >> 13) & 0x0F) << endl;
		cout << "片偏移：" << (iphead.FlagOf & 0x1fff) << endl;
		cout << "生存周期：" << (int)iphead.TTL << endl;
		cout << "协议：" << (int)iphead.Protocol << endl;
		cout << "首部校验和：" << ntohs(iphead.HeadCheckSum) << endl;
		//inet_ntoa用于将一个十进制网络字节序转换为点分十进制IP格式的字符串，in_addr是一个结构体，可以用来表示一个32位的IPv4地址
		cout << "源地址：" << inet_ntoa(*(in_addr*)&iphead.Src) << endl;
		cout << "目的地址：" << inet_ntoa(*(in_addr*)&iphead.Des) << endl;
		cout << "=================================================================" << endl << endl;
	}
}

//::WSACleanup()的功能是终止Winsock 2 DLL (Ws2_32.dll) 的使用
void AutoWSACleanup() {
     
	::WSACleanup();
}

int main() {
     
	int n;
	WSADATA  wd;//用来存储被WSAStartup函数调用后返回的Windows Sockets数据
	//调用2.2版Winsock
	n = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wd);
	if (n)
	{
     
		cout << "WSAStartup函数错误！" << endl;
		return -1;
		system("pasue");
	}
	atexit(AutoWSACleanup);//注册终止函数
	//创建socket
	SOCKET  sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_IP);
	if (sock == INVALID_SOCKET) {
     
		cout << WSAGetLastError();
		return 0;
	}
	//获取本机地址
	char name[128];
	if (gethostname(name, sizeof(name)) == -1) {
     
		closesocket(sock);
		cout << WSAGetLastError();
		return 0;
		system("pasue");
	}
	struct hostent* pHostent;//记录主机的信息，包括主机名、别名、地址类型、地址长度和地址列表
	pHostent = gethostbyname(name);
	//绑定本地地址到SOCKET句柄
	sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_addr = *(in_addr*)pHostent->h_addr_list[0]; //IP
	addr.sin_port = 8888; //端口
	if (SOCKET_ERROR == bind(sock, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr)))
	{
     
		closesocket(sock);
		cout << WSAGetLastError();
		return 0;
		system("pasue");
	}
	//设置该SOCKET为接收所有流经绑定的IP的网卡的所有数据，包括接收和发送的数据包
	u_long sioarg = 1;
	DWORD wt = 0;
	if (SOCKET_ERROR == WSAIoctl(sock, SIO_RCVALL, &sioarg, sizeof(sioarg), NULL, 0, &wt, NULL, NULL))
	{
     
		closesocket(sock);
		cout << WSAGetLastError();
		return 0;
		system("pasue");
	}
	//我们只需要接收数据，因此设置为阻塞IO，使用最简单的IO模型
	u_long bioarg = 0;
	if (SOCKET_ERROR == ioctlsocket(sock, FIONBIO, &bioarg))
	{
     
		closesocket(sock);
		cout << WSAGetLastError();
		return 0;
		system("pasue");
	}
	//开始接收数据
	//因为前面已经设置为阻塞IO，recv在接收到数据前不会返回。

	cnt = 1;
	char buf[65535];
	int len = 0;
	do
	{
     
		len = recv(sock, buf, sizeof(buf), 0);
		if (len > 0)
		{
     
			Decode(buf, len);
		}
	} while (len > 0 && cnt <= 20);//只接受20个包
	closesocket(sock);
	while (1)
	{
     
		Sleep(3000);
	}
	system("pasue");
	return 0;
}