基于网络应用分析的计算机网络教学实践

郑文光

摘要：该文针对计算机网络课程教学中存在的问题，引入网络应用分析的方法对教学进行了探索。以ARP理论学习为例，通过网络分析系统抓包分析，把抽象的理论学习转变成具体的网络应用实例分析，提高了教学的效果。

关键词：计算机网络;网络应用分析;ARP;教学方法

中图分类号：TP393       文献标识码：A        文章编号：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

《計算机网络技术》是一门理论性很强的专业核心课程，是后继学习《无线局域网组建与维护》《网络互联技术》和《物联网》等课程的基础。该课程主要学习计算机网络的基本原理、TCP/IP协议族和基本网络应用。涉及的基础理论多，内容抽象难以理解。在教学中，很多老师采用分层教学，从物理层、数据链路层一直到最上的应用层，每一层介绍它的功能、协议和相关的一些概念，侧重于理论学习和理解，很少通过具体的网络应用分析从整体上学习协议的特点及相关的协议。

从事《计算机网络技术》课程教学多年，一直把基于实际网络应用分析的教学方法应用于各层次网络教学。本文将描述基于科来网络分析系统的数据包跟踪和分析功能，理论联系实际以一次连通测试为例学习ARP协议的特点及原理，把抽象的协议和具体的数据包联系起来，把复杂的概念简单化。

2 ARP协议简介

ARP，中文名称是地址解析协议，全称Address Resolution Protocol，它工作在参考模型的数据链路层，向下和硬件接口联系，向上对上层提供服务。

在以太网通信过程中，一台计算机要和另一台计算进行通信之前，必须要有目的主机的MAC地址。因此，计算机必须采用某种方法把目的IP地址转换成目的MAC地址。在以太网中，计算机就是通过地址解析协议ARP实现的。ARP协议把网络中的IP地址解析为对应的硬件地址（MAC地址），从而保证通信的顺利进行。

ARP的工作原理如下：

1） 每台计算机都会建有一个ARP缓存表，保存已知的IP地址和MAC地址的对应关系。

2） 当源计算机需要发送一个数据包到目的计算机时，首先它要做的是检查自己的ARP缓存表，查看是否有该目的IP地址对应MAC地址的映射记录。如果存在，就直接发送数据包到这个MAC地址;如果不存在，源计算机就向所在网段发出一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。这个ARP请求数据包里包括有源主机的IP地址、源主机的MAC地址以及目的主机的IP地址。

3） 网络中所有的主机收到这个ARP请求数据包后，首先判断数据包中的目的IP是否和自己的IP地址相同。如果不相同就忽略此数据包;如果相同，该主机先将数据包中的源IP地址和MAC地址添加到自己的ARP缓存表中，如果缓存表中已经存在此IP的信息，则将其覆盖。然后给源主机发送一个一对一的ARP响应包，该数据包封装了自己的MAC地址。

4） 源主机收到发来的ARP响应包后，将数据包里的目的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP缓存表中，并利用获取的MAC地址开始发送数据。ARP报头的结构，如表1所示。

硬件类型字段值为1表明硬件接口类型为以太网。

协议类型字段指明了上一层的协议类型，IP为0800（16进制）。

操作类型字段用于表明这个报文的类型，ARP请求为1，ARP响应为2。

在传统教学中，我们会讲解ARP的以上知识点，希望通过理论分析让学生掌握ARP的功能以及数据传输流程。这个过程是抽象的，需要大脑想象、分析和形成数据流。传统教学表明学生难以理解这些知识，同时学习后很容易忘记，教学效果较差。

3 ARP抓包分析

科来是一家国内领先的网络分析服务提供商，通过科来网络分析系统可以捕获和分析计算机通信的数据包，部署方便高效，能快速地对网络故障、网络安全和网络性能进行分析。

本文以PC1：10.10.70.139和PC2：10.10.70.242的连通性测试为例介绍网络应用分析在抽象的ARP理论学习中的作用。设置科来网络分析系统过滤器只捕捉ARP和ICMP的通信数据包。然后在PC1上执行arp–a命令查看本机arp缓存表，结果如图1所示。

可以看到本机不存在10.10.70.242的MAC地址记录，接下来在PC1去PING目标PC2，抓取的第一个包如图2所示。

通过分析抓取的第一个数据包我们可以清楚地看到数据链路层的目标地址为FF：FF：FF：FF：FF：FF，表明这是一个广播包，ARP协议头部中操作类型为1，表明这是一个ARP请求，目标物理地址为00：00：00：00：00：00，说明目标物理地址未知，综合分析得出PC1在未知PC2的MAC地址情况下，发出一个ARP广播查找10.10.70.242的MAC地址。接下来看10.10.70.242返回的数据包，如图3所示。

从数据包结构可以看出在数据链路层目标地址和源地址都为具体的MAC地址，結合交换机的工作原理，得出这个数据包会被一对一转发。再看ARP的头部结构，操作类型为2，说明这是一个ARP响应包，包含了源和目标的IP和MAC地址，综合分析得出这个数据包是一个一对一的ARP响应包。

此时再次在PC1上执行arp–a命令，结果如图4所示，本机已经学习到了10.10.70.242的MAC地址。

接下来再次用科来网络分析系统捕捉PC1和PC2的PING测试，结果如图5所示。

从中可以看出在PC1已有PC2的MAC地址情况下，未再做ARP请求操作，而是直接发出回显请求。

通过简单的抓包分析，印证了书上介绍的ARP工作原理和ARP的头部结构，把抽象的理论转变成具体的、可见的数据包分析，同时也学习了ARP和ICMP协议涉及的各个协议。

4 结束语

基于网络应用分析的实践练习有助于学生理论联系实际，直观地学习计算机网络的各种协议。同时，在具体的网络应用分析中，可以系统地学习相关的一系列协议，理解分层模型下的协议调用。通过实践，学生普遍反映基于网络应用分析的教学方法有利于他们掌握计算机网络的基本原理，在一定程度上提高了他们的学习热情。

参考文献：

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