计算机网络：思科实验【8-运输层端口、TCP的运输连接管理、动态主机配置协议DHCP的作用】

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实验目的
实验环境
实验内容
- 运输层端口
- TCP的运输连接管理
- 实验体会
- 总结
  实验目的
  
  1 验证运输层TCP/IP端口号的作用
  
  2 验证TCP使用三报文握手建立连接
  
  3 验证TCP使用四报文挥手释放连接
  
  实验环境
  
  Cisco Packet Tracer模拟器
  
  实验内容
  
  运输层端口
  
  （1）第一步：构建网络拓扑：在逻辑工作空间上，分别拖动一台主机及两台服务器，使用一台交换机连接，并将一些基本信息标注在设备旁边。如图所1示。
  
  图1 构建网络拓扑
  
  （2）第二步：设置设备IP地址：鼠标左键单击设置的设备，选择桌面，选择IP设置，将主机IP地址设置为”192.168.0.1”，同时将DNS服务器设置为”192.168.0.2”。如图2所示。鼠标选择DNS服务器，选择桌面，选择配置，将设置IP地址为”192.168.0.2”，如图3所示。对于WEB服务器也进行相应的设置。由于本拓扑属于同一网络，因此无须进行子网的配置。
  
  图2 配置主机的IP地址
  
  
  
  图3 设置IP地址
  
  （3）第三步：配置DNS服务器。鼠标选择DNS服务器，选择服务，选择DNS，添加www.porttest.com 对应的IP地址记录，如图4所示。
  
  图4 配置DNS服务器
  
  （4）第四步：验证主机与设备之间的连通性。鼠标选择主机，选择桌面，选择命令提示符，输入命令”ping 192.168.0.2”，结果如图5所示。输入命令”192.168.0.3”，结果如图6所示。收到回复表示主机与设备之间的连通性完好。
  
  图5 测试主机与DNS服务器的连通性
  
  
  
  图6 测试主机与WEB服务器的连通性
  
  （5）第五步：设置监听的协议。切换到仿真模式，鼠标点击控制面板中的”全显/隐藏”按钮，选择”编辑过滤器”，在IPv4栏选择DNS，如图7所示。在Misc栏勾选HTTP，如图8所示。
  
  图7 选择DNS协议
  
  
  
  图8 选择HTTP协议
  
  （6）第六步：主机浏览器向DNS服务器发送请求。鼠标选择主机，选择桌面，选择浏览器，如图所示。在浏览器窗口输入www.porttest.com，可以看到主机封装了一个报文，查看该报文，如图9所示。可以看到，报文在应用层使用了DNS协议，并在运输层封装了UDP，成为UDP用户数据报。UDP协议中的目的端口为53，为DNS的熟知端口号，源端口号为1025，为非熟知端口号，标识发送该请求报文的用户进程。UDP数据报在网络层被封装为IP数据报，IP数据报在数据链路层被封装为以太网帧。
  
  该DNS请求帧被发往交换机，接着被转发给DNS服务器，服务器对请求层层解封，发现这是一个查询请求，于是将域名对应的IP地址封装在数据报中，如图所示。发送给交换机，交换机将该响应报文转发给主机。
  
  主机对收到的数据报层层解封，如图11所示。在运输层发现目的端口号为1025，且数据报包含域名”www.porttest.com”对应的IP地址，于是主机的浏览器进程就可以通过所获取到的IP地址访问目的域名了。
  
  图9 进入网页浏览器
  
  
  
  图10 查看报文
  
  
  
  图11 服务器解析请求
  
  
  
  图12 主机解析DNS数据报
  
  （7）第七步：主机浏览器进程向WEB服务器发送请求。鼠标选择下一步，可以看到主机构建了一个HTTP请求报文，如图13所示。可以看到，应用层使用HTTP协议，运输层使用TCP协议，成为了TCP报文。TCP报文中，目的端口为80，这是HTTP服务器端进程所使用的熟知端口；源端口号为1025，这是非熟知端口，用来标识发送请求的客户端HTTP进程。TCP报文在网际层使用IP协议，被封装为IP报文段。
  
  图13 主机封装HTTP请求
  
  （8）第八步：主机浏览器进程向WEB服务器发送请求。首先主机与服务器通过TCP三次握手建立可靠连接。点击”捕获/前进”按钮，报文被发往交换机，交换机将其转发给WEB服务器。点击报文查看细节，如图14所示。WEB服务器会对报文进行层层解封，在TCP报文中，目的端口为80，这是一个熟知端口，表示WEB服务器端进程HTTP进程；源端口为1025，这是一个非熟知端口，用来表示主机中发出HTTP请求的客户端进程。
  
  WEB服务器查找该请求对应的内容，将其封装在HTTP响应报文中，该报文在运输层使用TCP协议进行封装，成为TCP报文段，该报文段的源端口、目的端口与之前对应。
  
  报文会被转发到交换机，交换机再将其转发给主机。
  
  主机收到报文后，鼠标点击报文查看细节，如图15所示。主机对报文层层解封，该运输层首部中提取出目的端口为1025，于是将该报文的数据载荷部分交付给应用层的HTTP客户端请求进程，该进程对HTTP响应报文中的内容进行解析，在网页浏览器中进行解析，显示内容如图16所示。
  
  图14 WEB服务器解析报文
  
  
  
  图15 主机解析报文
  
  
  
  图16 浏览器显示内容
  
  TCP的运输连接管理
  
  （1）第一步：构建网络拓扑。拖动一台主机与一台服务器，通过自动连线连接，如图17所示。
  
  图17 构建网络拓扑
  
  （2）第二步：配置IP地址。鼠标选择主机，选择桌面，选择IP地址，输入”192.168.0.1”，按下回车，如图18所示。对于服务器进行类似的操作，配置其IP地址为”192.168.0.2”。
  
  图19 配置IP地址
  
  （3）第三步：测试主机与服务器的连通性。鼠标选择主机，选择桌面，选择网页浏览器如图所示。在实时模式下输入”192.168.0.2”，按下回车后显示网页内容，如图所示。得到结果说明主机与服务器之间连通性完好。
  
  图19 进入网页浏览器
  
  
  
  图20 网页内容
  
  （4）第四步：监听部分协议。鼠标点击控制面板”全显/隐藏”，隐藏全部协议，点击”编辑过滤器”，在Misc列表中勾选HTTP、TCP，如图所示。
  
  图21 选择部分协议
  
  （5）第五步：主机向浏览器发送HTTP请求。在浏览器中输入”192.168.0.2”，点击”前往”。在HTTP协议中，HTTP请求在运输层是使用TCP协议，而TCP是面向连接的，因此主机此时会尝试与服务器建立TCP连接，如图所示。
  
  在主机进程的运输层中，首先会是设置状态为同步已发送(SYN-SENT)，之后会与服务器协商一些参数，例如最大窗口等等。，之后会发送一个SYN报文段，此报文段中，SYN=1，ACK=0，序号为主机自己选择的1，数据长度为24表示这条TCP连接请求报文段的总长度为24字节，由于该报文不可以携带数据，所以该报文实际上就是TCP的首部（20字节的固定部分及最大4字节的可变部分）。
  
  服务器收到TCP连接请求后，进行层层解封，其细节如图所示。首先，服务器发现这是一个TCP SYN连接请求报文，于是接受请求，并设置状态为连接已接受状态(SYN-RECEIVED)。接着，服务器准备发送连接请求确认报文段(TCP SYN+ACK)。其中，SYN=1，ACK=1，序号被设置为0（服务器自行决定）。
  
  图22 主机的TCP请求报文
  
  
  
  图23 服务器解析报文
  
  （6）第六步：服务器向主机发送确认连接报文。、鼠标点击下一步，TCP SYN-ACK报文被发往主机，点击该报文段查看细节，如图所示。
  
  主机对报文层层解封，发现这是一个连接确认报文段，于是进入连接状态(ESTABLISHED)。并准备给服务器发挥确认报文段(TCP-ACK)，其中，ACK=1，序号为1（为最开始的序号+1）
  
  主机给服务器发送确认报文段，服务器收到后层解封发现这是一个确认报文段，如图所示。于是设置自己的状态为连接状态（ESTABLISHED）。此时，主机与服务器之间可以基于建立好的连接进行数据传输了。
  
  图24 主机解析连接确认报文段
  
  
  
  图25 服务器解析确认报文段
  
  （7）第七步：主机向服务器发送HTTP请求。服务器收到后进行层层解封，细节如图所示。服务器发现这是一个HTTP请求报文，其中，ACK=1表明该报文段还对此前收到连接请求确认报文段进行了重复确认；序号为1，这是因为此前主机发送的普通确认报文段的序号为1，其不携带数据，不消耗序号。
  
  服务器此时向主机发送响应报文。其中，确认号ACK=101，这是对之前收到的封装有HTTP请求的报文段的确认，其长度为100，因此此时的确认号为101。数据长度为471。
  
  图26 服务器解析HTTP请求报文
  
  （8）第八步：服务器向主机发送HTTP响应报文。主机收到后对其中的内容进行解析，将结果显示在浏览器中，如图所示。
  
  图27 浏览器解析结果
  
  （9）第九步：收到HTTP响应后，主机会向服务器解除TCP连接。此时主机会向服务器发送一个报文段，其细节如图所示。首先主机进行终止等待阶段（FIN-WAIT），并发送连接释放报文段（TCP FIN-ACK），其中ACK=472，这是对封装HTTP响应报文段的确认，因为其序号为1，且长度为471。序号为1，这是因为之前发送的HTTP请求报文的序号为0，且长度为100。
  
  图28 主机发送断开连接报文段
  
  （10）第十步：主机发送TCP连接释放报文段给服务器，服务器层层解封，其细节如图所示。发现这是一个连接释放报文段，于是进入关闭等待（CLOSE-WAIT）状态，此时服务器没有其他数据发送给主机，于是接着进入最后确认状态（LAST-ACK）
  
  图29 服务器解析报文段
  
  （11）第十一步：服务器给主机发送连接释放报文段（FIN-ACK）。其中，序号字段为472，这是因为此前发送的HTTP响应报文序号为1，长度为471。ACK为102，这是对收到的TCP连接释放报文段的确认。点击”捕获前进按钮”。主机收到报文段，进行层层解封，发现这是一个连接释放报文段，于是进行关闭状态（CLOSING）。
  
  图30 主机收到服务器的连接释放报文段
  
  （12）第十二步：至此，主机与服务器之间的连接已彻底关闭。
  
  3 动态主机配置协议DHCP的作用
  
  （1）配置网路拓扑。在逻辑结构中，配置如图所示的网络拓扑，并在各设备旁边标注对应的信息。
  
  图31 网络拓扑
  
  （2）第二步：配置web服务器。鼠标选中web服务器，选中桌面，选择IP配置，将IP地址、默认网关设置为一开始标注的信息，如图所示。
  
  图32 路由器配置
  
  （3）配置路由器。鼠标选中路由器，点击配置，选择0/0端口，将IP地址设置为一开始标注的内容，并将端口状态设置为开。，如图所示。对于1/0端口也进行相同的配置。
  
  图33 配置路由器
  
  （4）配置DNS服务器，鼠标选择DNS服务器，选择桌面，选择IP配置，将IP地址配置为一开始标注的内容，如图所示。点击服务，选择DNS，将www.dhcptest.com对应IP地址：192.168.1.1进行添加，如图所示。
  
  图44 配置DNS服务器
  
  
  
  图45 添加DNS记录
  
  （5）配置DHCP服务器。鼠标选中DHCP服务器，选中桌面，选中IP配置，将IP地址、默认网关配置为一开始标注的信息，如图所示。选中服务，选中DHCP，将默认网关、DNS服务器配置为一开始标注的信息，将DHCP状态设置为开，如图所示。
  
  图46 配置DHCP服务器
  
  
  
  图47 配置DHCP服务器
  
  （6）配置主机。鼠标选中主机，选中桌面，选择IP配置，将IP配置切换到DHCP，这样，主机会自动通过DHCP获取到一个IP地址，如图所示。
  
  图48 配置主机
  
  （7）第七步：访问网页。点击主机，选择桌面，选择网页浏览器，输入www.dhcptest.com，显示界面如图所示。
  
  图49 显示网页
  
  实验体会
  
  1 MAC地址、IP地址在计算机网络通信中占有极其重要的低位。它们唯一标识了计算机的地址。
  
  2 总线型网络的结构较为简单，但是不可避免的会发生消息的碰撞，这是它的缺点。
  
  3 动态主机配置协议DHCP对于大面积的网络设备来说是必须的，省去了很多麻烦。
  
  总结
  
  无边的丝线，网罗天地间，信息律动，编织着未来的领域。
  
  电子雄心，携手共舞，万象交融，数码之花灿烂。
  
  时空交错，虚实相连，网络之舞，激荡心弦。
  
  无言的交流，电波悠扬，互联的奇迹，在指尖绽放。
  
  计算的魔力，解锁智慧之门，网络如诗，奏响科技的赞歌。
  
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