arplab report initilized

2026-01-20 17:11:14 +08:00
parent 26236f5590
commit c993b78b6d
5 changed files with 383 additions and 1 deletions
--- a/.gitignore
+++ b/.gitignore
@@ -13,3 +13,7 @@ tcp_server
 tcp_perf_server
 quic_server
 quic_perf_server
+tcp_multi_client
+tcp_multi_server
+quic_multi_client
+quic_multi_server
--- a/network/arpicmplab/implementation_report.md
+++ b/network/arpicmplab/implementation_report.md
@@ -123,7 +123,7 @@ switch (swap_order16(hdr->protocol)) {
 3.  **运行与测试**:
    -   编译成功后，会在`build`目录下生成可执行文件`xnet.exe`。
    -   使用`sudo ./xnet.exe`运行（需要root权限以访问网络接口）。
-    -   在另一台处于同一局域网的主机上，执行`ping 192.168.254.2`，即可测试ICMP Echo功能。同时，可以通过`tcpdump`或`Wireshark`抓包观察ARP请求和响应过程。
+    -   在另一台处于同一局域网的主机上，执行`ping`，即可测试ICMP Echo功能。同时，可以通过`tcpdump`或`Wireshark`抓包观察ARP请求和响应过程。

 ## 6. 总结

--- a/network/arpicmplab/labtemplate.typ
+++ b/network/arpicmplab/labtemplate.typ
@@ -0,0 +1,154 @@
+#let times = "Times LT Pro"
+#let times = "Times New Roman"
+#let song = (times, "Noto Serif CJK SC")
+#let hei = (times, "Noto Sans CJK SC")
+#let kai = (times, "Noto Serif CJK SC")
+#let xbsong = (times, "Noto Serif CJK SC")
+#let fsong = (times, "Noto Serif CJK SC")
+#let code = (times, "JetBrains Mono")
+#let nudtlabpaper(title: "", 
+  author: "", 
+  id: "", 
+  training_type:"",
+  grade: "",
+  major: "",
+  department: "",
+  advisor: "",
+  jobtitle: "",
+  lab: "",
+  date: "",
+  header_str: "",
+  body) = {
+  // Set the document's basic properties.
+  set document(author: author, title: title)
+  set page(
+    
+    margin: (left: 30mm, right: 30mm, top: 30mm, bottom: 30mm),
+  )
+
+  // Title row.
+  v(158pt)
+  align(center)[
+    #block(text(weight: 700, size: 30pt, font: hei, tracking: 15pt, "计算机网络"))
+  ]
+  align(center)[
+    #block(text(weight: 700, size: 30pt, font: song, tracking: 15pt, "本科实验报告"))
+  ]
+
+  v(103pt)
+  pad(
+    left: 1em,
+    right: 1em,
+    grid(
+        columns: (80pt, 1fr),
+        rows: (17pt, auto),
+        text(weight: 700, size: 16pt, font: song, "实验名称："),
+        align(center, text(weight: "regular", size: 16pt, font: song, title)),
+        text(""),
+        line(length: 100%)
+    )
+    // #block(text(weight: 700, 1.75em, title))
+    // underline(text(weight: 700, size: 16pt, font: song, title))
+  )
+
+  // Author information.
+
+  v(82.5pt)
+
+  grid(
+    columns: (0.25fr, 0.25fr, 0.25fr, 0.25fr),
+    rows: (15pt, 8pt, 15pt, 8pt, 15pt, 8pt, 15pt, 8pt, 15pt),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 10pt, "学员姓名"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, author)),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 54pt, "学号"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: times, id)),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 9pt, "培养类型"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, training_type)),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 54pt, "年级"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: times, grade)),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 54pt, "专业"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, major)),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 9pt, "所属学院"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, department)),
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+    line(length: 100%),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 9pt, "指导教员"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, advisor)),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 54pt, "职称"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, jobtitle)),
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+    line(length: 100%),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 20pt, "实验室"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, lab)),
+    text(size: 14pt, font: song, tracking: 9pt, "实验时间"),
+    align(center, text(size: 14pt, font: song, date)),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+    text(""),
+    line(length: 100%),
+  )
+
+  v(50.5pt)
+  align(center, text(font: hei, size: 15pt, "国防科技大学教育训练部制"))
+
+  pagebreak()
+  
+  set page(
+    margin: (left: 30mm, right: 30mm, top: 30mm, bottom: 30mm),
+    numbering: "i",
+    number-align: center,
+  )
+
+  v(14pt)
+  align(center)[
+    #block(text(font: hei, size: 14pt, "《本科实验报告》填写说明"))
+  ]
+
+  v(14pt)
+  text("")
+  par(first-line-indent: 2em, text(font: song, size: 12pt, "实验报告内容编排应符合以下要求："))
+  
+  par(first-line-indent: 2em, text(font: fsong, size: 12pt, "（1）采用A4（21cm×29.7cm）白色复印纸，单面黑字。上下左右各侧的页边距均为3cm；缺省文档网格：字号为小4号，中文为宋体，英文和阿拉伯数字为Times New Roman，每页30行，每行36字；页脚距边界为2.5cm，页码置于页脚、居中，采用小5号阿拉伯数字从1开始连续编排，封面不编页码。"))
+
+  par(first-line-indent: 2em, text(font: fsong, size: 12pt, "（2）报告正文最多可设四级标题，字体均为黑体，第一级标题字号为4号，其余各级标题为小4号；标题序号第一级用“一、”、“二、”……，第二级用“（一）”、“（二）” ……，第三级用“1.”、“2.” ……，第四级用“（1）”、“（2）” ……，分别按序连续编排。"))
+
+  par(first-line-indent: 2em, text(font: fsong, size: 12pt, "（3）正文插图、表格中的文字字号均为5号。"))
+
+  pagebreak()
+
+  set page(
+    margin: (left: 30mm, right: 30mm, top: 30mm, bottom: 30mm),
+    numbering: "1",
+    number-align: center,
+  )
+
+  set heading(numbering: "1.1")
+  // set text(font: hei, lang: "zh")
+  
+  show heading: it => box(width: 100%)[
+    #v(0.50em)
+    #set text(font: hei)
+    #counter(heading).display()
+    // #h(0.5em)
+    #it.body
+  ]
+  // Main body.
+  set par(justify: true)
+
+  body
+}
+
+#let para(t) = par(first-line-indent: 2em, text(font: song, size: 10.5pt, t))
+
--- a/network/arpicmplab/main.typ
+++ b/network/arpicmplab/main.typ
@@ -0,0 +1,180 @@
+#import "labtemplate.typ": *
+#show: nudtlabpaper.with(title: "TCP/IP 协议栈 ARP 协议实现实验",
+  author: "程景愉", 
+  id: "202302723005", 
+  training_type: "无军籍",
+  grade: "2023",
+  major: "网络工程",
+  department: "计算机学院",
+  advisor: "逄德明",
+  jobtitle: "教授",
+  lab: "307-211",
+  date: "2026.1.10",
+  header_str: "《计算机网络》实验报告",
+)
+
+#set page(header: [
+    #set par(spacing: 6pt)
+    #align(center)[#text(size: 11pt)[《计算机网络》实验报告]]
+    #v(-0.3em)
+    #line(length: 100%, stroke: (thickness: 1pt))
+],)
+
+  #show heading: it => box(width: 100%)[
+    #v(0.50em)
+    #set text(font: hei)
+    #it.body
+  ]
+
+#outline(title: "目录",depth: 3, indent: 1em)
+#pagebreak()
+#outline(
+  title: [图目录],
+  target: figure.where(kind: image),
+)
+
+  #show heading: it => box(width: 100%)[
+    #v(0.50em)
+    #set text(font: hei)
+    #counter(heading).display()
+    // #h(0.5em)
+    #it.body
+  ]
+#set enum(indent: 0.5em,body-indent: 0.5em,)
+#pagebreak()
+
+
+= 实验概要
+== 实验内容
+#para[
+  本次实验的主要内容 ARP 协议实现。本次实验包含基础任务和拓展任务两部分，
+  具体任务要求如下：
+
+  - 基础任务：编写程序，完善 TCP/IP 协议栈的 ARP 协议部分。围绕 ARP 的初始化、无回报 ARP 的生成、ARP 的输入处理，以及 ARP 的超时重新请  求几个部分完成。并且保证完成 ARP 协议的完整实现。
+
+  - 拓展任务：拓展任务是可选任务，在基础任务实现的 ARP 协议实现基础上
+    + ARP 多个表项的实现；
+    + IP 层的输入输出处理。
+]
+== 实验要求
+#para[
+  本实验的具体过程及对应要求如下：
+  - 实验开始前准备工作：在实验开始前，学员需要掌握 C语言 编程基础，理解 TCP/IP 协议栈的工作原理，尤其是 ARP 协议的功能和作用。同时，熟悉 MAC 地址与 IP 地址的转换原理，了解网络设备如何通过 ARP 请求与响应进行地址解析。
+  - 实验过程中：按照实验要求，完成 ARP 协议的实现。具体步骤包括：具体而言，构造 ARP 请求和响应报文，实现报文格式的编码与解析。发送 ARP请求，构建并广播 ARP 请求，获取目标设备的 MAC 地址。处理 ARP 响应，在收到响应后，提取并记录目标 IP 与 MAC 地址的映射。管理 ARP 缓存，设计缓存机制，存储 IP-MAC 映射，并实现超时处理机制。
+  - 实验结束后：总结 ARP 协议的实现过程，详细描述报文格式、缓存管理和通信流程，并根据实验要求撰写实验报告，分析实验结果。
+]
+== 实验目的
+#para[
+  在现代网络环境中， ARP协议广泛应用于各种网络设备和系统，如计算机、路由器和交换机等。深入理解ARP的工作原理，有助于掌握网络设备之间的通信机制，理解数据在网络中的传输过程。特别是对于网络工程和网络安全领域，从协议层面了解ARP，有助于识别和防范诸如ARP欺骗等网络攻击，提高网络的安全防护能力。
+
+  通过本次实验，学员将亲自动手实现ARP协议的核心功能，包括ARP请求与响应的构建与解析、ARP缓存表的管理等。这不仅加深了对TCP/IP协议栈的理解，也培养了实际编程和问题解决的能力。掌握ARP协议的实现，对后续学习更复杂的网络协议（如IP、ICMP、TCP和UDP）以及从事网络相关工作都有重要的意义。
+]
+// Display inline code in a small box
+// that retains the correct baseline.
+#show raw.where(block: false): it => box(
+  text(font: ("Consolas","FangSong_GB2312"), it),
+  fill: luma(240),
+  inset: (x: 3pt, y: 0pt),
+  outset: (y: 3pt),
+  radius: 2pt,
+)
+
+// Display block code in a larger block
+// with more padding.
+#show raw.where(block: true): it => block(
+  text(font: ("Consolas","FangSong_GB2312"), it),
+  fill: luma(240),
+  inset: 10pt,
+  radius: 4pt,
+  width: 100%,
+)
+
+= 实验原理及方案
+#para[
+  ARP（地址解析协议）是 TCP/IP 协议族中用于将 IP 地址解析为 MAC 地址的重要协议。IP 通信依赖于数据链路层的硬件地址（MAC 地址），而 ARP 负责动态地将网络层的 IP 地址转换为对应的数据链路层 MAC 地址，从而实现设备间的通信。ARP 协议的实现主要包括发送 ARP 请求、接收并处理 ARP 响应、更新 ARP 缓存、以及缓存超时机制。
+]
+== ARP的初始化
+#para[
+  在一个典型的局域网中，设备通过 IP 地址进行网络层通信，但 IP 地址并不能直接用于数据链路层传输。以太网等数据链路层协议使用 MAC 地址进行通信，因此，发送设备需要将目标 IP 地址解析为 MAC 地址才能发送数据帧。
+
+  如果该设备的 ARP 缓存中没有目标设备的 MAC 地址映射，它会广播 ARP 请求，询问网络上哪个设备持有特定的 IP 地址。ARP 请求是一个以太网层的广播包，发送到子网内所有设备，只有持有目标 IP 地址的设备才会进行响应。
+
+  ARP 初始化的过程是设备发现并解析网络中其他设备的关键步骤。ARP 请求包含源设备的 IP 地址和 MAC 地址，而目标设备通过 ARP 响应提供其对应的 MAC 地址。这个机制确保设备能够通过网络层（IP 地址）和链路层（MAC 地址）之间建立正确的映射关系。
+]
+== 无回报 ARP 的生成
+#para[
+  无回报 ARP（Gratuitous ARP），又称为“主动 ARP”或“自愿 ARP”，是一种特殊的 ARP 操作。与典型的 ARP 请求不同，无回报 ARP 并不是为了解析目标设备的 MAC 地址，而是设备主动向网络发送广播 ARP 包，通常用于更新网络中的 IP-MAC 映射关系、检测 IP 地址冲突等。
+
+无回报 ARP 是设备主动广播自身的 IP 地址和 MAC 地址，不带有显式的 ARP 请求和响应互动。其主要目的是通知网络中其他设备更新其 ARP 缓存表中的信息。这种情况下，设备并不期待其他设备回应。它是单向广播的，通常被用于下列几种情况：
+
+- 更新网络中的 ARP 表：当设备的 MAC 地址或 IP 地址发生变动时，可以主动发送无回报 ARP，以便通知网络中其他设备更新其 ARP 缓存。
+- IP 冲突检测：设备在启动时，通过发送无回报 ARP 来检测是否有其他设备占用了相同的 IP 地址。如果另一台设备使用了相同的 IP 地址，它会回应此 ARP 广播，从而帮助设备检测到 IP 冲突。
+- 负载均衡器和高可用性系统：当系统切换主备设备时，备设备通常会发送无回报 ARP 来通知网络中的所有节点其 IP-MAC 映射已经改变，避免继续向已下线的设备发送数据。
+
+无回报 ARP 的生成过程如下：
+
+1. 生成 ARP 广播包：设备在确定需要广播自身 IP-MAC 映射时，会生成一个 ARP 广播包。该包包含设备自身的 IP 地址和 MAC 地址，并且目标硬件地址设置为全 0，因为无回报 ARP 并不是请求对方设备的 MAC 地址，而是向网络中的所有设备广播自身的信息。
+2. 设置操作码为 ARP 请求：尽管无回报 ARP 是主动广播，但它在帧结构中被标记为 ARP 请求（操作码为 1），这使得网络中的其他设备会将其视为一种信息广播，用于更新 ARP 缓存。
+3. 发送广播：ARP 广播包通过以太网层进行传输，目标 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF，即局域网内的所有设备都可以接收到此广播。
+4. 网络中的设备处理：网络中所有收到此广播的设备会检查 ARP 包中的发送方 IP 地址和 MAC 地址，并将其更新到本地的 ARP 缓存表中。这样，即使该 IP 地址之前未出现在这些设备的 ARP 表中，它们也会记录并更新新的映射。
+]
+== ARP 的输入处理
+#para[
+  ARP（地址解析协议）的输入处理指的是设备在接收到 ARP 请求或响应时，如何对该 ARP 报文进行解析和处理，并据此更新设备的 ARP 缓存，或进一步采取必要的网络行为。ARP 输入处理的核心任务是解析报文，更新 ARP 缓存，并根据报文类型采取不同的操作。
+
+  在这部分有以下步骤：
+
+  - 接收 ARP 报文：设备通过网络接口接收到 ARP 报文，无论是广播还是单播形式。这些 ARP 报文可以是 ARP 请求、ARP 响应，或者是无回报 ARP。
+  - 解析 ARP 报文：设备对 ARP 报文进行解析，提取其中的关键信息。
+  - 检查报文有效性：设备检查 ARP 报文的有效性，包括检查硬件类型是否为以太网、协议类型是否为 IPv4、操作码是否为合法的请求或响应。如果报文不符合 ARP 协议规定，设备将丢弃该报文。
+  - 更新 ARP 缓存：根据 ARP 报文中的信息，设备更新自己的 ARP 缓存表。设备通常会把报文中的发送方 IP 地址和发送方 MAC 地址映射记录下来，以便将来进行快速的 IP 到 MAC 地址解析。
+  - 据操作码进行处理：不同类型的 ARP 报文有不同的处理方式：
+    - 如果接收到的是 ARP 请求，设备需要检查目标 IP 地址是否与自身的 IP 地址匹配，如果匹配，则需要发送一个 ARP 响应包，告知请求设备自己的 MAC 地址。
+    - 如果接收到的是 ARP 响应，设备会根据响应包中的信息，更新或添加到 ARP 缓存表，并不再发送进一步的响应。
+    - 如果接收到的是无回报 ARP，设备会将报文中的 IP-MAC 映射记录下来，以更新其 ARP 缓存。
+]
+== ARP 的超时重新请求机制
+#para[
+  ARP（地址解析协议）的超时重新请求机制指的是设备在尝试解析某个 IP 地址到 MAC 地址时，若未能在设定的时间内收到响应，会采取的重发 ARP 请求的策略。这种机制旨在保证网络设备在通信中能够及时获取目标设备的 MAC 地址，并维持 ARP 缓存的准确性。
+
+  ARP 缓存存储的是 IP 地址与 MAC 地址之间的映射关系。在通信过程中，网络设备通常会先查询 ARP 缓存以查找目标设备的 MAC 地址。如果缓存中存在该 IP 地址的记录，设备会直接使用缓存中的 MAC 地址进行通信；如果没有找到相应记录，设备会发出 ARP 请求，广播请求目标 IP 地址对应的 MAC 地址。
+
+  如果设备在发送 ARP 请求后，未能在指定的时间内收到 ARP 响应，它会认为该 ARP 请求失败。这时，设备会重新发送 ARP 请求，通常会进行一定次数的重发，以确保能够成功解析目标设备的 MAC 地址。
+]
+= 实验环境
+== 实验设备与软件
+#para[
+#align(center)[#table(
+  columns: (auto, auto),
+  rows:(auto,auto,auto),
+  inset: 10pt,
+  align: horizon+center,
+  table.header(
+    [*名称*], [*型号或版本*],
+  ),
+  "物理机", "联想ThinkPad T14",
+  "Wireshark", "Wireshark 4.6.3",
+  "CMake", "CMake 4.2.1"
+)]
+]
+= 实验步骤
+== 环境配置
+=== 网络配置
+#para[
+]
+= 实验总结
+== 内容总结
+#para[
+]
+== 心得感悟
+#para[
+]
+#show heading: it => box(width: 100%)[
+  #v(0.50em)
+  #set text(font: hei)
+  // #counter(heading).display()
+  // #h(0.5em)
+  #it.body
+]
+#pagebreak()
+#bibliography("ref.yml",full: true,title: "参考文献",style:"gb-7714-2015-numeric")
--- a/network/arpicmplab/ref.yml
+++ b/network/arpicmplab/ref.yml
@@ -0,0 +1,44 @@
+cmake_tutorial_csdn:
+    type: Web
+    title: "【一学就会】（一）C++编译工具链——基于VSCode的CMake、make与g++简单理解与应用示例"
+    author: "未知作者"
+    url:
+        value: "https://blog.csdn.net/weixin_46248871/article/details/137500744"
+    date: 2024-12-31
+    abstract: "本文详细介绍了CMake、make与g++的基本概念、优劣比较以及应用示例，包括工具安装配置、CMake使用示例、g++使用教程等。"
+
+cmake_detailed_tutorial_csdn:
+    type: Web
+    title: "cmake使用详细教程（日常使用这一篇就足够了）"
+    author: "李吱恩"
+    url:
+        value: "https://blog.csdn.net/iuu77/article/details/129229361"
+    date: 2023-11-28
+    abstract: "本文为博主原创文章，提供了cmake的详细使用教程，包括cmake安装、使用cmake配合程序编译的多种情况，如单个源文件程序编译、多个源文件、头文件在不同文件夹等场景。"
+
+rfc791_internet_protocol:
+    type: Web
+    title: "INTERNET PROTOCOL"
+    author: "Jon Postel"
+    url:
+        value: "https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc791"
+    date: 1981-09
+    abstract: "RFC 791 定义了互联网协议（IP），这是TCP/IP协议栈中的核心协议之一，负责在网络中传输数据包。文档详细介绍了IP协议的规范和操作。"
+
+windows_network_commands_cnblogs:
+    type: Web
+    title: "windows网络命令：ping、ipconfig、tracert、netstat、arp"
+    author: "刘玉坦"
+    url:
+        value: "https://www.cnblogs.com/liuyutan/p/13289747.html"
+    date: 2024-12-31
+    abstract: "本文介绍了Windows系统中常用的网络诊断命令，包括ping、ipconfig、tracert、netstat和arp，以及它们的使用场景和参数说明。"
+
+bilibili_tcp_ip_stack:
+    type: Web
+    title: "c03.00 IP层的输入处理(2)"
+    author: "哔哩哔哩用户"
+    url:
+        value: "https://www.bilibili.com/video/BV1KL4y1P7vG"
+    date: 2024-12-31
+    abstract: "视频教程，完全从0开始手写一个超轻量级的TCP/IP网络协议栈，支持以太网、ARP、IP、UDP、TCP协议，并实现了一个超小型的HTTP服务器。"