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11 KiB
Typst
Executable File
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Typst
Executable File
#import "labtemplate.typ": *
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#show: nudtlabpaper.with(title: "TCP/IP 协议栈 ARP 协议实现实验",
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author: "程景愉",
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id: "202302723005",
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training_type: "无军籍",
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grade: "2023",
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major: "网络工程",
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department: "计算机学院",
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advisor: "逄德明",
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jobtitle: "教授",
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lab: "307-211",
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date: "2026.1.10",
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header_str: "《计算机网络》实验报告",
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)
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#set text(font: hei)
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#pagebreak()
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= 实验概要
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== 实验内容
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#para[
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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，
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具体任务要求如下：
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- 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。
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- 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
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+ ARP 多个表项的实现；
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+ IP 层的输入输出处理。
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== 实验要求
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本实验的具体过程及对应要求如下：
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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== 实验目的
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#para[
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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。
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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。
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]
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// Display inline code in a small box
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// that retains the correct baseline.
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text(font: ("Consolas","FangSong_GB2312"), it),
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// Display block code in a larger block
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// with more padding.
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#show raw.where(block: true): it => block(
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text(font: ("Consolas","FangSong_GB2312"), it),
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radius: 4pt,
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width: 100%,
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)
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= 实验原理及方案
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#para[
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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。
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== ARP的初始化
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#para[
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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。
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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。
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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。
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== 无回报 ARP 的生成
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#para[
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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。
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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：
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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无回报 ARP 的生成过程如下：
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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。
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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。
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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。
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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。
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== ARP 的输入处理
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#para[
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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。
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在这部分有以下步骤：
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- 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。
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- 解析 ARP 报文：设备对 ARP 报文进行解析，提取其中的关键信息。
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- 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。
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- 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。
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- 据操作码进行处理：不同类型的 ARP 报文有不同的处理方式：
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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== ARP 的超时重新请求机制
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#para[
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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。
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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。
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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。
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= 实验环境
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== 实验设备与软件
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#para[
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#align(center)[#table(
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columns: (auto, auto),
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rows:(auto,auto,auto),
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[*名称*], [*型号或版本*],
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),
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"物理机", "联想ThinkPad T14",
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"Wireshark", "Wireshark 4.6.3",
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"CMake", "CMake 4.2.1"
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)]
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= 实验步骤
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== 环境配置
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=== 网络配置
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#para[
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= 实验总结
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== 内容总结
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#para[
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== 心得感悟
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