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【计算机网络】网络应用通信基本原理 目的
1、掌握IP协议IP分片DHCPNAT以及常用的ICMP测试工具。
2、理解路由基本原理与算法掌握链路状态路由算法距离向量路由算法至少使用一种语言编写DV和LS算法。
原理
1、网络层与IP协议 网络层核心功能是转发与路由
2、ICMP 互联网控制报文协议支持主机或理由器进行差错报告以及网络探询。 ICMC协议常用的工具Ping和Tracer rotue。
3、DHCP 动态主机配置协议客户端能够从配置了DHCP的服务器动态获取
4、动态路由算法 路由算法协议确定去往目的网络的最佳路径转发表路由表确定在本路由器如何转发分组主要分为静态路由和动态路由。 典型的动态路由算法链路状态路由算法、距离向量路由算法。
过程与结果
1、ping和tracer route测试
在windows系统ping www.ox.ac.uk可以看出发生了四次32字节的Echo。使用Ping 探测该域名Windows系统中默认发送4个32bytes的ECHO。Ping不能完全确保目标主机是否可访问有些服务器为了防止通过Ping探测到通过防火墙设置了禁止Ping或者在内核参数中禁止Ping。
由ping命令中得出到达www.ox.ac.uk的TTL为49 使用Traert 探测牛津大学的域名 表示与www.ox.ac.uk服务器距离14跳
TTL为494914-1 62检查其Header的Server检索不到。 使用Ping 和 Tracer route以及Nslookup并不能完全保证得到确切的网站对应的IP地址(很多WEB使用反向代理、CDN、负载均衡等技术)如上图Princedon.edu使用了Cloudflare基于反向代理的内容分发网络(CDN, Content Delivery Network)技术。 2、IP数据报分片计算、验证
IP数据报分片的计算和验证思路应该先根据理论知识计算分片再验证。IP分片时暂不考虑传输层分段可以尝试用编写一个基于IP的Socket 也就是原始套接字(RAW)发送一个至少大于1480*2 bytes的包捕捉报文验证也可以使用ICMP 的经典应用Ping 命令发送一个大于1480*2(比如5200)bytes的报文到IP地址捕捉报文验证。
Ping的命令为 ping [-t] [-a] [-n count] [-l length] [-f] [-i ttl] [-v tos] [-r count] [-s count] [-j computer-list] | [-k computer-list] [-w timeout] destination-list-l可以控制发送字节大小-n控制次数Echo和Echo reply 不包含发送的[-l length]其他数据为8bytes。
在这里我们设计使用ping 10.225.134.15 -l 5206 -n 1 计算IP分片 Ceiling(52068/1480)4 DF0 分片 数据 偏移/量 MF DF 1 1480 0 1 0 2 1480 1480/8 1 0 3 1480 1480*2/8 1 0 4 7608 1480*3/8 0 0 验证开启wireshark捕捉在cmd输入命令ping 运行 可以看到Echo被分为了4个分片IP数据报格式和分片如上图所示。 3、IP编址计算
1.求子网划分
将192.168.20.0/24划分为4个等长子网
IP地址由网络号和主机号组成由192.168.20.0/24可知掩码位为24位
①主机位32-248位。
②划分4个子网所以2N4N2需要向主机位借2位。
③M2664所以每个子网的IP数是64。
192.168.20.0 11000000101010000001010000000000
因此划分后的网络为192.168.20.0/26192.168.20.64/26192.168.20.128/26192.168.20.192/26. 网络号 子网掩码(前26为全为1后面全为0) 第一个可用IP 最后一个可用IP 广播地址 192.168.20.0 255.255.255.192 192.168.20.1 192.168.20.62 192.168.20.63 192.168.20.64 255.255.255.192 192.168.20.65 192.168.20.126 192.168.20.127 192.168.20.128 255.255.255.192 192.168.20.129 192.168.20.190 192.168.20.191 192.168.20.192 255.255.255.192 192.168.20.193 192.168.20.254 192.168.20.255 实现子网划分部分代码
b [0]*40
ip [0]*4
index 0
index2 1def binary(d):temp [0 for k in range(10)]i, x 0, 0i int(i)x int(x)while d0:n d%2d // 2temp[i] n# print(temp)i 1x 1while x8:temp[i] 0i 1x 1global indexfor i in range(7,-1,-1):b[index] temp[i]index 1return def bin_dec(x, n):if n0:return 1return x*bin_dec(x, n-1)def res(pos, num):count 0global index2if pos num:for i in range(8):if b[i] 1:ip[0] bin_dec(2,7-i)for i in range(8,16):if b[i] 1:ip[1] bin_dec(2,15-i)for i in range(16,24):if b[i] 1:ip[2] bin_dec(2,23-i)for i in range(24,32):if b[i] 1:ip[3] bin_dec(2,31-i)print(子网 str(index2) ip: str(ip[0]) . str(ip[1]) . str(ip[2]) . str(ip[3]) / str(num))index2 1for i in range(len(ip)):ip[i] 0returnb[pos] 1res(pos1, num)b[pos] 0res(pos1, num)d1, d2, d3, d4 0, 0, 0, 0
bp [0]*40
prefix, ips, ip_num 0, 0, 0
d1,d2,d3,d4 input(请输入ip:).split(.)
prefix input(请输入前缀:)
prefix int(prefix)
ips input(请输入划分子网个数:)
ips int(ips)
ip_num int(ip_num)if ips%2 0:while ips1:ips / 2ip_num 1
else:while ips 0:ips / 2ip_num 1for i in range(prefix):bp[i] 1
binary(int(d1))
binary(int(d2))
binary(int(d3))
binary(int(d4))
res(prefix, prefixip_num)代码输入及执行结果 2.求网络号子网地址
试确定192.168.20.129/26的子网地址
将IP地址与子网掩码(点分十进制)每段依次从左侧按位进行“与”运算
子网掩码为26位即255.255.255.192其中有3个字节是255一个字节是192即11000000表示网络号占用了前26位主机号占用了后6位。将IP地址和子网掩码进行与运算即可得到子网地址。
首先将IP地址和子网掩码转换成二进制形式
IP地址11000000.10101000.00010100.10000001
子网掩码11111111.11111111.11111111.11000000
进行与运算
11000000.10101000.00010100.10000001
11111111.11111111.11111111.11000000
----------------------------------------------------------------------
11000000.10101000.00010100.10000000
因此子网地址为192.168.20.128。
所以可得到
子网地址192.168.20.128子网掩码255.255.255.192
地址范围192.168.20.128 —192.168.20.191
子网地址的主机位即后6位从全0到全1
可分配地址范围192.168.20.129 — 192.168.20.190
广播地址192.168.20.191 根据上述内容确定192.168.20.129/26的子网地址子网掩码为255.255.255.192代码实现求子网地址:
print(str(255192).str(255168).str(25520).str(192129)) 代码执行结果 3.网络汇总
试确定192.168.40.0/26、192.168.40.64/26、192.168.40.128/26路由总结
将多个子网聚合为一个较大的子网称为路由总结或者路由汇总Route aggregation。
第1步以二进制格式列出网络
192.168.20.0/26 11000000.10101000.00010100 00000000
192.168.20.64/26 11000000.10101000.00010100 01000000
192.168.20.128/26 11000000.10101000.00010100 10000000
第2步计算最左侧的匹配位数量来确定掩码
如上有24个匹配位序列是一致的写成CIDR前缀为“ /24”或 点分十进制 “255.255.255.0”11111111 11111111 11111111 00000000
第3步保留相同匹配位不变序列右边添加二进制“0”致32位序列确定总结网络地址
11000000.10101000.00010100 00000000
所以路由总结的网络地址为192.168.20.0/24
实现求路由总结代码:
n int(input())
for i in range(0, n):a input()a1 a.split(.)a2 {:08b}.format(int(a1[0])) {:08b}.format(int(a1[1])) \ {:08b}.format(int(a1[2])) {:08b}.format(int(a1[3]))print(a2)代码输入及执行结果 4、DHCP协议分析
动态主机配置协议DHCP: Dynamic Host ConfigurationProtocol客户端能够从配置了DHCP的服务器动态获取IP 地址子网掩码默认网关地址DNS 服务器名称与IP地址。想要在本地抓取到DHCP包先要保证有可用的DHCP服务器然后将主机IP地址获取方式设置为自动获取因为主机在抓包之前已经联网需要先断开主机的网络连接然后再连接网络。
在cmd下使用命令ipconfig来完成网络断开与连接的过程
ipconfig /release 断开当前的网络连接主机IP变为0.0.0.0主机与网络断开不能访问网络。 ipconfig /renew 更新适配器信息请求连接网络这条命令结束之后主机会获得一个可用的IP再次接入网络。 捕捉到的报文通过bootp过滤 分析DHCP Discover包
Client端使用IP地址0.0.0.0发送了一个广播包发送到目的IP为255.255.255.255。事件ID号为0x04ac90a4发送单播DHCP属于应用层协议它在传输层使用UDP协议目的端口是67。 分析DHCP Offer包
当DHCP服务器收到一条DHCP Discover数据包时用一个DHCP Offerr包给予客户端响应。 分析DHCP Request包
当Client收到了DHCP Offer包以后确认有可以和它交互的DHCP服务器存在于是Client发送Request数据包请求分配IP。来源IP及目的IP与Discover包一致。 分析DHCP ACK包
服务器用DHCP ACK包对DHCP Repuest进行响应回复 5、距离矢量算法 —— 动态路由RIP测试
1)、距离向量(Distance Vector)路由算法
距离向量(Distance Vector) 路由算法是一种分布式异步迭代的算法。
分布式(每个结点只当DV变化时才通告给邻居)异步迭代(局部链路费用改变或邻居DV更新引发迭代。距离向量(Distance Vector) 路由算法验证构造如图所示拓扑。计算R1-R7路径应该为R1-R2-R3-R7。源代码参考Bellman-Ford算法。
拓扑图 编写代码验证如下
这个算法在这里可以简单看成求最短路径问题因为没有负权回路的发生所以常用的Dijkstra算法也可以求解我的部分代码如下
import matplotlib.pyplot as plt
import networkx as nx
# 192.172.1.920 防copy
G2 nx.Graph()
# 向图中添加多条赋权边: (node1,node2,weight)
G2.add_weighted_edges_from([(1,2,8),(1,4,6),(2,3,8),(3,7,8),(4,5,6),(5,6,6),(6,7,6)])
# 两个指定顶点之间的最短加权路径
start, end input(输入路由源点及目标点:).split( )
start, end int(start), int(end)
minWPath_start_end nx.dijkstra_path(G2, sourcestart, targetend)
print(顶点 v1 到 顶点 v11 的最短加权路径: , minWPath_start_end)
# 两个指定顶点之间的最短加权路径的长度
lMinWPath_start_end nx.dijkstra_path_length(G2, sourcestart, targetend)
print(顶点 v1 到 顶点 v11 的最短加权路径长度: , lMinWPath_start_end)
pos nx.spring_layout(G2) # 用 FR算法排列节点
nx.draw(G2, pos, with_labelsTrue, alpha0.5)
labels nx.get_edge_attributes(G2,weight)
nx.draw_networkx_edge_labels(G2, pos, edge_labels labels)
plt.show()这里我调用了matplotlib通过输入多条赋权边实现拓扑图的复现通过调用networkx进行Dijkstra无向图的绘制使用库函数dijkstra_path()、dijkstra_path_length()、spring_layout()等实现求取最短加权路径及长度。
以下是代码截图及代码执行结果 6、链路状态 —— 动态路由OSPF测试
链路状态算法计算从一个源结点到达所有其他结点的最短路径是一种全局迭代算法。全局(所有结点路由器掌握全局网络拓扑和链路费用)迭代 (k次迭代后得到到达k个目的结点的最短路径) 源代码参考Dijkstra算法。
拓扑图 编写代码验证如下
这个测试同样适用于求解最短路径具有贪心的思想本质上相同的因此修改上文代码的参数即可。
import matplotlib.pyplot as plt
import networkx as nx
# 192.172.1.920 防copy
G2 nx.Graph()
# 向图中添加多条赋权边: (node1,node2,weight)
G2.add_weighted_edges_from([(1,2,8),(1,4,6),(2,3,8),(3,7,8),(4,5,6),(5,6,6),(6,7,6),(5,3,2)])
# 两个指定顶点之间的最短加权路径
start, end input(输入路由源点及目标点:).split( )
start, end int(start), int(end)
minWPath_start_end nx.dijkstra_path(G2, sourcestart, targetend)
print(顶点 v1 到 顶点 v11 的最短加权路径: , minWPath_start_end)
# 两个指定顶点之间的最短加权路径的长度
lMinWPath_start_end nx.dijkstra_path_length(G2, sourcestart, targetend)
print(顶点 v1 到 顶点 v11 的最短加权路径长度: , lMinWPath_start_end)pos nx.spring_layout(G2) # 用 FR算法排列节点
nx.draw(G2, pos, with_labelsTrue, alpha0.5)
labels nx.get_edge_attributes(G2,weight)
nx.draw_networkx_edge_labels(G2, pos, edge_labels labels)
plt.show()代码截图及代码执行结果如下
