基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法

摘要

基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法，涉及一种通信过程的建立与终止过程的教学实验方法。它解决了现有教学中采用文字描述与图解来讲解抽象复杂的网络协议而使学生不易接受和理解的问题。它分别在主节点和目的从节点上提示构造并发送TC/IP通信机制中协同工作的各种报文，先后顺序为：主节点构造ARP报文，目的从节点构造ARP/ACK报文，主节点构造SYN报文，目的从节点构造SYN/ACK报文，主节点构造ACK报文，完成建立，主节点构造FIN报文，目的从节点构造FIN/ACK报文后再构造FIN报文，主节点构造FIN/ACK报文，通信终止。本发明让学习者参与到TCP/IP通信过程中，使学习者能够直观的了解、熟悉TCP/IP建立和终止过程，较快地理解和掌握复杂的网络协议。本发明适用各类教育机构的教学系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信过程的建立与终止的过程的教学实验方法，具体涉及到基于以太网的TCP/IP通信过程的建立与终止过程的教学实验方法。

背景技术

Internet是目前世界上最著名、最成功、连接范围最广的网际网。它由大量不同类型的网络通过网络互联设备连接而成。它采用自由、开放式的网络组织方式，用统一的网络通信协议簇TCP/IP和通用地址体系来保证网络的互通。而作为互联网的心脏——局域网技术，则以以太网的采用最为普遍。那么，以太网之上，TCP/IP完成两个网络终端之间的寻址与数据传输的过程是不需要用户干预、由网络互连设备及网络终端系统内核自动完成的过程。这个过程是学习网络的人必须了解和认知的过程，而现有的教学方法只是通过文字描述与图解来解析，抽象而枯燥，不易于让人理解和接受，使学习者不能充分、深入地理解并灵活掌握基于以太网的TCP/IP协议的工作原理和过程。

发明内容

为了解决现有的教学中，采用文字描述与图解来讲解抽象复杂的网络协议而使学生不易接受、也不易理解的问题，本发明提供了一种基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法。

基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法，该方法是由以下装置实现，所述装置由网络总线20、主节点和n个从节点组成，主节点和n个从节点都连接在网络总线20上，所述主节点是TCP/IP通信过程的建立与终止过程的主动方，即执行主动打开和主动关闭TCP/IP通信过程；所述n个从节点是TCP/IP通信过程的建立与终止过程的被动方，即执行被动打开和被动关闭，主节点和n个从节点的结构相同，均是由微处理器10、键盘13、以太网控制器11、以太网接口电路(12)、显示器14组成，键盘13的信号输出端和微处理器10的信号输入端连接，显示器14的信号输入端和所述微处理器10的信号输出端连接，所述微处理器10的I/O口通过以太网控制器11、以太网接口电路(12)与网络总线20连接，使用所述装置进行教学实验的具体步骤为：

步骤101、分别配置主节点和n个从节点的通信参数；

步骤102、在主节点构造ARP请求报文；

步骤103、主节点将构造完成的ARP请求报文封装成以太网帧格式发送；

步骤104、在与主节点发送的ARP报文地址对应的目的从节点上构造ARP应答报文；

步骤105、目的从节点将所述ARP应答报文封装成以太网帧格式发送；

步骤106、主节点向目的从节点发起TCP主动连接，构造SYN报文，并将构造好的SYN报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤107、在目的从节点构造TCP的SYN/ACK报文，并将构造好的SYN/ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤108、在主节点构造TCP的ACK报文，并将构造好的ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤109、在主节点提示TCP/IP通信过程建立完成；

步骤110、在主节点提示开始终止TCP/IP通信过程；

步骤111、在主节点构造TCP连接终止FIN报文，并将构造好的FIN报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤112、在目的从节点构造FIN/ACK报文，并将构造好的FIN/ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤113、在目的从节点构造TCP连接终止FIN报文，并将构造好的FIN报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤114、在主节点构造FIN/ACK报文，并将构造好的FIN/ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送。

使用本发明的教学实验方法，能够使学习者根据TCP/IP通信机制，在主节点和从节点的提示下，对以太网的TCP/IP通信过程中不同标志字段的设置，让学习者参与到通信过程中，使学习者能够直观的了解并掌握以太网的TCP/IP通信过程的建立与终止的原理和过程，使学习者能较快的理解和掌握复杂的网络协议。本发明能够应用到各类教育机构的教学系统以及企事业的培训系统中。

附图说明

图1是本发明的系统结构图，图2是节点的结构示意图，图3是本发明的工作流程图，图4是具体实施方式所述的ARP请求报文的格式，图5是具体实施方式所述的TCP连接建立SYN报文的IP封装格式。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法，该方法是由以下装置实现，所述装置由网络总线20、主节点和n个从节点组成，主节点和n个从节点连接在网络总线20上，主节点是TCP/IP通信过程的建立与终止过程的主动方，即执行主动打开和主动关闭TCP/IP通信过程；n个从节点是TCP/IP通信过程的建立与终止过程的被动方，即执行被动打开和被动关闭，主节点和n个从节点的结构相同，均是由微处理器10、键盘13、以太网控制器11、以太网接口电路(12)、显示器14组成，键盘13的信号输出端和微处理器10的信号输入端连接，显示器14的信号输入端和所述微处理器10的信号输出端连接，所述微处理器10的I/O口通过以太网控制器11、以太网接口电路(12)与网络总线20连接，使用所述装置进行教学实验的步骤为：

步骤101、分别配置主节点和n个从节点的通信参数；

步骤102、在主节点构造ARP请求报文；

步骤103、主节点将构造完成的ARP请求报文封装成以太网帧格式发送；

步骤104、在与主节点发送的ARP报文地址对应的目的从节点上构造ARP/ACK报文；

步骤105、目的从节点将所述ARP应答报文封装成以太网帧格式发送；步骤106、主节点向目的从节点发起TCP主动连接，构造SYN报文，并将构造好的SYN报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤107、在目的从节点构造TCP的SYN/ACK报文，并将构造好的SYN/ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤108、在主节点构造TCP的ACK报文，并将构造好的ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤109、在主节点提示TCP/IP通信过程建立完成；

步骤110、在主节点提示开始终止TCP/IP通信过程；

步骤111、在主节点构造TCP连接终止FIN报文，并将构造好的FIN报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤112、在目的从节点构造FIN/ACK报文，并将构造好的FIN/ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤113、在目的从节点构造TCP连接终止FIN报文，并将构造好的FIN报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送；

步骤114、在主节点构造FIN/ACK报文，并将构造好的FIN/ACK报文进行IP封装后再封装成以太网帧发送。

上述内容中，SYN表示连接建立同步，ACK表示应答，FIN表示终止连接。

在步骤1中，主节点的数据通信参数的配置过程为：

主节点通过显示器14先后提示输入以太网物理地址和IP地址，然后等待接收键盘13输入的数据，并对键盘13输入的数据是否合法进行判断，如果不合法，则提示重新输入，当提示的信息都输入后，主节点的微处理器10将输入的通信参数直接写入以太网控制器11相应的寄存器中；以太网控制器11初始化，主节点开始正常运行；主节点通信参数配置完成。

在步骤1中，每个从节点的通信参数的配置过程为：

从节点通过显示器14提示先后输入以太网物理地址和IP地址，每次提示后等待接收键盘13输入的数据，并对键盘13输入的数据是否合法进行判断，如果不合法，则提示重新输入，如果合法提示输入下一个数据，当输入的数据都合法后，从节点的微处理器10将输入的通信参数直接写入以太网控制器11相应的寄存器中，以太网控制器11向其它各个节点广播所设置的物理地址，所述其它各个节点将收到的物理地址与其自身的物理地址进行比较，如果与自身的物理地址相同，则发出重复标志，否则返回一个确认标志；当所述从节点接收重复标志的时候，提示重新设置物理地址，当没有接到重复标志的时候，从节点通过显示器14提示通信参数设置完成。

本实施方式中的微处理器10选用C8051F系列单片机，以太网控制器11选用RTL8019AS芯片。

采用本实施方式的基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法，能够使学习者根据TCP、IP、ARP协议及以太网帧格式采用手动的方式配置不同的标志字段，基于以太网的一次典型的TCP/IP通信过程被详细的体现出来，所采用的方法/步骤严格符合基于以太网的TCP/IP通信协议及工作过程，包含了其实现过程中的每一个步骤、每一处细节，具有代表性，而且每一步的操作结果都能直观显现出来，使学习者能够直观地了解并掌握基于以太网的TCP/IP通信协议及工作过程。

本实施方式的基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法，可以应用到教育机构的教学及企事业的培训中。

具体实施方式二：根据具体实施方式一所述的基于以太网的TCP/IP通信过程的教学实验方法，在步骤102中，在主节点构造ARP请求报文的步骤为：主节点通过显示器14逐一提示设置硬件类型、协议类型、硬件地址长度、操作类型、源物理地址、源IP地址、目的IP地址，每提示输入一个参数，等待接收键盘13输入的数据，并对输入的数据是否合法进行判断，如果不合法，则提示重新输入，当提示的数据都合法输入后，主节点通过显示器14提示ARP请求报文构造完成，其中在正确输入目的IP地址之后，主节点的微处理器10会自动将广播地址填充到“目的以太网地址”字段。

其中所述硬件类型填写“0x0001”表示“以太网地址”；所述协议类型填写“0x0800”表示“IP地址”；所述硬件地址长度填写“0x04”表示IP地址长度是4个字节；所述操作类型填写“0x0001”表示要构造ARP请求报文；所述源物理地址输入本节点的物理地址；所述源IP地址输入本节点的IP地址；所述目的IP地址输入发送目的节点的IP地址。

在步骤106中，当主节点正确接收到目的从节点发过来的ARP/ACK报文之后，主节点记录ARP/ACK报文中提供的目的从节点物理地址，使用其向目的从节点发起TCP主动连接，具体构造SYN报文的步骤为：主节点通过显示器14逐一提示输入16位源端口号、16位目的端口号、初始序列号、4位部首长度、6位标志比特位、16位检验和数据信息，在接收到初始序列号之后，主节点的微处理器10自动生成确认序列号，在接收到6位标志比特位之后，主节点的显示器14提示输入16位校验和，计算16位检验和输入，每次通过主节点的键盘13接收到一组数据，主节点的微处理器10都对数据的合法性进行判断，当输入的数据不合法的时候，提示重新输入，所有数据都合法后，主节点通过显示器14提示SYN报文构造完成。

其中，所述初始序列号可以随意填写32位的号码；所述6位标志比特位输入000010B表示报文类型是SYN报文，所述16位检验和是根据前述填入的所有数据由学习者进行计算获得的。

在步骤104中，所有从节点均接收主节点发送的ARP报文并判断所述ARP报文中的目的地址是否与自身的地址相同，如果不相同，则放弃接收到的报文；如果相同，则该节点为目的从节点，开始构造ARP/ACK报文的步骤为：目的从节点通过显示器14显示接收到的ARP请求报文，然后逐步提示用户更改其中的部分内容，具体为a、用以太网源地址替换以太网目的地址；b、用节点自身物理地址替换ARP请求报文中的以太网源地址；c、将ARP请求报文中的源IP地址与目的IP地址互换；d、更改ARP请求报文中操作标志字段，改为表示“ARP应答”的“0x0010”，在每次提示后等待键盘13输入数据，并对输入的数据的正确性进行判断，如果输入的数据不正确，则提示重新输入，如果输入的数据正确则继续执行，当所有提示的数据都正确输入后，目的从节点通过显示器14提示ARP应答报文构造完成。

从节点的显示器14显示的ARP报文参见图4所示。

在步骤107中，当目的从节点接收到主节点发送的SYN报文之后，开始构造SYN/ACK报文，具体步骤为：通过目的从节点的显示器14先后提示输入初始序列号、确认序列号、6位标志比特，每次提示后等待接收通过目的从节点的键盘13输入的数据，并判断输入数据的合法性，如果输入的数据不合法则提示重新输入，如果输入的数据全部合法，目的从节点通过显示器14提示SYN/ACK报文构造完成。

其中所述6位标志比特输入010010B表示报文类型是SYN/ACK报文。

主节点和目的从节点构造ACK报文、FIN报文、FIN/ACK报文的过程相同，均为：节点通过显示器14先后提示输入初始32位序列号、32位确认序列号、6位标志比特位，16位校验和，其它字段均由系统自动填充完成，每次提示后，等待接收键盘13输入的数据，并判断输入数据是否合法，如果不合法，则提示重新输入，如果合法继续提示，当输入的数据全部合法后，节点通过显示器14提示报文构造完成。

其中所述根据所要构造的报文类型输入相应的6位标志比特位，010000B表示ACK报文；000001B表示FIN报文；010001B表示FIN/ACK报文；所述初始序列号输入任意32位序列号；所述确认序列号是根据所述初始序列号计算后获得的。

主节点和目的从节点将构造完成的报文封装成以太网数据帧格式的过程为：

通过节点的显示器14提示输入目的以太网地址，等待接收从所述节点的键盘13输入的目的以太网地址，判断输入的以太网地址的合法性，如果不合法，则提示重新输入，如果合法，则提示输入源以太网地址，然后等待接收从所述节点的键盘13输入的源以太网地址，判断输入的以太网地址是否与本节点的以太网地址相同，如果不相同，则提示重新输入，如果相同，则提示输入类型，然后等待接收从所述节点的键盘13输入的报文类型信息，判断输入的类型信息的合法性，如果不合法，则提示重新输入，如果合法，则将构造完成的报文载入以太网数据帧数据格式的用户数据字段，不足46字节的以0填充用户数据至46个字节，报文封装完成。

主节点和从节点对构造完成的报文进行IP封装并发送的过程为：

节点的微处理器10将构造完成的报文载入IP数据包的用户数据字段，然后通过显示器14显示IP数据包，用“？”提示需要输入的IP首部中的关键字段，等待接收通过键盘13输入这些字段，节点的微处理器10对输入字段的合法性进行检验，如果有不合法的数据则提示重新输入，当数据全部合法之后，节点的微处理器10将封装完成的数据包发送到以太网控制器11的发送缓冲区中等待发送。

在节点的显示器14上显示的IP报文封装参见图5所示。

主节点和从节点发送报文的过程为：等待键盘13输入发送命令，当接收到键盘13输入的发送命令时，将以太网控制器11的发送缓冲区内的数据通过以太网接口电路12发送到网络总线上。