ARP協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統的設計

協(xié)議仿真實(shí)驗教學(xué)是幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的重要手段。目前的協(xié)議仿真實(shí)驗是離散的、靜態(tài)的，即單獨模擬某個(gè)協(xié)議，不能與其它協(xié)議合作，且協(xié)議中的數據表示是靜態(tài)的，不能隨著(zhù)輸入的數據的變化而動(dòng)態(tài)變化，實(shí)驗效果單調、生硬。具有代表性的網(wǎng)絡(luò )仿真軟件有：國外的NS2，BosON Netsim，國內的 “網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真教學(xué)系統”，“Psender”系統等。NS2 能夠演示協(xié)議的工作過(guò)程，但是，無(wú)數據內容的動(dòng)態(tài)變化和協(xié)議之間的合作。Boson Netsim 主要用于仿真網(wǎng)絡(luò )工程實(shí)驗，幫助學(xué)生熟悉網(wǎng)絡(luò )設備和協(xié)議的使用，不能演示協(xié)議的工作流程，以及協(xié)議之間的相互協(xié)作過(guò)程，其效果僅類(lèi)似于一個(gè)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )工程實(shí)驗。“網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真教學(xué)系統”實(shí)現了跨機器之間通信，但是數據的傳遞全部由人工操作，實(shí)驗環(huán)境復雜，為了更好地模擬協(xié)議，忽略了實(shí)驗環(huán)境與實(shí)際應用場(chǎng)景的一致性。“Psender”系統借用了著(zhù)作《計算機網(wǎng)絡(luò )：自頂向下方法與Internet 特色》作者提供的一些在線(xiàn)實(shí)驗案例，實(shí)現了數據發(fā)送方和接收方之間的自動(dòng)通信和速度匹配，但是，忽略了數據通信的中間過(guò)程，如，不能演示交換機的工作流程，也是離散的。因此，已有的仿真實(shí)驗是離散的、靜態(tài)的。而網(wǎng)絡(luò )通信是一個(gè)連續的過(guò)程，需要協(xié)議之間相互協(xié)作，且數據也需要動(dòng)態(tài)變化。

　　ARP 協(xié)議功能是把IP 地址映射為MAC 地址，核心機制是ARP 緩存表，實(shí)現IP 地址和MAC 地址之間的一一對應關(guān)系。研究ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗系統的目的是便于大家在學(xué)習ARP 協(xié)議的時(shí)候更好地理解協(xié)議理論，能夠體會(huì )到ARP 請求報文和響應報文封裝和發(fā)送的整個(gè)過(guò)程，真實(shí)地演示交換機對于A(yíng)RP 請求報文和響應報文轉發(fā)的機制及PC 機上緩存表的修改過(guò)程，有助于增強學(xué)生的學(xué)習效果。

　　1 系統設計

　　ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗系統是由三臺計算機（PC-A，PC-B，PC-C）模擬的局域網(wǎng)，數據在其內部轉發(fā)時(shí)的分布式仿真實(shí)驗平臺。三臺機器分別模擬ARP 報文發(fā)送端、交換機、ARP 報文接收端，通過(guò)三臺機器交互操作，在以太網(wǎng)環(huán)境中動(dòng)態(tài)模擬出ARP 協(xié)議的整個(gè)工作流程，包括ARP 高速緩存表的查詢(xún)和修改，ARP 報文封裝，交換機端口轉發(fā)報文。

　　ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統拓撲結構圖如圖1 所示。

圖1 ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗平臺拓撲結構

　　1.1 系統分析

　　該系統的目的是為了在學(xué)生學(xué)習ARP 協(xié)議時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)、逼真的實(shí)驗過(guò)程幫助學(xué)生深入理解ARP 協(xié)議，提高學(xué)習效果。為了能夠快捷、順利地完成實(shí)驗，實(shí)驗環(huán)境對該系統有如下要求：部署方便，使用簡(jiǎn)單，效果逼真，移植性和可擴展性強。

　　系統針對上述需求采取如下策略：該系統全部在Windows XP 下開(kāi)發(fā)，采用部署較為簡(jiǎn)單的Mysql 數據庫和Tomcat 服務(wù)器（PC-C），將整個(gè)ARP 協(xié)議工作過(guò)程抽象出來(lái)放在網(wǎng)頁(yè)上直觀(guān)地展現，學(xué)習者可以像瀏覽網(wǎng)頁(yè)一樣使用該系統。

　　客戶(hù)端：要求簡(jiǎn)單、明了地展現相應信息；有動(dòng)態(tài)效果，逐步封裝；能與服務(wù)器進(jìn)行數據交互。因此，系統用dreamweaver8 設計頁(yè)面，采用表格布局封裝相關(guān)信息；用javascript. 控制動(dòng)態(tài)效果和實(shí)現逐步封裝；采用Ajax 技術(shù)實(shí)現客戶(hù)端與服務(wù)器的交互。

　　服務(wù)器：開(kāi)發(fā)語(yǔ)言相對簡(jiǎn)單易學(xué)，業(yè)務(wù)邏輯集中控制，采用分層的思想，在基本不動(dòng)現有代碼的情況下實(shí)現功能的拓展。系統用java 完成服務(wù)器端的實(shí)現，以一個(gè)邏輯控制類(lèi)控制整個(gè)業(yè)務(wù)邏輯；封裝一個(gè)持久層框架byesql 操作mysql數據庫，能在不寫(xiě)任何SQL 語(yǔ)句的情況下針對MySQL 數據庫完成基本的增、刪、改、查。

　　1.2 系統設計

　　1.2.1 系統用例圖

　　實(shí)驗時(shí)，學(xué)生甲操作PC-A，模擬數據發(fā)送端；學(xué)生乙操作PC-C，模擬交換機；學(xué)生丙操作PC-B，模擬數據接收端。

　　發(fā)送端（PC-A）：獲取本機真實(shí)IP 和MAC 地址后，用一個(gè)JSP 頁(yè)面模擬ARP 報文的逐步封裝過(guò)程，使用者可以看到ARP 請求報文逐步封裝的效果。然后自動(dòng)向“交換機”

　　發(fā)送ARP 請求報文，再自動(dòng)跳轉到“ARP 高速緩存表”模擬頁(yè)面，等待“交換機”轉發(fā)來(lái)ARP 響應報文，最后修改“ARP 高速緩存表”。

　　交換機（PC-C）：用一個(gè)JSP 頁(yè)面模擬“端口——MAC映射表”，負責轉發(fā)ARP 報文。初始為等待狀態(tài)，當發(fā)送端（PC-A）發(fā)送完ARP 請求報文之后，自動(dòng)向除發(fā)送端外的所有端口轉發(fā)該請求報文，完畢后自動(dòng)跳到初始狀態(tài)等待轉發(fā)ARP 響應報文，當響應報文到達后就針對發(fā)送端（PC-A）單播該報文分組。

　　接收端（PC-B）：獲取本機真實(shí)IP 和MAC 地址后，自動(dòng)跳到“ARP 高速緩存表”模擬頁(yè)面，等待“交換機”將ARP請求報文轉發(fā)過(guò)來(lái)后修改ARP 高速緩存表，再自己跳轉到ARP 響應報文頁(yè)面，逐步封裝。封裝完畢則自動(dòng)向“交換機”發(fā)送ARP 響應報文。

　　圖2 為ARP 協(xié)議仿真系統動(dòng)態(tài)交互用例圖。

圖2 ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統用例