ARP協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)的設(shè)計

協(xié)議仿真實驗教學(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)議仿真實驗是離散的、靜態(tài)的，即單獨模擬某個協(xié)議，不能與其它協(xié)議合作，且協(xié)議中的數(shù)據(jù)表示是靜態(tài)的，不能隨著輸入的數(shù)據(jù)的變化而動態(tài)變化，實驗效果單調(diào)、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(nèi)的 “網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)”，“Psender”系統(tǒng)等。NS2 能夠演示協(xié)議的工作過程，但是，無數(shù)據(jù)內(nèi)容的動態(tài)變化和協(xié)議之間的合作。Boson Netsim 主要用于仿真網(wǎng)絡(luò)工程實驗，幫助學(xué)生熟悉網(wǎng)絡(luò)設(shè)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)作過程，其效果僅類似于一個實際的網(wǎng)絡(luò)工程實驗。“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)”實現(xiàn)了跨機(jī)器之間通信，但是數(shù)據(jù)的傳遞全部由人工操作，實驗環(huán)境復(fù)雜，為了更好地模擬協(xié)議，忽略了實驗環(huán)境與實際應(yīng)用場景的一致性。“Psender”系統(tǒng)借用了著作《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：自頂向下方法與Internet 特色》作者提供的一些在線實驗案例，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)發(fā)送方和接收方之間的自動通信和速度匹配，但是，忽略了數(shù)據(jù)通信的中間過程，如，不能演示交換機(jī)的工作流程，也是離散的。因此，已有的仿真實驗是離散的、靜態(tài)的。而網(wǎng)絡(luò)通信是一個連續(xù)的過程，需要協(xié)議之間相互協(xié)作，且數(shù)據(jù)也需要動態(tài)變化。

　　ARP 協(xié)議功能是把IP 地址映射為MAC 地址，核心機(jī)制是ARP 緩存表，實現(xiàn)IP 地址和MAC 地址之間的一一對應(yīng)關(guān)系。研究ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真實驗系統(tǒng)的目的是便于大家在學(xué)習(xí)ARP 協(xié)議的時候更好地理解協(xié)議理論，能夠體會到ARP 請求報文和響應(yīng)報文封裝和發(fā)送的整個過程，真實地演示交換機(jī)對于ARP 請求報文和響應(yīng)報文轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制及PC 機(jī)上緩存表的修改過程，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真實驗系統(tǒng)是由三臺計算機(jī)（PC-A，PC-B，PC-C）模擬的局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)在其內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)時的分布式仿真實驗平臺。三臺機(jī)器分別模擬ARP 報文發(fā)送端、交換機(jī)、ARP 報文接收端，通過三臺機(jī)器交互操作，在以太網(wǎng)環(huán)境中動態(tài)模擬出ARP 協(xié)議的整個工作流程，包括ARP 高速緩存表的查詢和修改，ARP 報文封裝，交換機(jī)端口轉(zhuǎn)發(fā)報文。

　　ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真實驗平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　1.1 系統(tǒng)分析

　　該系統(tǒng)的目的是為了在學(xué)生學(xué)習(xí)ARP 協(xié)議時，通過動態(tài)、逼真的實驗過程幫助學(xué)生深入理解ARP 協(xié)議，提高學(xué)習(xí)效果。為了能夠快捷、順利地完成實驗，實驗環(huán)境對該系統(tǒng)有如下要求：部署方便，使用簡單，效果逼真，移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

　　系統(tǒng)針對上述需求采取如下策略：該系統(tǒng)全部在Windows XP 下開發(fā)，采用部署較為簡單的Mysql 數(shù)據(jù)庫和Tomcat 服務(wù)器（PC-C），將整個ARP 協(xié)議工作過程抽象出來放在網(wǎng)頁上直觀地展現(xiàn)，學(xué)習(xí)者可以像瀏覽網(wǎng)頁一樣使用該系統(tǒng)。

　　客戶端：要求簡單、明了地展現(xiàn)相應(yīng)信息；有動態(tài)效果，逐步封裝；能與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此，系統(tǒng)用dreamweaver8 設(shè)計頁面，采用表格布局封裝相關(guān)信息；用javascript. 控制動態(tài)效果和實現(xiàn)逐步封裝；采用Ajax 技術(shù)實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的交互。

　　服務(wù)器：開發(fā)語言相對簡單易學(xué)，業(yè)務(wù)邏輯集中控制，采用分層的思想，在基本不動現(xiàn)有代碼的情況下實現(xiàn)功能的拓展。系統(tǒng)用java 完成服務(wù)器端的實現(xiàn)，以一個邏輯控制類控制整個業(yè)務(wù)邏輯；封裝一個持久層框架byesql 操作mysql數(shù)據(jù)庫，能在不寫任何SQL 語句的情況下針對MySQL 數(shù)據(jù)庫完成基本的增、刪、改、查。

　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計

　　1.2.1 系統(tǒng)用例圖

　　實驗時，學(xué)生甲操作PC-A，模擬數(shù)據(jù)發(fā)送端；學(xué)生乙操作PC-C，模擬交換機(jī)；學(xué)生丙操作PC-B，模擬數(shù)據(jù)接收端。

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

　　發(fā)送ARP 請求報文，再自動跳轉(zhuǎn)到“ARP 高速緩存表”模擬頁面，等待“交換機(jī)”轉(zhuǎn)發(fā)來ARP 響應(yīng)報文，最后修改“ARP 高速緩存表”。

　　交換機(jī)（PC-C）：用一個JSP 頁面模擬“端口——MAC映射表”，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)ARP 報文。初始為等待狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送端（PC-A）發(fā)送完ARP 請求報文之后，自動向除發(fā)送端外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)該請求報文，完畢后自動跳到初始狀態(tài)等待轉(zhuǎn)發(fā)ARP 響應(yīng)報文，當(dāng)響應(yīng)報文到達(dá)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(jī)真實IP 和MAC 地址后，自動跳到“ARP 高速緩存表”模擬頁面，等待“交換機(jī)”將ARP請求報文轉(zhuǎn)發(fā)過來后修改ARP 高速緩存表，再自己跳轉(zhuǎn)到ARP 響應(yīng)報文頁面，逐步封裝。封裝完畢則自動向“交換機(jī)”發(fā)送ARP 響應(yīng)報文。

　　圖2 為ARP 協(xié)議仿真系統(tǒng)動態(tài)交互用例圖。

圖2 ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)用例