ARP協議動態交互仿真系統的設計

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

　　ARP 協議功能是把IP 地址映射為MAC 地址，核心機制是ARP 緩存表，實現IP 地址和MAC 地址之間的一一對應關系。研究ARP 協議動態交互仿真實驗系統的目的是便于大家在學習ARP 協議的時候更好地理解協議理論，能夠體會到ARP 請求報文和響應報文封裝和發送的整個過程，真實地演示交換機對于ARP 請求報文和響應報文轉發的機制及PC 機上緩存表的修改過程，有助于增強學生的學習效果。

　　1 系統設計

　　ARP 協議動態交互仿真實驗系統是由三臺計算機（PC-A，PC-B，PC-C）模擬的局域網，數據在其內部轉發時的分布式仿真實驗平臺。三臺機器分別模擬ARP 報文發送端、交換機、ARP 報文接收端，通過三臺機器交互操作，在以太網環境中動態模擬出ARP 協議的整個工作流程，包括ARP 高速緩存表的查詢和修改，ARP 報文封裝，交換機端口轉發報文。

　　ARP 協議動態交互仿真系統拓撲結構圖如圖1 所示。

圖1 ARP 協議動態交互仿真實驗平臺拓撲結構

　　1.1 系統分析

　　該系統的目的是為了在學生學習ARP 協議時，通過動態、逼真的實驗過程幫助學生深入理解ARP 協議，提高學習效果。為了能夠快捷、順利地完成實驗，實驗環境對該系統有如下要求：部署方便，使用簡單，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 下開發，采用部署較為簡單的Mysql 數據庫和Tomcat 服務器（PC-C），將整個ARP 協議工作過程抽象出來放在網頁上直觀地展現，學習者可以像瀏覽網頁一樣使用該系統。

　　客戶端：要求簡單、明了地展現相應信息；有動態效果，逐步封裝；能與服務器進行數據交互。因此，系統用dreamweaver8 設計頁面，采用表格布局封裝相關信息；用javascript. 控制動態效果和實現逐步封裝；采用Ajax 技術實現客戶端與服務器的交互。

　　服務器：開發語言相對簡單易學，業務邏輯集中控制，采用分層的思想，在基本不動現有代碼的情況下實現功能的拓展。系統用java 完成服務器端的實現，以一個邏輯控制類控制整個業務邏輯；封裝一個持久層框架byesql 操作mysql數據庫，能在不寫任何SQL 語句的情況下針對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

　　實驗時，學生甲操作PC-A，模擬數據發送端；學生乙操作PC-C，模擬交換機；學生丙操作PC-B，模擬數據接收端。

　　發送端（PC-A）：獲取本機真實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”

　　發送ARP 請求報文，再自動跳轉到“ARP 高速緩存表”模擬頁面，等待“交換機”轉發來ARP 響應報文，最后修改“ARP 高速緩存表”。

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

　　接收端（PC-B）：獲取本機真實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”將ARP請求報文轉發過來后修改ARP 高速緩存表，再自己跳轉到ARP 響應報文頁面，逐步封裝。封裝完畢則自動向“交換機”發送ARP 響應報文。

　　圖2 為ARP 協議仿真系統動態交互用例圖。

圖2 ARP 協議動態交互仿真系統用例