ARP協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)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(yàn)是離散的、靜態(tài)的，即單獨(dú)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(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(dòng)態(tài)變化，實(shí)驗(yàn)效果單調(diào)、生硬。具有代表性的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有：國(guó)外的NS2，BosON Netsim，國(guó)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(guò)程，但是，無(wú)數(shù)據(jù)內(nèi)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(yàn)，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(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(yàn)。“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)”實(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，為了更好地模擬協(xié)議，忽略了實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的一致性。“Psender”系統(tǒng)借用了著作《計(jì)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(xiàn)實(shí)驗(yàn)案例，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信的中間過(guò)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(shí)驗(yàn)是離散的、靜態(tài)的。而網(wǎng)絡(luò)通信是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，需要協(xié)議之間相互協(xié)作，且數(shù)據(jù)也需要?jiǎng)討B(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(shí)現(xiàn)IP 地址和MAC 地址之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的是便于大家在學(xué)習(xí)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(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文封裝和發(fā)送的整個(gè)過(guò)程，真實(shí)地演示交換機(jī)對(duì)于ARP 請(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制及PC 機(jī)上緩存表的修改過(guò)程，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由三臺(tái)計(jì)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(shí)的分布式仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。三臺(tái)機(jī)器分別模擬ARP 報(bào)文發(fā)送端、交換機(jī)、ARP 報(bào)文接收端，通過(guò)三臺(tái)機(jī)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(bào)文封裝，交換機(jī)端口轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。

　　ARP 協(xié)議動(dòng)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(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)、逼真的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)該系統(tǒng)有如下要求：部署方便，使用簡(jiǎn)單，效果逼真，移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

　　系統(tǒng)針對(duì)上述需求采取如下策略：該系統(tǒng)全部在Windows XP 下開(kāi)發(fā)，采用部署較為簡(jiǎn)單的Mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)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)上直觀地展現(xiàn)，學(xué)習(xí)者可以像瀏覽網(wǎng)頁(yè)一樣使用該系統(tǒng)。

　　客戶(hù)端：要求簡(jiǎn)單、明了地展現(xiàn)相應(yīng)信息；有動(dòng)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(jì)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(xiàn)逐步封裝；采用Ajax 技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(duì)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(xiàn)有代碼的情況下實(shí)現(xiàn)功能的拓展。系統(tǒng)用java 完成服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)，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(shù)據(jù)庫(kù)，能在不寫(xiě)任何SQL 語(yǔ)句的情況下針對(duì)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)完成基本的增、刪、改、查。

　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.2.1 系統(tǒng)用例圖

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)IP 和MAC 地址后，用一個(gè)JSP 頁(yè)面模擬ARP 報(bào)文的逐步封裝過(guò)程，使用者可以看到ARP 請(qǐng)求報(bào)文逐步封裝的效果。然后自動(dòng)向“交換機(jī)”

　　發(fā)送ARP 請(qǐng)求報(bào)文，再自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到“ARP 高速緩存表”模擬頁(yè)面，等待“交換機(jī)”轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)ARP 響應(yīng)報(bào)文，最后修改“ARP 高速緩存表”。

　　交換機(jī)（PC-C）：用一個(gè)JSP 頁(yè)面模擬“端口——MAC映射表”，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)ARP 報(bào)文。初始為等待狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送端（PC-A）發(fā)送完ARP 請(qǐng)求報(bào)文之后，自動(dòng)向除發(fā)送端外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)該請(qǐng)求報(bào)文，完畢后自動(dòng)跳到初始狀態(tài)等待轉(zhuǎn)發(fā)ARP 響應(yīng)報(bào)文，當(dāng)響應(yīng)報(bào)文到達(dá)后就針對(duì)發(fā)送端（PC-A）單播該報(bào)文分組。

　　接收端（PC-B）：獲取本機(jī)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(jī)”將ARP請(qǐng)求報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)后修改ARP 高速緩存表，再自己跳轉(zhuǎn)到ARP 響應(yīng)報(bào)文頁(yè)面，逐步封裝。封裝完畢則自動(dòng)向“交換機(jī)”發(fā)送ARP 響應(yīng)報(bào)文。

　　圖2 為ARP 協(xié)議仿真系統(tǒng)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(tǒng)用例

　　1.2.2 系統(tǒng)類(lèi)圖

　　ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)定義了四個(gè)類(lèi)：

　?、貯RP 報(bào)文類(lèi)ArpMessage：定義ARP 報(bào)文屬性和類(lèi)型；②ARP 緩存表類(lèi)ArpTable：定義ARP 表字段和屬性；③端口MAC 映射表類(lèi)MacTable：定義交換機(jī)端口和機(jī)器MAC 地址的映射關(guān)系；④計(jì)算機(jī)類(lèi)PC：定義各機(jī)器的IP 地址、MAC 地址和計(jì)算機(jī)名。

　　計(jì)算機(jī)類(lèi)PC 為ARP 報(bào)文類(lèi)ArpMessage 和ARP 緩存表類(lèi)ArpTable 提供本機(jī)的MAC 地址和IP 地址，分別用于幀封裝和MAC 地址查詢(xún)。端口MAC 映射表類(lèi)MacTable 為計(jì)算機(jī)類(lèi)PC 提供MAC 地址和端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

　　圖3 為ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)類(lèi)圖。

圖3 ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)類(lèi)

　　1.2.3 系統(tǒng)流程圖

　　為了使用方便，ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)把三個(gè)角色功能集成在一個(gè)程序中。程序運(yùn)行時(shí)，操作者需為機(jī)器選擇規(guī)定的角色，再根據(jù)角色功能分配，按照定義的流程完成相應(yīng)的操作。圖4 為ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)流程圖。

圖4 ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)流程

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 ByeSQL 框架簡(jiǎn)介

　　Java 流行已久，基于jdbc 封裝的持久層框架層出不窮，像Hibernate、Ibatis 等都是功能十分強(qiáng)大的開(kāi)源框架[8]。但是這些開(kāi)源框架對(duì)于一些小系統(tǒng)的應(yīng)用顯得太復(fù)雜，配置很麻煩，而且這些框架沒(méi)有真正屏蔽掉SQL 語(yǔ)句的書(shū)寫(xiě)：

　　Hibernate 需要寫(xiě)HQL 語(yǔ)句（和SQL 類(lèi)似），Ibatis 就是一個(gè)sql-Object 映射框架。

　　ARP 協(xié)議動(dòng)態(tài)交互仿真系統(tǒng)封裝了一個(gè)持久層框架byeSQL，將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作封裝起來(lái)，利用統(tǒng)一的約定省去配置文件中的諸多麻煩，借助java 反射機(jī)制完成表項(xiàng)和實(shí)體類(lèi)的相互轉(zhuǎn)換。所有的邏輯控制都由java 代碼去處理。該框架可以應(yīng)用于大部分小型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

　　持久層框架byeSQL 主要針對(duì)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，將一些常用的增、刪、改、查操作封裝起來(lái)。使開(kāi)發(fā)人員在做一些小型系統(tǒng)的時(shí)候，不要再去關(guān)心持久層的實(shí)現(xiàn)（也就是不要關(guān)心SQL 代碼），只要導(dǎo)入byeSQL.jar 和MySQL 驅(qū)動(dòng)包就可以利用java 代碼操作數(shù)據(jù)庫(kù)，而且配置文件十分簡(jiǎn)單，只需輸入數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)名和密碼即可。不過(guò)使用框架byeSQL 必須遵守一個(gè)約定，表名必須和實(shí)體類(lèi)名一致，字段名必須和實(shí)體類(lèi)的屬性一致，而且實(shí)體類(lèi)必須符合JavaBean 規(guī)范。該框架是輕量級(jí)的，可以單獨(dú)使用也可以和其它框架結(jié)合使用。

　　2.2 主要框架函數(shù)

　　系統(tǒng)持久層框架封裝了10 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)操作函數(shù)，這些操作函數(shù)內(nèi)部關(guān)聯(lián)起來(lái)，就能完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、改、查操作，不需用戶(hù)進(jìn)行干涉。部分操作函數(shù)的功能為：

　?、賞ublic STatic int selectCount（String beanName）：查出表中表項(xiàng)總數(shù)（傳入該表對(duì)應(yīng)的bean 全名，返回記錄個(gè)數(shù)）；

　　②public static List selectPage（String beanName，int start,int size）：分頁(yè)查詢(xún)（傳入該表對(duì)應(yīng)的bean 全名、開(kāi)始位置、每頁(yè)顯示記錄條數(shù)，返回裝有所查記錄對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例列表）；

　　③public static List selectOne（String beanName，StringpkName，String pkValue）：根據(jù)特定字段名和值選出所需記錄（傳入該表對(duì)應(yīng)的bean 全名、特定字段名、特定字段值，返回裝有所查記錄對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例列表）；

　?、躳ublic static List selectAll（String beanName）：查出所有記錄（傳入該表對(duì)應(yīng)的bean 全名，返回裝有所查記錄對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例的列表）；

　?、輕ublic static List select（String beanName，String select）：

　　實(shí)現(xiàn)復(fù)雜查詢(xún)，如關(guān)聯(lián)查詢(xún)和子查詢(xún)等（傳入該表對(duì)應(yīng)的bean 全名、SQL 語(yǔ)句，返回裝有所查記錄對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例的列表）。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ARP 協(xié)議的動(dòng)態(tài)交互仿真，完成了ARP協(xié)議整個(gè)工作過(guò)程的模擬實(shí)現(xiàn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)交互操作，能夠讓學(xué)習(xí)者更輕松地學(xué)習(xí)和掌握ARP 協(xié)議。系統(tǒng)通過(guò)封裝一個(gè)持久層框架，實(shí)現(xiàn)針對(duì)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的基本增刪操作，做到使用戶(hù)不需寫(xiě)SQL 語(yǔ)句，利用java 代碼就可以操作MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。