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，真實地演示交換機對于ARP 請求報文和響應(yīng)報文轉(zhuǎn)發(fā)的機制及PC 機上緩存表的修改過程，有助于增強學(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（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。三臺機器分別模擬ARP 報文發(fā)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(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，交換機端口轉(zhuǎn)發(fā)報文。

　　ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)拓撲結(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撲結(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，移植性和可擴展性強。

　　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；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(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”轉(zhuǎn)發(fā)來ARP 響應(yīng)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(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(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”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

　　1.2.2 系統(tǒng)類圖

　　ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)定義了四個類：

　?、貯RP 報文類ArpMessage：定義ARP 報文屬性和類型；②ARP 緩存表類ArpTable：定義ARP 表字段和屬性；③端口MAC 映射表類MacTable：定義交換機端口和機器MAC 地址的映射關(guān)系；④計算機類PC：定義各機器的IP 地址、MAC 地址和計算機名。

　　計算機類PC 為ARP 報文類ArpMessage 和ARP 緩存表類ArpTable 提供本機的MAC 地址和IP 地址，分別用于幀封裝和MAC 地址查詢。端口MAC 映射表類MacTable 為計算機類PC 提供MAC 地址和端口的對應(yīng)關(guān)系，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

　　圖3 為ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真實驗系統(tǒng)類圖。

圖3 ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)類

　　1.2.3 系統(tǒng)流程圖

　　為了使用方便，ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)把三個角色功能集成在一個程序中。程序運行時，操作者需為機器選擇規(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)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)流程圖。

圖4 ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)流程

　　2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　2.1 ByeSQL 框架簡介

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

　　Hibernate 需要寫HQL 語句（和SQL 類似），Ibatis 就是一個sql-Object 映射框架。

　　ARP 協(xié)議動態(tài)交互仿真系統(tǒng)封裝了一個持久層框架byeSQL，將對數(shù)據(jù)庫的操作封裝起來，利用統(tǒng)一的約定省去配置文件中的諸多麻煩，借助java 反射機制完成表項和實體類的相互轉(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)的開發(fā)。

　　持久層框架byeSQL 主要針對MySQL 數(shù)據(jù)庫，將一些常用的增、刪、改、查操作封裝起來。使開發(fā)人員在做一些小型系統(tǒng)的時候，不要再去關(guān)心持久層的實現(xiàn)（也就是不要關(guān)心SQL 代碼），只要導(dǎo)入byeSQL.jar 和MySQL 驅(qū)動包就可以利用java 代碼操作數(shù)據(jù)庫，而且配置文件十分簡單，只需輸入數(shù)據(jù)庫的用戶名和密碼即可。不過使用框架byeSQL 必須遵守一個約定，表名必須和實體類名一致，字段名必須和實體類的屬性一致，而且實體類必須符合JavaBean 規(guī)范。該框架是輕量級的，可以單獨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 個數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，這些操作函數(shù)內(nèi)部關(guān)聯(lián)起來，就能完成對數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查操作，不需用戶進行干涉。部分操作函數(shù)的功能為：

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

　?、趐ublic static List selectPage（String beanName，int start,int size）：分頁查詢（傳入該表對應(yīng)的bean 全名、開始位置、每頁顯示記錄條數(shù)，返回裝有所查記錄對應(yīng)的對象實例列表）；

　?、踦ublic 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應(yīng)的對象實例列表）；

　　④public static List selectAll（String beanName）：查出所有記錄（傳入該表對應(yīng)的bean 全名，返回裝有所查記錄對應(yīng)的對象實例的列表）；

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

　　實現(xiàn)復(fù)雜查詢，如關(guān)聯(lián)查詢和子查詢等（傳入該表對應(yīng)的bean 全名、SQL 語句，返回裝有所查記錄對應(yīng)的對象實例的列表）。

　　3 結(jié)語

　　該系統(tǒng)實現(xiàn)了ARP 協(xié)議的動態(tài)交互仿真，完成了ARP協(xié)議整個工作過程的模擬實現(xiàn)，通過動態(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)通過封裝一個持久層框架，實現(xiàn)針對MySQL 數(shù)據(jù)庫的基本增刪操作，做到使用戶不需寫SQL 語句，利用java 代碼就可以操作MySQL 數(shù)據(jù)庫。