ARP协议动态交互仿真系统的设计

协议仿真实验教学是帮助学生理解网络协议的重要手段。目前的协议仿真实验是离散的、静态的，即单独模拟某个协议，不能与其它协议合作，且协议中的数据表示是静态的，不能随着输入的数据的变化而动态变化，实验效果单调、生硬。具有代表性的网络仿真软件有：国外的NS2，BosON Netsim，国内的 “网络协议仿真教学系统”，“Psender”系统等。NS2 能够演示协议的工作过程，但是，无数据内容的动态变化和协议之间的合作。Boson Netsim 主要用于仿真网络工程实验，帮助学生熟悉网络设备和协议的使用，不能演示协议的工作流程，以及协议之间的相互协作过程，其效果仅类似于一个实际的网络工程实验。“网络协议仿真教学系统”实现了跨机器之间通信，但是数据的传递全部由人工操作，实验环境复杂，为了更好地模拟协议，忽略了实验环境与实际应用场景的一致性。“Psender”系统借用了着作《计算机网络：自顶向下方法与Internet 特色》作者提供的一些在线实验案例，实现了数据发送方和接收方之间的自动通信和速度匹配，但是，忽略了数据通信的中间过程，如，不能演示交换机的工作流程，也是离散的。因此，已有的仿真实验是离散的、静态的。而网络通信是一个连续的过程，需要协议之间相互协作，且数据也需要动态变化。

　　ARP 协议功能是把IP 地址映射为MAC 地址，核心机制是ARP 缓存表，实现IP 地址和MAC 地址之间的一一对应关系。研究ARP 协议动态交互仿真实验系统的目的是便于大家在学习ARP 协议的时候更好地理解协议理论，能够体会到ARP 请求报文和响应报文封装和发送的整个过程，真实地演示交换机对于ARP 请求报文和响应报文转发的机制及PC 机上缓存表的修改过程，有助于增强学生的学习效果。

　　1 系统设计

　　ARP 协议动态交互仿真实验系统是由三台计算机（PC-A，PC-B，PC-C）模拟的局域网，数据在其内部转发时的分布式仿真实验平台。三台机器分别模拟ARP 报文发送端、交换机、ARP 报文接收端，通过三台机器交互操作，在以太网环境中动态模拟出ARP 协议的整个工作流程，包括ARP 高速缓存表的查询和修改，ARP 报文封装，交换机端口转发报文。

　　ARP 协议动态交互仿真系统拓扑结构图如图1 所示。

图1 ARP 协议动态交互仿真实验平台拓扑结构

　　1.1 系统分析

　　该系统的目的是为了在学生学习ARP 协议时，通过动态、逼真的实验过程帮助学生深入理解ARP 协议，提高学习效果。为了能够快捷、顺利地完成实验，实验环境对该系统有如下要求：部署方便，使用简单，效果逼真，移植性和可扩展性强。

　　系统针对上述需求采取如下策略：该系统全部在Windows XP 下开发，采用部署较为简单的Mysql 数据库和Tomcat 服务器（PC-C），将整个ARP 协议工作过程抽象出来放在网页上直观地展现，学习者可以像浏览网页一样使用该系统。

　　客户端：要求简单、明了地展现相应信息；有动态效果，逐步封装；能与服务器进行数据交互。因此，系统用dreamweaver8 设计页面，采用表格布局封装相关信息；用javascript. 控制动态效果和实现逐步封装；采用Ajax 技术实现客户端与服务器的交互。

　　服务器：开发语言相对简单易学，业务逻辑集中控制，采用分层的思想，在基本不动现有代码的情况下实现功能的拓展。系统用java 完成服务器端的实现，以一个逻辑控制类控制整个业务逻辑；封装一个持久层框架byesql 操作mysql数据库，能在不写任何SQL 语句的情况下针对MySQL 数据库完成基本的增、删、改、查。

　　1.2 系统设计

　　1.2.1 系统用例图

　　实验时，学生甲操作PC-A，模拟数据发送端；学生乙操作PC-C，模拟交换机；学生丙操作PC-B，模拟数据接收端。

　　发送端（PC-A）：获取本机真实IP 和MAC 地址后，用一个JSP 页面模拟ARP 报文的逐步封装过程，使用者可以看到ARP 请求报文逐步封装的效果。然后自动向“交换机”

　　发送ARP 请求报文，再自动跳转到“ARP 高速缓存表”模拟页面，等待“交换机”转发来ARP 响应报文，最后修改“ARP 高速缓存表”。

　　交换机（PC-C）：用一个JSP 页面模拟“端口——MAC映射表”，负责转发ARP 报文。初始为等待状态，当发送端（PC-A）发送完ARP 请求报文之后，自动向除发送端外的所有端口转发该请求报文，完毕后自动跳到初始状态等待转发ARP 响应报文，当响应报文到达后就针对发送端（PC-A）单播该报文分组。

　　接收端（PC-B）：获取本机真实IP 和MAC 地址后，自动跳到“ARP 高速缓存表”模拟页面，等待“交换机”将ARP请求报文转发过来后修改ARP 高速缓存表，再自己跳转到ARP 响应报文页面，逐步封装。封装完毕则自动向“交换机”发送ARP 响应报文。

　　图2 为ARP 协议仿真系统动态交互用例图。

图2 ARP 协议动态交互仿真系统用例