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

　　1.2.2 系统类图

　　ARP 协议动态交互仿真系统定义了四个类：

　　①ARP 报文类ArpMessage：定义ARP 报文属性和类型；②ARP 缓存表类ArpTable：定义ARP 表字段和属性；③端口MAC 映射表类MacTable：定义交换机端口和机器MAC 地址的映射关系；④计算机类PC：定义各机器的IP 地址、MAC 地址和计算机名。

　　计算机类PC 为ARP 报文类ArpMessage 和ARP 缓存表类ArpTable 提供本机的MAC 地址和IP 地址，分别用于帧封装和MAC 地址查询。端口MAC 映射表类MacTable 为计算机类PC 提供MAC 地址和端口的对应关系，用于数据转发。

　　图3 为ARP 协议动态交互仿真实验系统类图。

图3 ARP 协议动态交互仿真系统类

　　1.2.3 系统流程图

　　为了使用方便，ARP 协议动态交互仿真系统把三个角色功能集成在一个程序中。程序运行时，操作者需为机器选择规定的角色，再根据角色功能分配，按照定义的流程完成相应的操作。图4 为ARP 协议动态交互仿真系统流程图。

图4 ARP 协议动态交互仿真系统流程

　　2 系统实现

　　2.1 ByeSQL 框架简介

　　Java 流行已久，基于jdbc 封装的持久层框架层出不穷，像Hibernate、Ibatis 等都是功能十分强大的开源框架[8]。但是这些开源框架对于一些小系统的应用显得太复杂，配置很麻烦，而且这些框架没有真正屏蔽掉SQL 语句的书写：

　　Hibernate 需要写HQL 语句（和SQL 类似），Ibatis 就是一个sql-Object 映射框架。

　　ARP 协议动态交互仿真系统封装了一个持久层框架byeSQL，将对数据库的操作封装起来，利用统一的约定省去配置文件中的诸多麻烦，借助java 反射机制完成表项和实体类的相互转换。所有的逻辑控制都由java 代码去处理。该框架可以应用于大部分小型系统的开发。

　　持久层框架byeSQL 主要针对MySQL 数据库，将一些常用的增、删、改、查操作封装起来。使开发人员在做一些小型系统的时候，不要再去关心持久层的实现（也就是不要关心SQL 代码），只要导入byeSQL.jar 和MySQL 驱动包就可以利用java 代码操作数据库，而且配置文件十分简单，只需输入数据库的用户名和密码即可。不过使用框架byeSQL 必须遵守一个约定，表名必须和实体类名一致，字段名必须和实体类的属性一致，而且实体类必须符合JavaBean 规范。该框架是轻量级的，可以单独使用也可以和其它框架结合使用。

　　2.2 主要框架函数

　　系统持久层框架封装了10 个数据库操作函数，这些操作函数内部关联起来，就能完成对数据库的增、删、改、查操作，不需用户进行干涉。部分操作函数的功能为：

　　①public STatic int selectCount（String beanName）：查出表中表项总数（传入该表对应的bean 全名，返回记录个数）；

　　②public static List selectPage（String beanName，int start,int size）：分页查询（传入该表对应的bean 全名、开始位置、每页显示记录条数，返回装有所查记录对应的对象实例列表）；

　　③public static List selectOne（String beanName，StringpkName，String pkValue）：根据特定字段名和值选出所需记录（传入该表对应的bean 全名、特定字段名、特定字段值，返回装有所查记录对应的对象实例列表）；

　　④public static List selectAll（String beanName）：查出所有记录（传入该表对应的bean 全名，返回装有所查记录对应的对象实例的列表）；

　　⑤public static List select（String beanName，String select）：

　　实现复杂查询，如关联查询和子查询等（传入该表对应的bean 全名、SQL 语句，返回装有所查记录对应的对象实例的列表）。

　　3 结语

　　该系统实现了ARP 协议的动态交互仿真，完成了ARP协议整个工作过程的模拟实现，通过动态交互操作，能够让学习者更轻松地学习和掌握ARP 协议。系统通过封装一个持久层框架，实现针对MySQL 数据库的基本增删操作，做到使用户不需写SQL 语句，利用java 代码就可以操作MySQL 数据库。