淺談計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)論文
淺談計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)論文
協(xié)議棧是指網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議的總和，其形象的反映了一個網(wǎng)絡(luò)中文件傳輸?shù)倪^程：由上層協(xié)議到底層協(xié)議，再由底層協(xié)議到上層協(xié)議。使用最廣泛的是因特網(wǎng)協(xié)議棧。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：淺談計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
淺談計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)全文如下：
計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程是計算機專業(yè)主干課程之一，在專業(yè)教學(xué)體系中占有非常重要的地位。計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程中，最重要的是對于協(xié)議棧的理解和掌握。目前，計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程均設(shè)置有實驗環(huán)節(jié)，實驗內(nèi)容主要包括4 方面：①通過數(shù)據(jù)嗅探軟件——sniffer/winshark/Ethereal 等分析數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議;②利用網(wǎng)絡(luò)仿真器如NS2 分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其性能[1-2];③協(xié)議開發(fā)，即利用套接字編程進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議開發(fā);④網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置實驗，包括交換機、路由器、服務(wù)器等的配置，這些實驗都涉及協(xié)議。通過前兩類分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實驗，學(xué)生可以觀察協(xié)議的內(nèi)部原理、數(shù)據(jù)包的格式等基本理論知識，但是此類實驗屬于驗證性實驗，會令學(xué)生對于協(xié)議的具體應(yīng)用仍然模糊，無法達(dá)到培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生設(shè)計新協(xié)議和獨立設(shè)計開發(fā)協(xié)議能力的目標(biāo)。通過套接字編程實驗，學(xué)生可以開發(fā)新的應(yīng)用層協(xié)議，但是仍然缺乏對底層協(xié)議的認(rèn)知和運用。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置實驗也有類似的問題。
目前，計算機網(wǎng)絡(luò)原理實驗課程存在的主要問題是實驗的片段性和隔離性導(dǎo)致學(xué)生對知識點掌握得不完整、不系統(tǒng)，不能形成有機的整體，不能將針對協(xié)議的學(xué)習(xí)成果應(yīng)用于具體的協(xié)議棧設(shè)計，缺少對協(xié)議棧開發(fā)方法的整體理解。
基于上述問題，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識分析問題和解決問題的實踐能力，筆者結(jié)合華中科技大學(xué)文華學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，構(gòu)建基于MSP430 的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實驗平臺，設(shè)計一套實驗方案，期望學(xué)生通過在實驗平臺上的操作，加深對協(xié)議棧的理解，提高分析協(xié)議棧的能力和實踐動手能力。
1 實驗平臺設(shè)計概述
嵌入式實驗平臺的硬件部分主要由MSP430和CS8900 網(wǎng)絡(luò)接口芯片組成。平臺采用的微控制器是德州儀器公司(TI)的MSP430F149。這是功耗極低的Flash 型16 位RISC指令集單片機，采用Crystal 公司的CS8900 作為太網(wǎng)接口芯片。CS8900 功耗低，控制簡單，可以直接和微控制器相連，通過微控制器的I/O 口對CS8900 進(jìn)行控制。為擴展路由協(xié)議驗證模塊，實驗平臺的MSP430F149 與兩片CS8900 連接。
2 實驗內(nèi)容設(shè)計
2.1 實驗1 ：Ethereal 數(shù)據(jù)包嗅探
對協(xié)議棧的學(xué)習(xí)和開發(fā)都離不開數(shù)據(jù)包嗅探軟件，Ethereal 是目前比較流行的協(xié)議分析軟件。計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程的第一個實驗是要求學(xué)生掌握Ethereal 軟件的用法，通過包嗅探軟件熟悉和掌握數(shù)據(jù)包的格式，為后續(xù)的復(fù)雜實驗打好基礎(chǔ)。這部分實驗可以在PC 機上完成。
實驗內(nèi)容包括：①掌握Ethereal 軟件的使用方法;②掌握通過數(shù)據(jù)包嗅探進(jìn)行協(xié)議分析的方法;③截獲典型數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議分析;④掌握一些經(jīng)典協(xié)議(PPP 協(xié)議、ARP 協(xié)議、ICMP 協(xié)議、Telnet 協(xié)議、TCP 協(xié)議和Smtp 協(xié)議)并閱讀相應(yīng)的RFC 文檔。
2.2 實驗2 ： 網(wǎng)絡(luò)層IP 協(xié)議、ARP 協(xié)議、ICMP 協(xié)議的實現(xiàn)
在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)IP 分組封裝，ARP 協(xié)議的實現(xiàn)是數(shù)據(jù)最終能夠到達(dá)目的地的保證;設(shè)計完成部分ICMP 協(xié)議;通過在接入段運行Ping 命令驗證實驗結(jié)果的正確性。
2.3 實驗3 ：傳輸層TCP 協(xié)議的實現(xiàn)
根據(jù)TCP 有限狀態(tài)機實現(xiàn)TCP 協(xié)議可不考慮復(fù)雜的通信環(huán)境，忽略發(fā)送窗口、接受窗口、擁塞控制部分的實現(xiàn)。
2.4 Http 和Smtp 協(xié)議的實現(xiàn)
用HTML 寫一個簡單的Web 頁面，嵌入到實驗平臺，在平臺上實現(xiàn)Http 協(xié)議，以便局域網(wǎng)內(nèi)其他終端可以通過Http 協(xié)議訪問實驗平臺。
在實驗平臺上實現(xiàn)Smtp 協(xié)議，使實驗平臺在啟動時或在某個事件驅(qū)動下完成向某個郵箱自動發(fā)送郵件的過程。
3 實驗平臺擴展
3.1 簡單IPv6 協(xié)議
隨著嵌入式技術(shù)研究的深入發(fā)展，許多小型智能電子設(shè)備如智能家電、智能儀表等也接入到互聯(lián)網(wǎng)中，導(dǎo)致IPv4 地址空間明顯不足，而IPv6 協(xié)議解決了IPv4 公共地址空間耗盡的問題。IPv6 協(xié)議使得移動電話、PDA、汽車、儀表甚至個人都可以獲得多個公共IP 地址，并且IPv6 具有無狀態(tài)地址自動配置、內(nèi)置安全性強、服務(wù)質(zhì)量高等諸多優(yōu)點，是嵌入式設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的較好選擇。實驗平臺可以實現(xiàn)簡單的IPv6協(xié)議棧，幫助學(xué)生理解IPv6 協(xié)議與IPv4 協(xié)議的異同。
1)IPv6 協(xié)議棧的實現(xiàn)。
IPv6 協(xié)議棧的實現(xiàn)主要包括IPv6 模塊和ICMPv6 模塊。
由于實驗平臺資源有限，目前不考慮IPv6協(xié)議與IPv4 協(xié)議的兼容問題，不支持IPv6 擴展報頭，不支持分片;測試運行在本地局域網(wǎng)，不涉及路由器;忽略MTU 探測決定路徑上的最大傳輸單元;將報文大小設(shè)定為小于以太網(wǎng)最大傳輸單元，避免報文分片。
ICMPv6 模塊具有IPv4 的ICMP 常用功能，可回送請求報文和回送應(yīng)答報文，可在應(yīng)用層進(jìn)行ping6 操作，測試網(wǎng)絡(luò)的連通性和IPv6 地址解析的正確性。IPv6 中的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程是用一系列的報文和步驟確定鄰節(jié)點之間關(guān)系的過程。鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)取代了IPv4 中使用的ARP 報文、ICMP路由器發(fā)現(xiàn)和ICMP 重定向報文。鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)報文使用ICMPv6 的報文結(jié)構(gòu)。
實驗平臺的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)模塊支持地址解析，省略了重復(fù)性探測和路由功能。程序設(shè)計在保證實現(xiàn)IPv6 協(xié)議?；竟δ艿幕A(chǔ)上盡量減少代碼復(fù)雜度，只考慮運行時的一般情況，忽略特殊情況需要的額外開銷。實現(xiàn)該協(xié)議棧的重要內(nèi)容之一是正確處理數(shù)據(jù)流程，實驗平臺數(shù)據(jù)處理流程如下。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有終端(主機)要訪問嵌入式設(shè)備時，主機在適當(dāng)?shù)慕涌谏习l(fā)送多播幀，即IPv6主機發(fā)送多播鄰節(jié)點，請求報文發(fā)現(xiàn)鏈路上IPv6節(jié)點的鏈路層地址。鄰節(jié)點請求報文的多播地址是從目標(biāo)IP 地址得到的。
這時必須正確設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900 地址濾波寄存器的值，以保證主機發(fā)送的多播鄰節(jié)點請求報文可以通過地址濾波器;實驗平臺收到鄰節(jié)點請求報文后，根據(jù)鄰節(jié)點請求報文的信息，向報文發(fā)送方——主機發(fā)送一個單播鄰節(jié)點公告報文，地址解析完畢;然后，實驗平臺根據(jù)TCP 狀態(tài)機的狀態(tài)完成相應(yīng)處理過程，接收數(shù)據(jù)時，從網(wǎng)絡(luò)接口芯片緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，依次提取：①以太網(wǎng)幀頭信息——用于保存發(fā)送方MAC 地址;② IPv6 頭信息——提取IPv6 報文頭中下一個頭部的值。如果不是ICMPv6 和TCP 中的任何一個，就發(fā)送ICMPv6 目的不可達(dá)報文;如果是ICMPv6，就進(jìn)一步判斷;如果是REQUES 報文，就發(fā)送REPLY 報文;如果是鄰居請求報文，則發(fā)送鄰居宣告報文。因為實驗平臺的TCP/IP 連接是由主機發(fā)起的，所以嵌入式設(shè)備不會接收到鄰居宣告報文。
實驗平臺采用TCP 方式發(fā)送數(shù)據(jù)。嵌入式設(shè)備不主動向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，而是根據(jù)主機的請求傳送數(shù)據(jù)，根據(jù)主機發(fā)送的請求數(shù)據(jù)包得到目的地址相關(guān)信息，將發(fā)送的數(shù)據(jù)包送入發(fā)送緩沖區(qū)，添加以太網(wǎng)幀頭部、IPv6 數(shù)據(jù)報報頭、TCP報文段首部等信息，更改相關(guān)標(biāo)志位，將數(shù)據(jù)送入鏈路層。網(wǎng)絡(luò)接口芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。
2)IPv6 協(xié)議棧的測試。
由于HTML 不支持使用文字形式的IPv6 地址格式作為URL(通用地址)，因此需要一臺運行Windows 2000 Server 的計算機作為DNS 服務(wù)器，在DNS 服務(wù)器中添加實驗平臺IPv6 地址的AAAA 記錄;同時需要正確配置測試局域網(wǎng)中主機的掩碼，網(wǎng)關(guān)以及DNS 服務(wù)器。
測試在本地局域網(wǎng)進(jìn)行，除上述DNS 服務(wù)器外，其他主機運行Windows XP 或Windows2000 操作系統(tǒng)。每臺計算機都配置IPv4 地址、安裝IPv6 協(xié)議棧并配置IPv6 的鏈路本地地址。將嵌入式系統(tǒng)連入該網(wǎng)絡(luò)，啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)的IPv6 地址通過程序?qū)懭肫銻AM 中，我們就可以通過該局域網(wǎng)內(nèi)的一個網(wǎng)絡(luò)終端訪問嵌入式系統(tǒng)的主頁。例如，在一臺計算機輸入“ping6 嵌入式設(shè)備IPv6 地址”，如果網(wǎng)絡(luò)沒有問題就可以返回信息。在Http 的URL 中輸入嵌入式設(shè)備對應(yīng)的域名，就可以看到其主頁，這說明上述實驗環(huán)境可以使IPv6 協(xié)議棧得到較好的測試。
3.2 RIP 和OSPF 路由協(xié)議的實現(xiàn)
為了在實驗平臺上驗證RIP 和OSPF 路由協(xié)議，我們在實驗平臺上設(shè)計2 個網(wǎng)絡(luò)接口。由于實驗平臺資源有限且路由協(xié)議實現(xiàn)復(fù)雜，我們僅搭建規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。實驗平臺不設(shè)置接收緩沖區(qū)，不采用隨機早期檢測，僅實現(xiàn)RIP 路由協(xié)議和OSPF 路由協(xié)議。
4 結(jié)語
計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析與開發(fā)實驗一直是計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中的難點，如何讓學(xué)生通過實驗掌握協(xié)議分析與開發(fā)的精髓，具備協(xié)議分析與開發(fā)實踐能力，是此類實驗應(yīng)重點關(guān)注的內(nèi)容?；趍sp430 的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實驗平臺可以開展專業(yè)相關(guān)的各種實驗，還可擴展進(jìn)行IPv6 協(xié)議和RIP、OSPF 路由協(xié)議實驗。學(xué)生通過實驗可以重演TCP/IP 協(xié)議棧，也可獨立設(shè)計并開發(fā)類TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對學(xué)生協(xié)議分析、設(shè)計和開發(fā)能力的提高有很大幫助。
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