TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡教學系統(tǒng)設計如何發(fā)核心期刊

　　摘 要 通過對高校網(wǎng)絡教學現(xiàn)狀的調(diào)查與分析，提出了總體的設計目標以及設計方案，包括系統(tǒng)運行環(huán)境以及系統(tǒng)展現(xiàn)內(nèi)容。系統(tǒng)采用C/S 模式，通過主機與客戶機發(fā)送數(shù)據(jù)包，利用網(wǎng)絡包截獲的相應技術(shù)以及包過濾等策略，對特定的數(shù)據(jù)包進行分析，將各類協(xié)議首部用的二進制代碼展現(xiàn)，可更直觀的看到網(wǎng)絡傳輸?shù)木唧w方式，同時可將二進制代碼轉(zhuǎn)換為十進制，使系統(tǒng)具有更強的可視性。

　　關(guān)鍵字 TCP/IP;教學平臺;數(shù)據(jù)包截獲;包過濾;協(xié)議分析

　　1 引言

　　TCP/IP協(xié)議族是計算機網(wǎng)絡軟件組成的核心部分，同時也是很抽象和難以掌握的部分。目前，對于TCP/IP協(xié)議族的研究，一般是基于協(xié)議應用本身的研究，也就是研究如何將指定的協(xié)議嵌入產(chǎn)品，使該產(chǎn)品能夠支持上層產(chǎn)品應用該協(xié)議或自身產(chǎn)品對該協(xié)議的應用。作為高校計算機網(wǎng)絡課程中所介紹的協(xié)議，對于很大一部分老師和同學來講，都還只是停留在了解和使用這個協(xié)議上，并沒有深入到協(xié)議本身的原理中去。

　　本系統(tǒng)通過對TCP/IP協(xié)議族的研究，將其中的部分常用協(xié)議(如TCP、IP、UDP等)的具體結(jié)構(gòu)、工作方式和工作過程，用人機交互方式和圖形化界面形象生動展現(xiàn)在學生面前。教學中通過對本套系統(tǒng)的利用，可以達到提高學習效率，改善學習效果，使學生對協(xié)議的學習不僅達到對使用方法的了解，同時達到對協(xié)議結(jié)構(gòu)以及工作原理的領悟，使學生對網(wǎng)絡課程的學習達到一個新的層次。

　　2 系統(tǒng)設計依據(jù)

　　2.1 設計思路及設計目的

　　本系統(tǒng)開發(fā)的目的是針對大學本科學生對《計算機網(wǎng)絡》課程中關(guān)于網(wǎng)絡傳輸以及協(xié)議原理部分的學習，使學生可以自己定制傳輸內(nèi)容，并親眼看到所有內(nèi)容傳輸?shù)倪^程形式等，增強對協(xié)議結(jié)構(gòu)的記憶，并可以親自動手控制協(xié)議的狀態(tài)，達到對協(xié)議原理及工作方式的深入了解。

　　2.2 系統(tǒng)設計中所用到的原理

　　2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?/p>

　　在基于TCP/IP的網(wǎng)絡中，應用層的數(shù)據(jù)傳輸通常是基于TCP或者UDP協(xié)議的，而兩種協(xié)議最大的區(qū)別在于是否面向連接。

　　在面向連接的TCP協(xié)議中，傳輸數(shù)據(jù)首先要求傳輸雙方建立一條虛電路連接。通信雙方通過自身的sockets(或稱為通訊端點) 建立sockets的連接，從而達到傳輸?shù)哪康摹?/p>

　　UDP是一種是無連接的用戶數(shù)據(jù)報傳輸協(xié)議，與TCP操作不同，計算機間并不需要建立一個明確、可靠的鏈路，一個UDP應用可同時作為客戶方或服務器方。UDP向應用程序提供了一種發(fā)送封裝的原始IP數(shù)據(jù)包的方法。雖然UDP數(shù)據(jù)報只能提供不可靠的交付，但在許多方面UDP可以簡化連接，這樣可以避免建立和釋放連接的麻煩。

　　2.2.2 網(wǎng)絡包截獲的原理

　　通常在同一個網(wǎng)段的所有網(wǎng)絡接口都有訪問在物理媒體上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)的能力，而每個網(wǎng)絡接口都還應該有一個硬件地址，該硬件地址不同于網(wǎng)絡中存在的其他網(wǎng)絡接口的硬件地址，同時，每個網(wǎng)絡至少還要一個廣播地址(代表所有的接口地址)，在正常情況下，一個合法的網(wǎng)絡接口應該只響應這樣的兩種數(shù)據(jù)幀：

　　(1)幀的目標區(qū)域具有和本地網(wǎng)絡接口相匹配的硬件地址。

　　(2)幀的目標區(qū)域具有廣播地址。

　　在接受到上面兩種情況的數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)卡通過CPU產(chǎn)生一個硬件中斷，該中斷能引起操作系統(tǒng)注意，然后將幀中所包含的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)進一步處理。

　　本系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)幀的截獲就是利用將本地網(wǎng)卡模式設成混雜(promiscuous)狀態(tài)的機制，混雜模式就是接收所有經(jīng)過網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包，包括不是發(fā)給本機的包。當網(wǎng)卡處于這種混雜方式時，使網(wǎng)卡對所有遭遇到的每一個幀都產(chǎn)生一個硬件中斷以便提醒操作系統(tǒng)處理流經(jīng)該物理媒體上的每一個報文包。

　　2.2.3 協(xié)議狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的原理

　　這里主要是指TCP協(xié)議各種狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，TCP的各狀態(tài)間的跳轉(zhuǎn)見圖1。

　　圖1中所展現(xiàn)的內(nèi)容在系統(tǒng)中，主要是通過改變TCP首部中相應位置的值來實現(xiàn)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。

　　圖1 TCP的有限自動機

　　3 系統(tǒng)設計方案

　　3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)由三部分組成，其中包括數(shù)據(jù)傳輸部分，數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)分析部分。數(shù)據(jù)傳輸部分基本功能是完成主機間的相互通信，同時，完成控制協(xié)議狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)的任務;數(shù)據(jù)采集部分主要負責數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)分析是系統(tǒng)的重點，完成了對數(shù)據(jù)包的過濾以及對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析。

　　對用戶來講，直接觀察到的系統(tǒng)應用程序有兩部分組成，一個主應用程序和一個附屬應用程序，其中主應用程序起主控的作用，所有功能在它上通過不同的功能選擇來實現(xiàn)，附屬應用程序用完成和主應用程序的通信，同時用來接收主應用程序所發(fā)送的具體內(nèi)容。所有系統(tǒng)應用程序可以在同一臺主機上運行，也可以在不同主機上運行，從而可以滿足單用戶內(nèi)部通信或多用戶之間的通信的需要。

　　3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)方式設計

　　3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸部分

　　在主系統(tǒng)應用程序窗口上，設置了幾組選擇按鈕，其中一組是讓用戶選擇不同的傳輸層協(xié)議，當用戶選擇使用TCP協(xié)議，系統(tǒng)再根據(jù)用戶所選擇的傳輸模式(本機與本機、本機與其他)自動開啟或提示用戶手工開啟相應的附屬應用程序，之后系統(tǒng)自動調(diào)用TCP協(xié)議建立連接的程序。對于TCP傳輸，首先在服務器端建立監(jiān)聽套接口(sListen)，通過這個套接口監(jiān)聽來自客戶端的連接請求，通過綁定(bind)該監(jiān)聽套接口與指向本地地址的指針，就完成了數(shù)據(jù)接受前的準備工作，由此，系統(tǒng)進入待發(fā)送狀態(tài)，此時，系統(tǒng)通過接受(accept)函數(shù)與客戶機建立連接，與accept函數(shù)對應的客戶機函數(shù)為連接(connect)函數(shù)，主系統(tǒng)應用程序在調(diào)用accept函數(shù)后，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個新的套接口(sAccept)，數(shù)據(jù)的傳輸在這個套接口上進行，而之前的監(jiān)聽(sListen)套接口則繼續(xù)其監(jiān)聽任務，客戶機在完成連接的建立后，系統(tǒng)便可以通過發(fā)送(send)或接收(recv)函數(shù)進行數(shù)據(jù)的交換。

　　如果用戶選擇了UDP的傳輸方式，系統(tǒng)則調(diào)用相應的程序，其方式與TCP略有不同，服務器端不必建立監(jiān)聽套接口，僅僅需要建立一個傳輸數(shù)據(jù)的套接口(sSocket)，通過綁定(bind)函數(shù)，將此套接口和指向本地地址的指針綁定，便可以和客戶機進行通信。

　　現(xiàn)在來討論一下客戶端的實現(xiàn)，不論是TCP還是UDP，在客戶端一方，與接收數(shù)據(jù)套進行綁定的為指向服務器地址的指針。

　　在主應用程序發(fā)送數(shù)據(jù)后，接收端便可以接收數(shù)據(jù)，如果用戶選擇的是TCP傳輸，在建立接收數(shù)據(jù)的套接口(sClient)后，還需利用連接(connect)函數(shù)請求與主應用程序的連接，建立連接后，通過接收(recv)函數(shù)接收數(shù)據(jù)。如果用戶在傳輸數(shù)據(jù)前選擇了UDP傳輸方式，附屬應用程序則應使用UDP的接收模式，同樣，建立sClient套接口，但是這里并不需要connect函數(shù)，因為UDP是非面向連接的，最后，利用recvfrom進行接收數(shù)據(jù)的工作。

　　以上是基本的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡膶崿F(xiàn)方式，如果，用戶需要了解詳細的協(xié)議狀態(tài)機(這里指TCP協(xié)議)的跳轉(zhuǎn)過程，用戶可以選擇“單步運行”，在這個過程中，用戶可以通過系統(tǒng)對協(xié)議首部的顯示直觀的看到TCP協(xié)議建立連接的過程，主要指三次握手的過程，這里涉及到了一些數(shù)據(jù)采集部分的內(nèi)容。為了進一步了解協(xié)議工作原理，在這個階段，用戶可以自行確定協(xié)議狀態(tài)機的狀態(tài)編號，系統(tǒng)則會根據(jù)所選編號判斷TCP首部中標志位的取值，從而達到使狀態(tài)機向不同狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的目的。這樣就做到人機互動，達到讓學生對協(xié)議的工作原理有所理解的目的。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)采集部分以及數(shù)據(jù)分析部分

　　數(shù)據(jù)采集部分實現(xiàn)方法是使本機網(wǎng)卡對網(wǎng)絡中傳送的所有數(shù)據(jù)包進行響應，在接收到數(shù)據(jù)包后，調(diào)用系統(tǒng)OnRecvData()函數(shù)對本機網(wǎng)卡所有接收到的數(shù)據(jù)進行分析，通過比對數(shù)據(jù)中所包含的源IP地址、源端口號、目的IP地址、目的端口號等報文信息，將數(shù)據(jù)解碼，以二進制或十進制形式顯示。用戶可以根據(jù)自己的需求指定只接收某些類型的報文，或者對這部分報文進行分析等。

　　同時，系統(tǒng)還可以對網(wǎng)絡中傳輸?shù)膬?nèi)容進行統(tǒng)計，根據(jù)IP首部中的“8位協(xié)議類型”字段，對所接收到的數(shù)據(jù)包進行分類，統(tǒng)計出相應的流量。

　　4 結(jié)語

　　“網(wǎng)絡教學系統(tǒng)”的使用可以很大程度上促進學生對網(wǎng)絡理論知識的學習效果，提高網(wǎng)絡課程教學水平。本套基于TCP/IP協(xié)議的“網(wǎng)絡教學系統(tǒng)”是一種符合當今計算機網(wǎng)絡教學方式的系統(tǒng)，能夠極大的提高學生學習網(wǎng)絡課程的積極性，從而達到提高高校計算機網(wǎng)絡教學質(zhì)量的目的。

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