TCP/IP協議網絡教學系統設計如何發核心期刊

　　摘 要 通過對高校網絡教學現狀的調查與分析，提出了總體的設計目標以及設計方案，包括系統運行環境以及系統展現內容。系統采用C/S 模式，通過主機與客戶機發送數據包，利用網絡包截獲的相應技術以及包過濾等策略，對特定的數據包進行分析，將各類協議首部用的二進制代碼展現，可更直觀的看到網絡傳輸的具體方式，同時可將二進制代碼轉換為十進制，使系統具有更強的可視性。

　　關鍵字 TCP/IP;教學平臺;數據包截獲;包過濾;協議分析

　　1 引言

　　TCP/IP協議族是計算機網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協議族的研究，一般是基于協議應用本身的研究，也就是研究如何將指定的協議嵌入產品，使該產品能夠支持上層產品應用該協議或自身產品對該協議的應用。作為高校計算機網絡課程中所介紹的協議，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議上，并沒有深入到協議本身的原理中去。

　　本系統通過對TCP/IP協議族的研究，將其中的部分常用協議(如TCP、IP、UDP等)的具體結構、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在學生面前。教學中通過對本套系統的利用，可以達到提高學習效率，改善學習效果，使學生對協議的學習不僅達到對使用方法的了解，同時達到對協議結構以及工作原理的領悟，使學生對網絡課程的學習達到一個新的層次。

　　2 系統設計依據

　　2.1 設計思路及設計目的

　　本系統開發的目的是針對大學本科學生對《計算機網絡》課程中關于網絡傳輸以及協議原理部分的學習，使學生可以自己定制傳輸內容，并親眼看到所有內容傳輸的過程形式等，增強對協議結構的記憶，并可以親自動手控制協議的狀態，達到對協議原理及工作方式的深入了解。

　　2.2 系統設計中所用到的原理

　　2.2.1 數據傳輸的原理

　　在基于TCP/IP的網絡中，應用層的數據傳輸通常是基于TCP或者UDP協議的，而兩種協議最大的區別在于是否面向連接。

　　在面向連接的TCP協議中，傳輸數據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，從而達到傳輸的目的。

　　UDP是一種是無連接的用戶數據報傳輸協議，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送封裝的原始IP數據包的方法。雖然UDP數據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 網絡包截獲的原理

　　通常在同一個網段的所有網絡接口都有訪問在物理媒體上傳輸的所有數據的能力，而每個網絡接口都還應該有一個硬件地址，該硬件地址不同于網絡中存在的其他網絡接口的硬件地址，同時，每個網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，一個合法的網絡接口應該只響應這樣的兩種數據幀：

　　(1)幀的目標區域具有和本地網絡接口相匹配的硬件地址。

　　(2)幀的目標區域具有廣播地址。

　　在接受到上面兩種情況的數據包時，網卡通過CPU產生一個硬件中斷，該中斷能引起操作系統注意，然后將幀中所包含的數據傳送給系統進一步處理。

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

　　2.2.3 協議狀態跳轉的原理

　　這里主要是指TCP協議各種狀態的跳轉，TCP的各狀態間的跳轉見圖1。

　　圖1中所展現的內容在系統中，主要是通過改變TCP首部中相應位置的值來實現狀態的跳轉。

　　圖1 TCP的有限自動機

　　3 系統設計方案

　　3.1 系統構成

　　該系統由三部分組成，其中包括數據傳輸部分，數據采集部分和數據分析部分。數據傳輸部分基本功能是完成主機間的相互通信，同時，完成控制協議狀態機跳轉的任務;數據采集部分主要負責數據的采集;數據分析是系統的重點，完成了對數據包的過濾以及對數據結構的分析。

　　對用戶來講，直接觀察到的系統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，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送的具體內容。所有系統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部通信或多用戶之間的通信的需要。

　　3.2 系統實現方式設計

　　3.2.1 數據傳輸部分

　　在主系統應用程序窗口上，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議，當用戶選擇使用TCP協議，系統再根據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，之后系統自動調用TCP協議建立連接的程序。對于TCP傳輸，首先在服務器端建立監聽套接口(sListen)，通過這個套接口監聽來自客戶端的連接請求，通過綁定(bind)該監聽套接口與指向本地地址的指針，就完成了數據接受前的準備工作，由此，系統進入待發送狀態，此時，系統通過接受(accept)函數與客戶機建立連接，與accept函數對應的客戶機函數為連接(connect)函數，主系統應用程序在調用accept函數后，系統會產生一個新的套接口(sAccept)，數據的傳輸在這個套接口上進行，而之前的監聽(sListen)套接口則繼續其監聽任務，客戶機在完成連接的建立后，系統便可以通過發送(send)或接收(recv)函數進行數據的交換。

　　如果用戶選擇了UDP的傳輸方式，系統則調用相應的程序，其方式與TCP略有不同，服務器端不必建立監聽套接口，僅僅需要建立一個傳輸數據的套接口(sSocket)，通過綁定(bind)函數，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。

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

　　在主應用程序發送數據后，接收端便可以接收數據，如果用戶選擇的是TCP傳輸，在建立接收數據的套接口(sClient)后，還需利用連接(connect)函數請求與主應用程序的連接，建立連接后，通過接收(recv)函數接收數據。如果用戶在傳輸數據前選擇了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，因為UDP是非面向連接的，最后，利用recvfrom進行接收數據的工作。

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

　　3.2.2 數據采集部分以及數據分析部分

　　數據采集部分實現方法是使本機網卡對網絡中傳送的所有數據包進行響應，在接收到數據包后，調用系統OnRecvData()函數對本機網卡所有接收到的數據進行分析，通過比對數據中所包含的源IP地址、源端口號、目的IP地址、目的端口號等報文信息，將數據解碼，以二進制或十進制形式顯示。用戶可以根據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，系統還可以對網絡中傳輸的內容進行統計，根據IP首部中的“8位協議類型”字段，對所接收到的數據包進行分類，統計出相應的流量。

　　4 結語

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

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