計算機網(wǎng)絡協(xié)議棧實驗平臺的設計與實現(xiàn)——基于MSP430

魯麗 廖劍鋒

摘要：針對計算機網(wǎng)絡課程教學中協(xié)議棧實驗部分的教學實際，分析協(xié)議棧學習對于計算機網(wǎng)絡課程的重要性，探討目前的實驗方法，提出基于msp430的計算機網(wǎng)絡協(xié)議棧實驗平臺的設計及實現(xiàn)方案，指出通過此實驗平臺，學生可進行協(xié)議棧重演，真切感受到抽象協(xié)議的具體應用方法，提高學生的協(xié)議分析能力和開發(fā)能力。

關鍵詞：網(wǎng)絡實驗；協(xié)議棧重演；msp430實驗平臺

O、引言

計算機網(wǎng)絡原理課程是計算機專業(yè)主干課程之一，在專業(yè)教學體系中占有非常重要的地位。計算機網(wǎng)絡原理課程中，最重要的是對于協(xié)議棧的理解和掌握。目前，計算機網(wǎng)絡原理課程均設置有實驗環(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)絡層和傳輸層協(xié)議；②利用網(wǎng)絡仿真器如NS2分析網(wǎng)絡協(xié)議及其性能；③協(xié)議開發(fā)，即利用套接字編程進行應用層協(xié)議開發(fā)；④網(wǎng)絡設備配置實驗，包括交換機、路由器、服務器等的配置，這些實驗都涉及協(xié)議。通過前兩類分析網(wǎng)絡協(xié)議的實驗，學生可以觀察協(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，會令學生對于協(xié)議的具體應用仍然模糊，無法達到培養(yǎng)和鍛煉學生設計新協(xié)議和獨立設計開發(fā)協(xié)議能力的目標。通過套接字編程實驗，學生可以開發(fā)新的應用層協(xié)議，但是仍然缺乏對底層協(xié)議的認知和運用。網(wǎng)絡設備配置實驗也有類似的問題。

目前，計算機網(wǎng)絡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致學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)議的學習成果應用于具體的協(xié)議棧設計，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)合華中科技大學文華學院計算機網(wǎng)絡實驗教學的現(xiàn)狀，構(gòu)建基于MSP430的汁算機網(wǎng)絡協(xié)議棧實驗平臺，設計一套實驗方案，期望學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、實驗平臺設計概述

嵌入式實驗平臺的硬件部分主要由MSP430和CS8900網(wǎng)絡接口芯片組成，如圖1所示。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)容設計

2.1實驗1：Ethereal數(shù)據(jù)包嗅探

對協(xié)議棧的學習和開發(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)絡原理課程的第一個實驗是要求學生掌握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)的復雜實驗打好基礎。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)包嗅探進行協(xié)議分析的方法；③截獲典型數(shù)據(jù)包進行協(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）并閱讀相應的RFC文檔。

2.2實驗2：網(wǎng)絡層lP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議的實現(xiàn)

在網(wǎng)絡層實現(xiàn)lP分組封裝，ARP協(xié)議的實現(xiàn)是數(shù)據(jù)最終能夠到達目的地的保證；設計完成部分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)。

2.4Http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一動發(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備如智能家電、智能儀表等也接入到互聯(lián)網(wǎng)中，導致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、服務質(zhì)量高等諸多優(yōu)點，是嵌入式設備進行網(wǎng)絡互聯(lián)的較好選擇。實驗平臺可以實現(xiàn)簡單的IPv6協(xié)議棧，幫助學生理解IPv6協(xié)議與lPv4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，協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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答報文，可在應用層進行ping6操作，測試網(wǎng)絡的連通性和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，省略了重復性探測和路由功能。程序設計在保證實現(xiàn)IPv6協(xié)議棧基本功能的基礎上盡量減少代碼復雜度，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。

當網(wǎng)絡上有終端（主機）要訪問嵌入式設備時，主機在適當?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日標IP地址得到的。鄰節(jié)點請求報文格式如圖3所示。

這時必須正確設置網(wǎng)絡接口芯片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)完成相應處理過程，接收數(shù)據(jù)時，從網(wǎng)絡接口芯片緩沖區(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；②IPv6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目的不可達報文；如果是ICMPv6，就進一步判斷；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)包得到同的地址相關信息，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，更改相關標志位，將數(shù)據(jù)送人鏈路層。網(wǎng)絡接口芯片負責將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡。

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服務器，在DNS服務器中添加實驗平臺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)關以及DNS服務器。

測試在本地局域網(wǎng)進行，除上述DNS服務器外，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，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嵌入式設備IPv6地址”，如果網(wǎng)絡沒有問題就可以返回信息。在Http的URL中輸入嵌入式?jīng)]備對應的域名，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。

3.2RIP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計2個網(wǎng)絡接口。由于實驗平臺資源有限且路由協(xié)議實現(xiàn)復雜，我們僅搭建圖4所示的規(guī)模較小的網(wǎng)絡拓撲。實驗平臺不設置接收緩沖區(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)絡協(xié)議分析與開發(fā)實驗一直是計算機網(wǎng)絡實驗教學中的難點，如何讓學生通過實驗掌握協(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，是此類實驗應重點關注的內(nèi)容。基于msp430的計算機網(wǎng)絡協(xié)議棧實驗平臺可以開展專業(yè)相關的各種實驗，還可擴展進行IPv6協(xié)議和RIP、OSPF路由協(xié)議實驗。學生通過實驗可以重演TCP/IP協(xié)議棧，也可獨立沒計并開發(fā)類TCP/IP的網(wǎng)絡協(xié)議，對學生協(xié)議分析、設計和開發(fā)能力的提高有很大幫助。