基于Authorware實現計算機網絡協議的仿真

云紅艷， 楊厚俊， 趙志剛， 杜祥軍， 李 琳

(青島大學 信息工程學院，山東 青島 266071)

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基于Authorware實現計算機網絡協議的仿真

云紅艷， 楊厚俊， 趙志剛， 杜祥軍， 李 琳

(青島大學 信息工程學院，山東 青島 266071)

計算機網絡原理是計算機專業的核心必修課程，課程中包含許多抽象的網絡協議、過程原理和算法。本文研究Authorware的多媒體開發環境和編程功能，設計開發一個簡單實用、功能強大、交互性強的計算機網絡原理多媒體課件。闡述了用Authorware制作多媒體課件的設計框架、設計思路和方法步驟，并以計算機網絡原理的三種信息交換過程、停止等待協議和使用子網劃分的分組轉發這三個典型協議和過程為例，具體討論了使用Authorware設計實現中的圖標技巧。教學實踐證明，通過多媒體課件模擬仿真實現網絡協議和過程原理，可以將晦澀難懂的網絡協議和過程原理直觀化和形象化，增強了學生學習的交互性、自主性和創造性。

多媒體課件； 計算機網絡； 協議仿真； 圖標

0 引 言

隨著計算機科學技術的發展，多媒體教學走進了課堂。Macromedia公司開發的Authorware以其交互性和編程能力強、簡單容易等優勢成為一款專業的多媒體課件開發軟件[1]。尤其是Authorwarer軟件交互圖標和計算圖標的使用，使開發出來的多媒體課件具有很強的交互性和編程能力[2-3]。Authorware以其友好的界面、簡單的操作并通過程序的嵌入，可以制作更加復雜形象的多媒體課件，從而使多媒體課件達到專業程序開發軟件的水準。

計算機網絡原理是計算機學科的一門專業基礎必修課，課程內容概念龐雜、協議眾多、原理抽象[4]。掌握計算機網絡分層參考模型中各層協議、算法的工作原理，是學好計算機網絡原理課程的關鍵[5]。而網絡協議并不能直觀地觀察到，理解起來抽象難懂。

本文使用Authorware的豐富多媒體開發環境和編程功能，開發一個簡單實用、功能強大、交互性強的計算機網絡原理課程多媒體課件。文中重點描述使用Authorware軟件仿真模擬計算機網絡中的3種信息交換、數據鏈路層停止等待協議、帶有子網劃分的分組轉發等典型協議和過程，并討論其實現技巧。

1 課件的設計實現框架

在多媒體課件的開發中，要充分發揮出Authorware軟件的優勢與特點，突出其多樣化的交互作用。程序中的增強代碼編輯窗口為開發者提供了良好的編程接口，通過程序片段的有效嵌入，可以使課件模擬仿真許多原理方法。通過對系統已有自帶函數的使用完成一些僅通過圖標和交互難以實現的功能。在教學輔助工具的開發中，可利用Authorware與Access數據庫之間的接口，實現對教師信息、學生信息、習題庫等海量信息的有效快捷管理。

1.1 計算機網絡課件系統設計框架與實現

鑒于課程教學和課堂的具體要求，把系統設定為3功能模塊，分別是植根于教學任務要求的課程學習模塊，供學生用于檢測所學知識掌握情況的習題檢測模塊，供教師輔助教學的課堂助手模塊。通過這3模塊的相互協調、相互配合，力爭使教師和學生均能有所受益，在日常教學中達到事半功倍的效果。各模塊在Authorware中的實現流程圖如圖1所示。

圖1 系統模塊在Authorware中的實現流程圖

Authorware是基于圖標和流線式的面向對象的編程軟件，在設計開發過程中，根據程序的流程線及程序走向，在流線上拖放所需要的交互圖標[6]。多媒體課件主程序的設計實現步驟如下：

(1)拖放群組圖標到主流程線上，命名為“主頁背景”，將主頁上的所有顯示控件拖放其中，右擊群組圖標，將計算圖標與其組合，輸入如下程序：

Loginsound:=1

Erase All()

Resize Window(Screen Width, Screen Height)

Move Window(0, 0)

information:="今天是："^Full Date^"北京時間："^FullTime^DayName

(2) 拖放交互圖標到主流程線上，拖放3個顯示圖標到右側，組合計算圖標，將3個主模塊的分支(1、2、3)設置為熱對象響應，4個計算圖標設置為熱區響應，分別實現主頁小控件的功能。

(3) 拖放決策圖標到主流程線，分支為“計算分支結構”。分支為交互圖標中的分支變量。與交互圖標配合使用。分支圖標的右側拖放3個群組圖標，分別為：“課程學習”“習題檢測”“課堂助手”模塊。

課程學習模塊是本系統的主體模塊，根據每個章節的特點，選取典型的協議、過程原理和算法，通過Authorware制作模擬仿真，力求形象生動，使學生易于理解掌握。

習題檢測模塊設置了每一章節的課后題，題庫則通過Access數據庫進行保存。題型分為填空題、選擇題、簡答題。針對每一種題型有不同顯示答案的實現方案：選擇題通過對點擊選項的判定進行正誤判斷；填空題通過文本輸入響應與正確答案相匹配的判斷正誤；簡答題則直接進行答案的顯示。

課堂助手模塊通過程序化方法，實現課堂所需要的基本工作(課堂點名、教學日歷、輕松驛站、資料錄入、教學公告等)，達到無紙化教學，提高課堂效率。

1.2 課程學習模塊協議仿真設計框架結構

課程學習模塊中的協議原理方法幾乎涉及到計算機網絡的每一章節。本文重點討論設計實現計算機網絡中3個典型協議(3種信息交換、停止等待協議、子網交換過程)。設計中使用1個交互圖標，作為協議仿真的演示面板；使用3個按鈕作為3個協議或過程的入口，每點擊1個按鈕實現1種協議或過程的演示。

網絡協議設計實現步驟如下：

(1)新建文件，命名為網絡協議，背景色設置為白色，演示窗口大小設置為根據變量及需要調整窗口大小，勾選“顯示標題欄”復選框。

(2)拖放交互圖標到主流程線上，設置圖標屬性，在右側拖放3個群組圖標和一個計算圖標，3個群組圖標分別是3個協議的入口，計算圖標用來退出程序。

(3)打開計算圖標代碼編輯窗口，輸入如下代碼，實現程序的退出：

if SystemMessageBox(WindowHandle, "確認要退出嗎？", "Confirmation", 36)=6

then Quit()

end if

(4)雙擊交互圖標，手動設置好各個按鈕的大小和在演示界面上的位置。

2 3種信息交換的設計實現

2.1 3種信息交換的原理

(1) 電路交換。在數據傳輸前，2個節點必須建立一條專用的數據通信路徑，該路徑可能經過許多中間節點。該線路在整個數據傳輸期間一直被獨占，直到通信結束后才被釋放。

(2) 報文交換。數據交換的單位是報文，報文攜帶有目的地址、源地址等信息[7]。發送方把報文交給交換設備時先存儲整個報文，然后選擇一條合適的空閑輸出線路，將報文傳送出去。交換節點采用的是存儲轉發的傳輸方式，動態分配線路。這就使線路能夠共享，提高資源利用率。

(3) 分組交換。分組交換也采用了分組轉發方式，把要發送的大數據塊劃分為合理的小數據塊，再加上一些必要的控制信息(如源地址、目的地址等)，構成分組發送。網絡節點根據控制信息把分組送到下一節點暫存并排隊等待傳輸，再根據分組控制信息選擇它的下一個節點，直到到達目的節點。

2.2 3種信息交換的設計思路

設置6臺主機，其中1臺作為發送端，另外的5個作為接收端。在發送端設置每個主機的發送按鈕，點擊后用不同的方法發送至每一個主機。本程序中，2號機用來演示電路交換，3號機用來演示報文交換，5號機用來演示分組交換。3種信息交換的程序結構如圖2所示。

圖2 3種信息交換的程序結構

2.3 3種信息交換的設計實現

電路交換分為建立連接、通信、釋放連接3個階段[8]。在建立連接階段，為突出線路的占用性，用劃紅線的方法演示電路連接建立的過程，用到劃線函數，還需注意到劃線的位置坐標。在通信階段主要是完成數據的發送，可以用移動圖標完成。釋放連接主要是演示通信線路的占用解除，可以用畫綠線的方式實現。電路交換的結構框架如圖3所示。

圖3 電路交換的結構框架

報文交換重點是對整個報文的存儲轉發，選擇一條空閑鏈路，進行存儲轉發過程。本程序選AC節點的空閑鏈路，用移動圖標移動整個報文，按照固定的坐標位置進行移動。報文交換的結構框架如圖4所示。

圖4 報文交換的結構框架

分組交換的重點是將報文分割成分組，用顯示圖標來顯示分組分割的效果，之后，每個小分組就獨自選擇空閑鏈路進行轉發，轉發到目的主機后，再將小分組還原成報文。而分組的轉發可以用移動圖標來實現小分組在主機間的轉發。分組交換的結構框架見圖5。

圖5 分組交換的結構框架

3 停止等待協議的設計實現

停止等待協議是數據鏈路層協議的基礎。對于停止等待協議，幀出錯的情況是許多同學理解的難點。此仿真過程是通過交互按鈕模擬出錯或丟失，觀察發送方和接收方各是怎樣工作的，協議中各個參數又是怎樣變化的。使學生能直觀地觀察到停止等待協議的工作過程。

3.1 停止等待協議的算法原理

停止并等待協議的算法如下[8-9]：

(1) 發送方 ：

①取一個待發送的數據幀，送交發送緩存；

②V(S)←0；

③N(S)←V(S)；

④將發送緩存中的數據幀發送出去；

⑤設置超時計時器重傳時間tout；

⑥等待；

⑦若收到確認幀ACKn；若n=1-V(S)，則取1個新的待發送數據幀，放入發送緩存；V(S)←[1-V(S)]；轉到③；否則，丟棄這個確認幀，轉到⑥；

⑧若超時計時器時間到，則轉到④，重傳數據幀。

(2) 接收方：

①V(R)←0；

②等待；

③收到1個數據幀并檢錯；若N(S)=V(R)，則執行④；否則，序號有誤，表示重復幀，丟棄此數據幀；轉到⑥；

④將收到數據幀中的數據部分送交高層；

⑤V(R)←[1-V(R)]；

⑥n←V(R)；發送確認幀ACKn，轉到②。

3.2 停止等待協議的設計思路

先設置好vs,vr,ns等參數，再用Authorware對停止等待協議算法的每一個步驟進行模擬，利用函數進行差錯判斷，用分支圖標和GOTO函數完成對程序流程的控制，用交互圖標模擬演示當發送幀和確認幀出錯或丟失等特殊狀態下停止等待協議的具體工作原理。

3.3 停止等待協議的設計實現

停止等待協議的程序框架如圖6所示。設計實現中應注意以下問題：

圖6 停止等待協議的程序框架

(1)停止等待協議算法的每一個步驟用一個小的“程序元”實現。

(2)在數據幀的發送實現中，用移動圖標移動數據幀圖標到指定的位置，包括從主機移交發送緩存、發送端發送數據幀到接收端、接收端移交上層軟件等。

(3)當數據幀出錯或丟失時，程序應跳轉到計時器超時，進而轉到重發數據幀。用參數來設置出錯或丟失按鈕的有效期，以防止數據幀在沒有發送的狀態下顯示出錯或丟失。另外，數據幀的出錯或丟失按鈕的分支結構應設置為返回，否則程序執行到此時，會出現終止情況。

4 使用子網掩碼的分組轉發過程設計實現

網絡層是計算機網絡的核心層，數據傳輸主要依靠網絡層中的路由選擇和轉發。此仿真通過學生手動輸入IP地址，利用程序的仿真進行數據流向控制。

4.1 分組轉發過程的算法原理

劃分子網時路由器轉發分組的算法如下[10-11]：

(1)從收到的分組首部提取目的IP地址D；

(2)先判斷是否為直接交付。若是，則將分組直接交付，轉發任務結束。否則就間接交付，執行(3)；

(3)路由表中有目的地址為D的特定主機路由，則將分組傳送給路由表中指明的下一跳路由器；否則，執行(4)；

(4)對路由表中每一行的子網掩碼和D逐比特相“與”，若其結果與該行目的網絡地址匹配，則將分組傳送給該行指明的下一跳路由器；否則，執行(5)；

(5)若路由表中有一個默認路由，則將分組傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執行(6)；

(6)報告轉發分組出錯[12]。

4.2 分組轉發過程的設計思路

使用子網掩碼的分組轉發過程主要用到文本輸入響應、字符串的分割與合成、數字相與運算，字符串匹配的實現等技術。在進行路由表的匹配時，要理清匹配成功與匹配失敗的程序流程，匹配成功后按既有路徑進行發送。若輸入字符串不符合IP地址格式要求，則給出提示信息，要求再進行輸入；若匹配結果與子網地址不同，則進行默認路由器端口的分組轉發。

4.3 子網交換的設計實現

子網交換的程序結構如圖7所示。輸入主機要發送的分組IP地址時，用系統變量Entrytext保存后，賦值給自定義變量DIP[13]。輸入變量DIP與自己的子網掩碼相“與”，涉及到字符串DIP的處理時，可以將IP地址中的“.”用Replace函數替換成空格，再用函數getword()取每一個數字后進行相與，以此類推，可以完成整個字符串的相“與”，再與目的IP地址相比較，確定轉發路線。數據在轉發過程中，用移動圖標完成數據在路由之間的發送。

圖7 子網交換的程序結構

用戶輸入H1要發送分組的目的IP地址為128.30.36.62時，其仿真過程如圖8所示。

5 結 語

用Authorware實現課件的制作，可以彌補Powerpoint等課件制作軟件不能實現動態交互性的不足[14]，對于計算機網絡原理中復雜的算法、協議和過程原理，可以用嵌入程序的方法設計實現。Authorware提供數據庫、VC編譯器等專業開發工具的接口，可以開發出功能強大的多媒體課件[15-16]。本文闡述了用Authorware開發計算機網絡課件的基本思想和方法，以計算機網絡3個典型協議和過程為例，具體闡述了用Authorware開發課件的實現步驟，將編程思想融入其中，實現了協議的仿真。通過多媒體課件的仿真模擬，使學生深刻理解網絡協議的工作原理和算法過程，在教學中具有很強的實用性。

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Simulation of Computer Network Protocol Based on Authorware

YUNHong-yan，YANGHou-jun，ZHAOZhi-gang，DUXiang-jun，LILin

(College of Information Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China)

Principle of computer networks is a core subject in computer specialty. There are many unintelligible protocols, processes and algorithm. By using Authorware, authors develop a computer networks multimedia courseware which is simple, powerful and interactive. This paper describes architecture and methods of designing courseware using Authorware. The courseware focuses on three typical protocols and the implementation of the process principle and implementation method which include three ways of information exchange, stop-waiting protocol and subnet exchange process. Authors summarize and solve the problems arising from the implementation process, especially discuss on using icon tips. Practice has proved that multimedia courseware can simulate network protocols and process principle to visualize protocols and process, and also enhance interactive learning, autonomy and creativity.

multimedia courseware; computer network; protocol simulation； icons

2015-08-14

山東省應用基礎型人才培養特色名校建設項目 ( 魯教高字 [2012]14 號 )；2013年度山東省本科精品課程建設(魯教高字[2014]10號)；2011年青島大學校級精品課程建設項目(青大教字[2012]15號)

云紅艷(1971-)，女，河北景縣人，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為計算機網絡、語義Web與本體工程、智能信息系統。Tel.：13589374369；E-mail：yunhy2001@163.com

TP 393; G 434

A

1006-7167(2016)02-0078-05