基于仿真軟件對協議數據單元的可視分析

高原　符濤　孫毅

摘要：協議數據單元是計算機網絡體系結構和通信協議的重要內容，但對于初學者來說，該部分知識抽象、枯燥、難以理解。為了提高學生學習興趣和教學效果，通過Packet Tracer仿真軟件的模擬方式將通信過程進行動態化、可視化展現。以網絡通信中的域名解析為例進行實驗設計，可視化呈現了協議數據單元的數據結構和內容，建立了與網絡體系結構的對應關系，并做詳細講解。有利于學生對復雜的通信數據和網絡協議進行深入理解和學習，同時培養學生實踐能力，該方法可以在其他網絡協議的教學過程中進行示范和推廣。

關鍵詞：Packet Tracer;計算機網絡實驗;協議數據單元;域名解析;虛擬仿真

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0045-04

Abstract：Protocol data unit is an important part of computer network architecture and communication protocol， but for beginners， this part of knowledge is abstract， boring and difficult to understand. In order to improve students'interest in learning and teaching effect， the communication process is displayed dynamically and visually through the simulation of Packet Tracer simulation software. Taking domain name resolution in network communication as an example， the experiment design visually presents the data structure and content of protocol data unit， establishes the corresponding relationship with network architecture， and gives a detailed explanation. It is helpful for students to deeply understand and learn complex communication data and network protocols， and to cultivate students'practical ability. This method can be demonstrated and promoted in the teaching process of other network protocols.

Key words：Packet Tracer; computer network experiment; protocol data unit; domain name resolution; virtual simulation

計算機網絡體系結構在計算機網絡課程教學中占有非常重要的地位，是整體認知計算機網絡與通信協議的基礎。按照我國高等院校計算機網絡教學大綱要求，計算機網絡體系結構幾乎是必學的章節，一般采用基于國際標準化組織ISO（International Organization for Standardization）推出的計算機網絡開放系統互聯OSI（Open System Interconnection）的七層參考模型，或是基于工業標準TCP/IP的四層參考模型，或是基于折中的五層參考模型進行講解[1-2]。然而上述參考模型多以理論研究為基礎，概念抽象且復雜，授課過程中教師很難對網絡體系結構進行精準、直觀地表述，學生亦很難對其進行深入理解與認知[3-4]。在計算機網絡體系結構和通信協議的教學過程中，協議數據單元PDU（Protocol Data Unit）作為重點講解內容。PDU是理解并掌握網絡協議、通信原理、網絡安全的基礎，然而在實際網絡通信中PDU是使用二進制表示的，該表示方法復雜且抽象。另外，傳統組網實驗過程中很難對網絡通信中的數據結構進行可視化呈現，也很難動態展現通信過程的邏輯變化，導致教學過程中學生被動接受、強行記憶，未達到真正理解和掌握計算機網絡體系結構的教學目的。

為加強對本部分知識點的理解和教學，顧冠群院士[5]等人對計算機網絡體系結構的含義進行了剖析，闡述了網絡體系結構的重要性，同時也指出計算機網絡體系結構尚無嚴格定義。彭赟[2]等人將OSI七層模型和國內外幾種主流的TCP/IP網絡體系結構模型進行了對比分析，指出由于國內外教科書不盡相同，不同分層模型的對應關系容易導致計算機網絡體系結構概念模糊。劉淑婷[4]提出了利用情境設置（如：以郵政通信為例）的教學方法來理解層次型網絡體系結構中幾個邏輯性較強的概念，但該方法僅對網絡通信過程進行了邏輯上的梳理和設計，實踐操作性不強。張曉明[6]等人提出了以CDIO為主要教學理念的計算機網絡實踐教學體系與能力培養方案，該方案雖強調了學生計算機網絡實踐能力的培養，但在實際教學過程中仍無法實現網絡通信中數據內容的直觀、動態呈現。

筆者在講授本部分內容時，總結了上述方法的優勢和不足，提出借助思科公司Packet Tracer網絡仿真軟件，以網絡通信中典型的客戶端訪問服務器為例，設計相應案例進行教學。重點將網絡通信過程中協議數據單元的內容和變化過程進行模擬仿真呈現，并將協議數據單元和網絡體系結構建立對應關系，從而將抽象的內容變得直觀和具體。通過要求學生使用仿真軟件進行實踐操作，為網絡設計提供了客觀、可靠的定量依據[7]，激發了學生學習興趣，簡化了教學過程，提升了教學效果。

1 Packet Tracer簡介

Packet Tracer是由Cisco（思科）公司發布的一個輔助學習軟件，為學習思科網絡課程的學者設計、配置、排除網絡故障提供了網絡模擬環境[8]。學生可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖拽網絡組件的方法建立網絡拓撲，該軟件具有對計算機網絡的仿真、編輯、動畫呈現等功能，在模擬模式下可提供協議數據單元在網絡通信中的詳細處理過程，從而把抽象、復雜的協議技術概念進行直觀呈現，方便了學生觀察網絡實時運行情況，有利于學生對通信數據和網絡協議進行學習和理解。

2 教學設計案例

2.1 教學目標

通過Packet Tracer建立一個典型的C/S（客戶端/服務器）網絡訪問模式，以客戶端發起一次基于域名訪問服務器的HTTP請求為例，通過該軟件提供的模擬模式，以圖形化用戶界面和動畫方式對網絡通信過程中的協議數據單元進行跟蹤、理解和分析。

2.2 網絡拓撲結構及設備配置

為達到教學目標，以從客戶端訪問服務器為例，建立如下圖1所示基于C/S模式的網絡拓撲圖：

其中內部網絡部分，由1臺個人電腦作為客戶端，與1臺思科2960接入層交換機、1臺思科1841路由器互聯;運營商網絡部分，由2臺服務器與1臺思科2960交換機、1臺思科1841路由器互聯，其中DNS_Server作為域名解析服務器，Http_Server作為Web服務器;內部網絡和運營商網絡通過思科1841路由器互連。各設備配置如下表1所示：

54.253 不配置 R2_ISP Fa0/0 192.168.254.253 255.255.255.0 不適用 不適用 S0/0/0 10.10.10.6 255.255.255.252 不適用 不適用 ]

為了使本網絡拓撲的內部網絡和運營商網絡能相互通信，需要在內部網絡的R1_Central路由器上配置靜態路由，配置命令如下：

R1-Central（config）#ip route 192.168.254.0 255.255.255.0 10.10.10.6

同時在運營商網絡R2_ISP路由器上配置靜態路由，配置命令如下：

R2_ISP（config）#ip route 172.16.0.0 255.255.0.0 10.10.10.5

完成上述配置后，在內部網絡的PC_Client上打開命令提示符窗口，通過ping命令測試PC_Client與DNS_Server、PC_Client與Http_Server的互聯互通情況，如下圖2所示：

通過上圖2所示，可以看出在Client上能ping通DNS_Server和Http_Server，從而說明PC_Client與DNS_Server、Http_Server已實現互聯互通，為下一步進行客戶端基于域名訪問服務器確保了網絡可達。

在本次實驗設計中，將服務器Http_Server作為WEB服務器，提供網頁訪問服務。因此，需要在服務器Http_Server上開啟HTTP服務，并建立WEB頁面。進入服務器Http_Server配置界面，在服務（Services）選項卡中，選擇HTTP服務，將HTTP服務設置為開啟狀態（On），并建立三個網頁文件：copyrights.html、helloworld.html、index.html。操作方法如下圖3所示：

在本次實驗設計中，將服務器DNS_Server作為域名解析服務器（DNS），提供域名解析服務。進入服務器DNS_Server配置界面，在服務（Servicer）選項卡中，選擇DNS服務，將DNS Services設置為開啟狀態（On），在DNS資源記錄中，增加一條A記錄：eagle-server.example.com[192.168.254.254]。如下圖4所示：

2.3 在模擬模式中分析協議數據單元

在Packet Tracer中，默認使用的模式是實時模式（Realtime）。在實時模式中，設計的網絡就像真實的網絡按照配置情況實時響應和運行。為方便本實驗觀察和分析協議數據單元，需切換到模擬模式（Simulation）。在模擬模式中，數據包在設計的網絡中按步進的方式在不同設備間以動畫方式順序運行，方便觀察數據包的路徑并進行跟蹤檢查，為教學過程中快速、生動地理解抽象的網絡協議提供了支持。在該模式中，Packet Tracer默認捕獲網絡通信過程中支持的所有事件和協議。在本次實驗中，通過設置事件列表過濾器來限制捕獲的事件，只捕獲DNS協議和HTTP協議。

從客戶端Client的桌面打開Web瀏覽器，在地址欄中輸入域名：http：//eagle-server.example.com/index.html，點擊Enter，然后用 Event List（事件列表）中的 Capture / Forward（捕獲/轉發）按鈕捕獲 DNS 與 HTTP 的交互過程。通過模擬模式，可以清晰展現出本次實驗經歷的4個階段：

1）客戶端（Client）向DNS服務器（DNS_Server）發起DNS查詢請求;

2）DNS_Server向Client反饋DNS查詢結果（192.168.254.254）;

3）Client向WEB服務器（Http_Server）發起HTTP請求;

4）Http_Server向Client反饋Web頁面。如下圖5所示：

與此同時，隨著模擬通信的動畫過程，在模擬面板（Simulation Panel）的事件列表（Event List）中，協議數據單元在不同設備中按時間順序以列表方式依次呈現，如下圖6所示：

在第一個階段： Client向DNS_Server發起DNS查詢請求，雙擊圖6所示的對應協議數據單元，查看協議數據單元信息在Client中的網絡體系結構和數據格式。如下圖7、圖8所示：

OSI的七層協議體系結構概念清楚，理論也較完整，但既抽象又復雜。TCP/IP四層結構較為實用，得到了非常廣泛的應用。在學習計算機網絡的原理時，往往采取折中的辦法，即綜合OSI和TCP/IP的優點，采用一種只有五層協議的體系結構[1]。筆者和同行教師在教學體會交流中，普遍認為在理論教學過程中，對該部分的講解取得的效果往往不盡人意，學生在初學的過程中反映難以理解。不過，將圖7、圖8和OSI體系結構、TCP/IP體系結構相結合并建立對應關系后，對網絡體系結構的認識變得形象而具體，如下圖9所示：

通過上圖9所示，對不同層的協議數據單元分析如下：

1）對于應用層協議數據單元，Client發出一個DNS查詢請求（DNS Query），其中查詢名（NAME）部分用來表示請求查詢的域名，長度不固定，在本實驗中是需要訪問的服務器域名：eagle-server.example.com;查詢類型（TYPE）為：1，表示由域名返回IPv4地址;查詢類（CLASS）為：1，表示是Internet數據。該數據封裝于DNS頭部（DNS Header），其中：會話標識（ID）用于區分不同的請求和響應;接下來的2個字節表示各類標志;然后是8個字節的數量字段：查詢問題區域節數量（QDCOUNT）、回答區域數量（ANCOUNT）、授權區域數量（NSCOUNT）、附加區域數量（ARCOUNT），由此形成DNS查詢數據報文。

2）對于運輸層協議數據單元，在DNS查詢數據報文的基礎上，封裝源端口號：1038、目的端口號：53，由此形成UDP（用戶數據包）數據段。

3）對于網際層協議數據單元，通過網絡層封裝源IP：172.16.1.1、目的IP：192.168.254.250，由此形成DNS查詢數據報。

4）對于網絡接口層協議數據單元，通過數據鏈路層封裝源MAC：0000.0CEB.43E5，下一跳MAC：000D.BDD0.7601，形成數據幀;最后通過物理層快速以太網網卡發送二進制比特流。

在第二個階段，DNS_Server收到來自Client的DNS查詢請求后，向Client反饋DNS查詢結果，雙擊圖6所示的對應協議數據單元，同樣可以查看協議數據單元信息在DNS_Server中的網絡體系結構和數據格式。為便于理解和學習，與OSI體系結構、TCP/IP體系結構相結合并建立對應關系如下圖10所示：

通過上圖10所示，對不同層的協議數據單元分析如下：

1）對于應用層協議數據單元，DNS_Server返回一個DNS響應（DNSAnswer），其中地址（ADDRESS）為：192.168.254.254，該地址通過在DNS_Server域名數據庫中查詢得到;該數據封裝于DNS頭部（DNS Header），由此形成DNS查詢數據報文。

2）對于運輸層協議數據單元，在DNS返回的數據報文基礎上，封裝源端口號：53、目的端口號：1038，由此形成UDP（用戶數據包）數據段。

3）對于網際層協議數據單元，通過網絡層封裝源IP：192.168.254.250、目的IP：172.16.1.1，由此形成DNS查詢數據報。

4）對于網絡接口層協議數據單元，通過數據鏈路層封裝下一跳MAC：00D0.97A4.1301，源MAC：0001.969C.9277，形成數據幀，最后通過物理層快速以太網網卡發送二進制比特流。

在第三個階段，Client根據返回的DNS查詢結果得知：域名為eagle-server.example.com的服務器對應的IP地址為192.168.254.254。從而發出一個HTTP請求，其協議數據單元中目的IP地址為192.168.254.254，源IP地址為172.16.1.1。協議數據單元在網絡體系結構的不同層次中的數據格式和分析方法同前述類似，在此不再贅述。

在第四個階段，HTTP請求到達Http_Server后，Http_Server根據請求內容，返回響應WEB頁面，其協議數據單元中的目的IP地址為172.16.1.1，源IP地址為192.168.254.254。協議數據單元在網絡體系結構的不同層次中的數據格式和分析方法同前述類似，在此不再贅述。

以上闡述了DNS協議和HTTP協議的工作原理，并通過Packet Tracer動態跟蹤展現了兩個協議的完整實現流程。利用軟件平臺的模擬模式，將網絡體系結構中不同層次的協議數據單元內容進行清晰呈現，使學生對DNS協議和HTTP協議，以及網絡體系結構有了比較全面的認識和理解。

3 實驗效果分析

通過本實驗，以C/S模式中基于域名訪問服務器為例，把涉及的網絡拓撲結構、路由器配置、DNS服務器和HTTP服務器配置、域名解析、WEB訪問等知識點進行了有效串接。利用Packet Tracer將上述過程進行了模擬顯示，并通過對域名解析過程中的協議數據單元開展分析，將計算機網絡體系結構的OSI七層協議、TCP/IP的四層協議、五層協議結構等進行對比學習，使學生對抽象的計算機網絡體系結構建立了具體的認知。利用Packet Tracer仿真軟件的模擬模式，以動態和過程化的方式展現了協議數據單元的內容和格式，把抽象的協議定義直觀有效地進行了呈現，解決了在實際操作過程中無法直觀展現協議數據單元的內容和變化過程這一問題。同時，利用Packet Tracer進行操作還培養了學生實踐動手能力和探索能力，激發了學習計算機網絡的積極性。

4 結語

本文以域名解析協議的實驗設計為例，采用Packet Tracer仿真軟件進行模擬實現，既方便教師課堂教學，還方便學生在課余時間反復演練和強化理解。該實驗具有較強的示范推廣效應，還可以在對FTP、SNMP、TELNET、SMTP、POP3等協議的教學中開展類似的實驗設計和教學。此外，還可以與網絡封包分析軟件配合使用，如：Wireshark[9]，進一步分析觀察協議數據單元的比特流數據形式和特點。

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【通聯編輯：王力】