協(xié)議可視分析與仿真在“TCP/IP協(xié)議”課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：探討了“TCP/IP協(xié)議”教學(xué)現(xiàn)狀，提出將可視分析應(yīng)用于“TCP/IP協(xié)議”課程教學(xué)，模擬仿真了基于OSPF的LSA分析，結(jié)合理論知識和實踐內(nèi)容使協(xié)議分析課程教學(xué)生動、易于理解，更有利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：可視分析；協(xié)議；課程教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0067-03

“TCP/IP協(xié)議”是邵陽學(xué)院為網(wǎng)絡(luò)工程、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)高年級本科生所開設(shè)的一門必修課程。該課程為“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的后續(xù)課程，旨在讓學(xué)生學(xué)完網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)之后，深入掌握協(xié)議核心技術(shù)，理解協(xié)議原理，能設(shè)計簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與設(shè)計打好基礎(chǔ)。[1，2]在課程教學(xué)中，教師難教和學(xué)生難學(xué)成為了大家的共識。

一、課程教學(xué)狀況

TCP/IP作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)運行的基礎(chǔ)協(xié)議，課程要求學(xué)生能理解和深入掌握協(xié)議的相關(guān)知識，理解協(xié)議的思想，并能加以應(yīng)用，最終提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)能力與網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)分析能力。

目前各高校的“TCP/IP協(xié)議”教學(xué)主要采取協(xié)議軟件分析、多媒體技術(shù)輔助及網(wǎng)絡(luò)編程方式進(jìn)行。如將wireshark等軟件用于協(xié)議分析教學(xué)；[3]利用多媒體技術(shù)輔助教學(xué)；[4]通過網(wǎng)絡(luò)編程模擬仿真方式進(jìn)行協(xié)議教學(xué)等。[5]另外，有研究人員提出將舉例教學(xué)法、[6]開放源碼教學(xué)[7]用于“TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”課程教學(xué)中。文獻(xiàn)[8]探討了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析與開發(fā)試驗的一種新教學(xué)方法。

雖然有不少針對“TCP/IP協(xié)議”課程的教學(xué)改革，也取得了一定的成果。但由于課程的重要性和特殊性，“TCP/IP協(xié)議”課程教學(xué)內(nèi)容難免抽象與枯燥乏味，學(xué)生難學(xué)、教師難教仍然是高校相關(guān)教師普遍的共識。

本文在深入分析協(xié)議課程教學(xué)特點的基礎(chǔ)上，探索了一種協(xié)議可視分析與仿真相結(jié)合的辦法，提供模擬圖示例，進(jìn)行圖形可視化交互分析，增強(qiáng)教學(xué)過程的趣味性，化抽象為生動，以通俗淺顯的圖形化方式傳達(dá)學(xué)生協(xié)議的核心思想。

二、基于可視的協(xié)議分析教學(xué)概述

1.可視分析基礎(chǔ)

可視分析是利用圖形學(xué)和圖像處理相關(guān)技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形顯示出來。不同領(lǐng)域需要不同的可視分析技術(shù)，在“TCP/IP協(xié)議”課程教學(xué)方面，將某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下節(jié)點之間通信的協(xié)議直觀表示出來，節(jié)點之間數(shù)據(jù)包交換過程中繁雜的數(shù)據(jù)用圖形的方式顯示，能夠使得網(wǎng)絡(luò)通信變得更直觀，也有助于協(xié)議的開發(fā)及應(yīng)用。

2.鏈路狀態(tài)路由教學(xué)的圖形化表示

在路由選擇協(xié)議的教學(xué)過程中，OSPF協(xié)議是典型的鏈路狀態(tài)協(xié)議，其原理與距離向量路由選擇的原理不同。學(xué)生往往對路由表的構(gòu)造非常陌生。以圖1為例，描述了一個簡單的有五個結(jié)點的域。每個結(jié)點用相同的拓?fù)鋪韯?chuàng)建路由表，但是每個結(jié)點的路由表卻是獨一無二的。通過對圖1稍加轉(zhuǎn)換，從A和B的角度去看各自的鏈路狀態(tài)，可見，結(jié)點A知道它以度量6連接到結(jié)點B，以度量2連接到C，以度量3連接到D；結(jié)點B知道它以度量6連接到A，以度量4連接到C，以度量5連接到E。A和B所看到的鏈路狀態(tài)如圖2所示。

當(dāng)多個路由器通過一個LAN連接起來時，此時情況會變得很復(fù)雜，圖3顯示了一個LAN直接連接到兩個路由器A和C上的情形，每個路由器都連接到一個或者多個其他的路由器上。此時需要對LAN進(jìn)行可視化建模，將LAN本身當(dāng)成節(jié)點來考慮。通過對圖3的分析，可引入新的節(jié)點（比如偽節(jié)點N，圖4中的云），它與A、C連接起來。并且在LAN上從A到C是可能的，可以表示為路徑ANC，這樣可以使得復(fù)雜的問題簡單化。

3.路由表的構(gòu)造

路由表構(gòu)造過程中，每個節(jié)點需要使用最短路徑樹產(chǎn)生一個最短路徑。最短路徑樹通過Dijkstra算法實現(xiàn)，教師教學(xué)過程中一般會給學(xué)生展示一個簡化的算法版本：一是初始化。選擇作為樹的根的節(jié)點，把它加入到路徑中。為根的所有鄰站設(shè)置從根到這些鄰站之間的最短距離。設(shè)根到自己的最短距離為0。二是循環(huán)。重復(fù)下面兩個步驟，直至所有節(jié)點都被加入到路徑中。三是加入下一個結(jié)點到路徑中。搜索不在路徑中的節(jié)點，選擇一個具有最短距離的結(jié)點，把它加入到路徑中。四是更新。用上述步驟中移到路徑中的節(jié)點來更新所有剩余節(jié)點的最短距離。

算法描述的是最短路徑樹的得到，其實就是經(jīng)過一個初始化步驟和若干次的循環(huán)，該算法可以用可視化的圖形進(jìn)行表述。如圖5所示，假設(shè)以節(jié)點A為例創(chuàng)建最短路徑樹，其初始化步驟和循環(huán)過程不難從上述簡化算法中得出，圖6給出了以節(jié)點A和B為根的最短路徑樹構(gòu)造結(jié)果。由于篇幅原因，這里沒有給出詳細(xì)構(gòu)造過程，可讓學(xué)生進(jìn)行課堂或課外練習(xí)。總之，通過圖形化的表示，最短路徑樹構(gòu)造過程能清楚呈現(xiàn)在學(xué)生面前，也有助于對該算法的深層次理解。

三、基于OSPF的LSA仿真模擬教學(xué)

1.OSPF及其LSA簡述

開放最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，簡稱OSPF）是一種基于鏈路狀態(tài)路由選擇的域內(nèi)路由選擇協(xié)議。OSPF里定義了不同的鏈路，如點對點鏈路、穿越鏈路等，也有自治系統(tǒng)等概念，這些都可以用圖形化方式進(jìn)行描述，幫助學(xué)生對這些專業(yè)術(shù)語進(jìn)行理解。

OSPF運行的核心實際就是鏈路狀態(tài)更新分組（link state update packet），路由器正是用它來通過各自的鏈路狀態(tài)的，每個更新分組可能包含幾個不同的LSA（鏈路狀態(tài)通告）。獲得并分析LSA，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。完整的LSA信息被封裝在報文中，而其LSA類型多，對于每一類型具體條目的分析十分復(fù)雜和枯燥。6種基本類型的LSA如表1所示。

表1 6種基本類型的LSA及作用

類型作用

類型1路由器鏈路公告

類型2網(wǎng)絡(luò)鏈路公告

類型3網(wǎng)絡(luò)摘要鏈路公告

類型4AS邊界路由器摘要鏈路公告

類型5AS外部鏈路公告

類型7非純殘域網(wǎng)絡(luò)公告

因此，可以通過對LSA仿真，使學(xué)生對OSPF協(xié)議有更深入的理解和應(yīng)用。

2.仿真實驗配置

本文采用GNS 3模擬器，仿真OSPF四級組網(wǎng)情形，并對表1中的一、二、三、四、五、七等六類LSA予以仿真實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可知，主要有三個OSPF區(qū)域以及一個外部區(qū)域，骨干區(qū)域為area0，所有區(qū)域都與骨干區(qū)域相連，是OSPF四級網(wǎng)的核心，相當(dāng)于是一個市級中心網(wǎng)，而其他區(qū)域是所連的地縣。圖中區(qū)域2配置為NSSA區(qū)域，因為7類LSA本身在特殊區(qū)域才有。

仿真過程中，首先規(guī)劃好整個網(wǎng)絡(luò)的IP地址，對路由器基本信息進(jìn)行配置，接下來對接口進(jìn)行配置及鏈路進(jìn)行測試。例如對RT1的接口配置如下：

RT1：

interface loopback0

ip address 1.1.1.1 255.255.255.255 //回環(huán)地址

interface serial0/2

ip address 10.0.15.1 255.255.255.252 //鏈路地址

interface ethernet3/0

ip address 10.1.1.1.1 255.255.255.0 //業(yè)務(wù)地址

同理，對其他路由器接口進(jìn)行配置，之后再進(jìn)行鏈路連通性測試，直接通過ping命令的使用，通過反饋結(jié)果看測試鏈路是否存在問題。

基本配置之后，重點是對OSPF的配置及測試，每個路由器都指定一個router-id，并將本路由器上的所有網(wǎng)段都分布到OSPF進(jìn)程中去，配置如下：

RT1：

router ospf 1 //運行OSPF進(jìn)程

router-id 6.6.6.6 //唯一標(biāo)識自己的router-id

network 6.6.6.6 0.0.0.0 area 0

network 10.2.6.0 0.0.0.0.255 area 2

通過對OSPF的配置過程的可視化，對協(xié)議運行過程中鄰居的建立和路由發(fā)布一目了然。通過OSPF的運行，每個路由器都有了屬于自己的完整拓?fù)洌瑢崿F(xiàn)了全網(wǎng)的互聯(lián)互通。

3.仿真圖分析

通過模擬仿真OSPF，解決了全網(wǎng)的連通性，OSPF鄰居的建立，尤其是可以通過命令查看每類LSA。通過運行命令，能較好地實現(xiàn)不同類LSA詳細(xì)狀態(tài)的可視化。圖8為一類LSA的描述信息，通過該仿真圖能更直觀地理解、分析、研究各類鏈路狀態(tài)的通告情況，包括LSA頭部字節(jié)所包括的一些基本信息。

圖8給出的是區(qū)域0的一類LSA，給出了鄰居ID，與其他路由器連接的接口IP地址、開銷等，并指出了IP屬于哪個網(wǎng)段和掩碼。通過對仿真圖的可視分析，一類LSA特點可以總結(jié)如下：描述了直連鏈路的狀態(tài)信息，由每個發(fā)起路由器通告，只在本區(qū)域內(nèi)傳遞。簡而言之，LSA1描述自身直連信息。

對LSA1進(jìn)行仿真可視分析后，對部分配置參數(shù)進(jìn)行修改，同理得到二、三、四、五、七等基本類型的LSA情況，并能通過仿真實驗結(jié)果圖將六種類型的LSA情況予以可視化分析，從而實現(xiàn)了將抽閑、枯燥的理論知識變的形象化、可視化和易于理解掌握。

四、結(jié)論

本文主要針對“TCP/IP協(xié)議”課程教學(xué)協(xié)議抽象、理論性強(qiáng)、枯燥等特點，探索一種圖形化、可視化的方法，使得協(xié)議教學(xué)變得更加形象、生動、易于理解掌握，也更好地培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]TCP/IP協(xié)議族[M].第4版.王海，張娟，朱曉陽，等，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].第4版.潘愛民，譯.清華大學(xué)出版社，2004.

[3]程立，張浩軍，吳勇.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可視化分析教學(xué)方法探究——Wireshark在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2013，（1）.

[4]周靈.網(wǎng)絡(luò)類課程教學(xué)手段的改進(jìn)與實踐[J].計算機(jī)時代，

2008，（8）.

[5]黃嵐，刑敏.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議理論與實踐整合的教學(xué)研究[J].吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報，2006，（3）.

[6]徐志芳.舉例教學(xué)法在《TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議》中的運用[J].考試周刊，2011，（90）.

[7]王雪梅，林曉勇.“TCP/IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及實現(xiàn)”開放源碼教學(xué)研究[J].中國電力教育，2011，（28）.

[8]陳健，吳海軍，徐煊.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析與開發(fā)試驗的一種新教學(xué)方法[J].計算機(jī)教育，2011，（10）.

（責(zé)任編輯：孫晴）