計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)驗平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)——基于MSP430

魯麗 廖劍鋒

摘要：針對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中協(xié)議棧實(shí)驗部分的教學(xué)實(shí)際，分析協(xié)議棧學(xué)習(xí)對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的重要性，探討目前的實(shí)驗方法，提出基于msp430的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)驗平臺的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)方案，指出通過此實(shí)驗平臺，學(xué)生可進(jìn)行協(xié)議棧重演，真切感受到抽象協(xié)議的具體應(yīng)用方法，提高學(xué)生的協(xié)議分析能力和開發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗；協(xié)議棧重演；msp430實(shí)驗平臺

O、引言

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程是計算機(jī)專業(yè)主干課程之一，在專業(yè)教學(xué)體系中占有非常重要的地位。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程均設(shè)置有實(shí)驗環(huán)節(jié)，實(shí)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(luò)層和傳輸層協(xié)議；②利用網(wǎng)絡(luò)仿真器如NS2分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其性能；③協(xié)議開發(fā)，即利用套接字編程進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議開發(fā)；④網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置實(shí)驗，包括交換機(jī)、路由器、服務(wù)器等的配置，這些實(shí)驗都涉及協(xié)議。通過前兩類分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)驗，學(xué)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(shí)驗屬于驗證性實(shí)驗，會令學(xué)生對于協(xié)議的具體應(yīng)用仍然模糊，無法達(dá)到培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生設(shè)計新協(xié)議和獨(dú)立設(shè)計開發(fā)協(xié)議能力的目標(biāo)。通過套接字編程實(shí)驗，學(xué)生可以開發(fā)新的應(yīng)用層協(xié)議，但是仍然缺乏對底層協(xié)議的認(rèn)知和運(yùn)用。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置實(shí)驗也有類似的問題。

目前，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理實(shí)驗課程存在的主要問題是實(shí)驗的片段性和隔離性導(dǎo)致學(xué)生對知識點(diǎn)掌握得不完整、不系統(tǒng)，不能形成有機(jī)的整體，不能將針對協(xié)議的學(xué)習(xí)成果應(yīng)用于具體的協(xié)議棧設(shè)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(xué)生綜合運(yùn)用理論知識分析問題和解決問題的實(shí)踐能力，筆者結(jié)合華中科技大學(xué)文華學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗教學(xué)的現(xiàn)狀，構(gòu)建基于MSP430的汁算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)驗平臺，設(shè)計一套實(shí)驗方案，期望學(xué)生通過在實(shí)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(shí)踐動手能力。

1、實(shí)驗平臺設(shè)計概述

嵌入式實(shí)驗平臺的硬件部分主要由MSP430和CS8900網(wǎng)絡(luò)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(jī)，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(jìn)行控制。為擴(kuò)展路由協(xié)議驗證模塊，實(shí)驗平臺的MSP430F149與兩片CS8900連接。

2、實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計

2.1實(shí)驗1：Ethereal數(shù)據(jù)包嗅探

對協(xié)議棧的學(xué)習(xí)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(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程的第一個實(shí)驗是要求學(xué)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(fù)雜實(shí)驗打好基礎(chǔ)。這部分實(shí)驗可以在PC機(jī)上完成。

實(shí)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(jìn)行協(xié)議分析的方法；③截獲典型數(shù)據(jù)包進(jìn)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(yīng)的RFC文檔。

2.2實(shí)驗2：網(wǎng)絡(luò)層lP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)lP分組封裝，ARP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是數(shù)據(jù)最終能夠到達(dá)目的地的保證；設(shè)計完成部分ICMP協(xié)議；通過在接入段運(yùn)行Ping命令驗證實(shí)驗結(jié)果的正確性。

2.3實(shí)驗3：傳輸層TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)TCP有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議可不考慮復(fù)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(shí)現(xiàn)。

2.4Http和Smtp協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

用HTML寫一個簡單的Web頁面，嵌入到實(shí)驗平臺，在平臺上實(shí)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(shí)驗平臺在實(shí)驗平臺上實(shí)現(xiàn)Smtp協(xié)議，使實(shí)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(shí)驗平臺擴(kuò)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(shè)備如智能家電、智能儀表等也接入到互聯(lián)網(wǎng)中，導(dǎo)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(qiáng)、服務(wù)質(zhì)量高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的較好選擇。實(shí)驗平臺可以實(shí)現(xiàn)簡單的IPv6協(xié)議棧，幫助學(xué)生理解IPv6協(xié)議與lPv4協(xié)議的異同。

1） IPv6協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

IPv6協(xié)議棧的實(shí)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(shí)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(kuò)展報頭，不支持分片；測試運(yùn)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(shè)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(yīng)答報文，可在應(yīng)用層進(jìn)行ping6操作，測試網(wǎng)絡(luò)的連通性和IPv6地址解析的正確性。IPv6中的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過程是用一系列的報文和步驟確定鄰節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系的過程。鄰節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)現(xiàn)報文使用ICMPv6的報文結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗平臺的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)模塊支持地址解析，省略了重復(fù)性探測和路由功能。程序設(shè)計在保證實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議?；竟δ艿幕A(chǔ)上盡量減少代碼復(fù)雜度，只考慮運(yùn)行時的一般情況，忽略特殊情況需要的額外開銷。實(shí)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(shí)驗平臺數(shù)據(jù)處理流程如下。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有終端（主機(jī)）要訪問嵌入式設(shè)備時，主機(jī)在適當(dāng)?shù)慕涌谏习l(fā)送多播幀，即IPv6主機(jī)發(fā)送多播鄰節(jié)點(diǎn)，請求報文發(fā)現(xiàn)鏈路上IPv6節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址。鄰節(jié)點(diǎn)請求報文的多播地址是從日標(biāo)IP地址得到的。鄰節(jié)點(diǎn)請求報文格式如圖3所示。

這時必須正確設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900地址濾波寄存器的值，以保證主機(jī)發(fā)送的多播鄰節(jié)點(diǎn)請求報文可以通過地址濾波器；實(shí)驗平臺收到鄰節(jié)點(diǎn)請求報文后，根據(jù)鄰節(jié)點(diǎn)請求報文的信息，向報文發(fā)送方——主機(jī)發(fā)送一個單播鄰節(jié)點(diǎn)公告報文，地址解析完畢；然后，實(shí)驗平臺根據(jù)TCP狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)完成相應(yīng)處理過程，接收數(shù)據(jù)時，從網(wǎng)絡(luò)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(dá)報文；如果是ICMPv6，就進(jìn)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(shí)驗平臺的TCP/IP連接是由主機(jī)發(fā)起的，所以嵌入式設(shè)備不會接收到鄰居宣告報文。

實(shí)驗平臺采用TCP方式發(fā)送數(shù)據(jù)。嵌入式設(shè)備不主動向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，而是根據(jù)主機(jī)的請求傳送數(shù)據(jù)，根據(jù)主機(jī)發(fā)送的請求數(shù)據(jù)包得到同的地址相關(guān)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(guān)標(biāo)志位，將數(shù)據(jù)送人鏈路層。網(wǎng)絡(luò)接口芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

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(yùn)行Windows 2000 Server的計算機(jī)作為DNS服務(wù)器，在DNS服務(wù)器中添加實(shí)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(jī)的掩碼，網(wǎng)關(guān)以及DNS服務(wù)器。

測試在本地局域網(wǎng)進(jìn)行，除上述DNS服務(wù)器外，其他主機(jī)運(yùn)行Windows XP或Windows2000操作系統(tǒng)。每臺計算機(jī)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(luò)，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(luò)終端訪問嵌入式系統(tǒng)的主頁。例如，在一臺計算機(jī)輸入“ping6嵌入式設(shè)備IPv6地址”，如果網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的域名，就可以看到其主頁，這說明上述實(shí)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(shí)現(xiàn)

為了在實(shí)驗平臺上驗證RIP和OSPF路由協(xié)議，我們在實(shí)驗平臺上設(shè)計2個網(wǎng)絡(luò)接口。由于實(shí)驗平臺資源有限且路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，我們僅搭建圖4所示的規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?shí)驗平臺不設(shè)置接收緩沖區(qū)，不采用隨機(jī)早期檢測，僅實(shí)現(xiàn)RIP路由協(xié)議和OSPF路由協(xié)議。

4、結(jié)語

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析與開發(fā)實(shí)驗一直是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗教學(xué)中的難點(diǎn)，如何讓學(xué)生通過實(shí)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(shí)踐能力，是此類實(shí)驗應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。基于msp430的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)驗平臺可以開展專業(yè)相關(guān)的各種實(shí)驗，還可擴(kuò)展進(jìn)行IPv6協(xié)議和RIP、OSPF路由協(xié)議實(shí)驗。學(xué)生通過實(shí)驗可以重演TCP/IP協(xié)議棧，也可獨(dú)立沒計并開發(fā)類TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對學(xué)生協(xié)議分析、設(shè)計和開發(fā)能力的提高有很大幫助。