CN101034509A - IPv6网络协议仿真教学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种IPv6网络协议仿真教学实验装置，由主控中心平台、组控设备和软件平台三部分所组成，主控中心平台为实验操作提供所需的各种系统服务，搭建多种类型的网络拓扑结构，实现网络拓扑结构间的相互切换；系统可以解析以太网中多种常用协议，并以行为分析方式显示完整的通信过程，直观呈现信息交互方式，加深学生对协议的理解。系统提供多种保存方式，可以把捕获的数据保存成文件，方便日后分析学习。本系统通过对网络数据的捕获和模拟，使学生更加深入地了解网络内部情况，掌握高层应用和底层协议。可以用来研究当前网络最前沿的技术动态和发展方向，将理论和实践有机结合。

Description

IPv6网络协议仿真教学实验装置

技术领域：

本发明提供一种IPv6网络协议仿真教学实验装置，用于在IPv6协议的网络中，进行协议模拟、仿真编辑、数据采集、协议分析的教学系统，属于网络信息教学技术领域。

背景技术：

目前，高校的计算机网络知识教学仍以书本教学为主，学生很难从书本上较好的领悟和学习原本就较为抽象、艰涩的计算机网络知识，特别是当前IPv6协议的网络环境并未全面普及，高校对IPv6协议的教学无法深入下去。

本发明涉及的IPv6协议起源于20世纪90年代初，该协议是IETF(InternetEngineering Task Force，Internet工程任务组)在比较多种IPng方案的基础上，最后以“简单互联网协议增强(SIPP)”为基础加以改进而形成的。

IPv6协议作为下一代网际协议，有着极为广泛的发展前景。目前，CERNET2主干网已经过十几年的发展，而各大高校也正逐渐把IPv6协议教学转为网络教学的重点。因此，辅助高校IPv6教学的系统未来市场需求将会十分巨大。目前高校的IPv6教学实验还存在以下问题：IPv6教学设施的匮乏，未普及的IPv6实验环境，缺乏具体实验指导，没有一套完整的教学实验体系，导致学生对学习IPv6协议缺少实际应用，理论与实际相脱节，给学生学习IPv6协议带来难度。

发明内容：

本本发明提供一种IPv6网络协议仿真教学实验装置，是专门针对于高校的IPv6网络基础知识课程教学的专用教学设备，解决了学生在IPv6协议教学实验存在的问题。

本发明的技术解决方案如下：

IPv6网络协议仿真教学实验装置由主控中心平台、组控设备和软件系统所组成。

主控中心平台集成Fedora Core 5操作系统，性能稳定可靠。操作系统安装自动化、应用服务配置脚本化，具有操作系统自动化恢复工具，提供DNS服务(支持IPv6的正、反向解析)、Web服务(既支持IPv4又支持IPv6)、FTP服务(仅支持IPv6)、Radvd服务、注册服务。同时，主控中心平台还具备数据交换功能，可以智能地进行网络结构的控制和管理，搭建多种类型的网络拓扑结构，并能够在不同类型的网络拓扑结构间相互切换，根据需要还可以对实验内容和实验人数进行相应的扩展。

组控设备包括3个共享模块和1个交换模块。共享模块具备数据采集的功能，交换模块具备数据交换的功能。组控设备支持多种网络结构，为实验环境的灵活搭建提供了基础，在主控中心平台的控制下提供数据采集、动态缓冲区分配、均衡网络负载等功能。

软件系统为IPv6网络协议仿真教学实验装置软件，包括仿真编辑器和协议分析器两个应用程序，并具有网络拓扑结构的验证功能。仿真编辑器为用户提供多种编辑和发送数据包的方式，用户可以根据需要载入或编辑一个帧序列，并按照自己的想法修改某一单帧的各种属性值，包括从MAC层到应用层的各种协议字段的属性值，并对各个属性进行了详细的解释。在编辑的同时，会相应的显示整个协议树的层次结构及层次模型，使用户对网络协议的层次结构有更直观的了解，便于用户理解和学习。用户可以按单帧或者多帧序列的方式发送数据帧，发送的时间间隔可以自定义。通过软件提供的地址本工具，可以更灵活的进行实验操作，方便填写IPv6地址。协议分析器的主要功能是捕获网络上传输的数据帧，并根据设置的过滤条件对捕获的数据进行解析。

IPv6网络协议仿真教学实验装置的工作过程：

首先，依据具体的主控中心平台、组控设备的连线方式。一个组控设备连接6台实验主机，为一个实验小组。每台实验主机安装了IPv6网络协议仿真教学实验装置软件系统(协议分析器和仿真编辑器)。然后，实验主机运行软件系统(协议分析器或仿真编辑器)，启动网络拓扑验证视图，并向实验网络发送验证请求，其他主机(包括服务器)收到请求后将自己的硬件连接方式，通过中心设备和组控设备应答给请求主机。请求主机将网络拓扑结构图显示在显示器上，并给出验证的结果。若结果不符合实验要求，则调整网络结构直至正确。最后，按照实验步骤进行实验。

下面以一个学习FTP协议(基于IPv6)的实验，进一步说明该装置的工作原理。该实验要求在同1个共享模块下的两个实验主机(设为仿真机1和分析机1)共同协作完成。仿真机1启动仿真编辑器，分析机1启动协议分析器；仿真机1使用TCP连接工具连接服务器，并使用FTP命令与服务器进行会话交互。仿真机1与服务器的网络数据传输是通过中心设备和组控设备完成的。由于分析机1与仿真机1在同一个共享模块下，因此分析机1可以捕获到仿真机1与服务器之间的数据交互过程，分析机1通过协议分析器软件将捕获的数据包进行详细解析和网络行为的会话分析，从而清晰的展现了FTP会话的交互过程。

本发明的积极效果在于：系统可以解析以太网中多种常用协议，并以行为分析方式显示完整的通信过程，直观呈现信息交互方式，加深学生对协议的理解。系统提供多种保存方式，可以把捕获的数据保存成文件，方便日后分析学习。本系统通过对网络数据的捕获和模拟，使学生更加深入地了解网络内部情况，掌握高层应用和底层协议。可以用来研究当前网络最前沿的技术动态和发展方向，将理论和实践有机结合。

附图说明：

图1是本发明的系统结构图

图2是IPv6网络协议仿真教学实验装置仿真编辑器软件流程图

图3是IPv6网络协议仿真教学实验装置协议分析器软件流程图

具体实施方式：

下面结合附图，对系统作进一步描述。

如图1所示，本发明包括三部分：主控中心平台、组控设备、软件平台(仿真编辑器和协议分析器)。

图1所示的为实验所需的一种网络拓扑结构，该连接使得实验室中的所有实验主机都在同一网段，可相互访问。在同一共享模块下的分析机(安装协议分析器软件的实验主机)可捕获到仿真机(安装仿真编辑器软件的实验主机)与其他主机通信的数据。

下面对图1的连接方式和该装置的工作原理进行详细说明：

图1是以1个单元组控设备(1个实验小组共连接6台实验主机)的连接为例的。

仿真机1的网卡与组控设备中的共享模块1的Port1相连，分析机1的网卡与组控设备中的共享模块1的Port2相连；仿真机2的网卡与组控设备中的共享模块2的Port1相连，分析机2的网卡与组控设备中的共享模块2的Port2相连；仿真机3的网卡与组控设备中的共享模块3的Port1相连，分析机3的网卡与组控设备中的共享模块3的Port2相连；在组控设备中，共享模块1的Port4与交换模块的Port1相连，共享模块2的Port4与交换模块的Port2相连，共享模块3的Port4与交换模块的Port3相连；组控设备中的交换模块的Port4与主控中心平台的Port2相连；主控中心平台中的网卡与Port1相连。其它组控设备还可以与主控中心平台的其它Port口相连。从而完成了实验要求的网络结构。

实施例：

仿真机通过编辑数据帧来请求主控中心平台所提供的某一服务(如进行域名解析)。

以仿真机1和分析机1为1单元组进行说明。

仿真机1通过仿真编辑器软件中协议编辑模块，编辑一个请求服务的请求数据帧(如DNS正向解析请求帧)，编辑好的数据帧先存于仿真机1的内存中，当点击发送数据帧按钮时，网卡驱动程序将编辑好的数据通过仿真机1的网卡发送到网络中。依据数据帧中的目的IP地址，由仿真机1的网卡发出的数据帧(编辑的那个数据帧)经过组控设备的共享模块1，再到达组控设备的交换模块，然后到达主控中心平台。主控中心平台按照请求的内容向仿真机1发送应答信息。数据的传输的路径为仿真机1到主控中心平台的逆向路径。在仿真机1与主控中心平台进行数据交互的同时，分析机1启动协议分析器软件并开始捕获数据，通过网卡驱动程序将流经分析机1网卡的数据存于程序的缓冲区(内存)中，实验完成后停止数据捕获。然后程序调用协议分析模块将捕获到的数据进行详细解析并显示其会话交互过程。由于分析机1与仿真机1同连接在同一个共享模块下，因此仿真机1的网卡发送或接收的数据，分析机1的网卡也可接收到。分析机1显示的分析结果就是实验全部过程，从而达到教学的目的。

如图2所示，IPv6网络协议仿真教学实验装置仿真编辑器主要的模块分为：用户界面显示程序、协议仿真程序，数据文件分析处理程序、网络拓扑验证程序、通信接口DLL库、后台服务程序、NT驱动服务程序，其他网络实验辅助工具(如地址本工具)等。

IPv6网络协议仿真教学实验装置仿真编辑器(以下简称仿真编辑器)各模块工作原理如下：

当用户进行网络拓扑验证时，仿真编辑器首先通过用户界面显示程序触发网络拓扑验证请求，从而调用网络拓扑验证程序。后台服务程序通过网络通信获取到的其他主机的信息，网络拓扑验证程序将这些信息数据通过用户界面显示程序，以图形化的方式向用户显示某一类网络拓扑的连接情况。

当用户进行数据包的仿真编辑时，用户界面显示程序将数据包的编辑过程通过用户界面交互的方式向用户完全的展示出来(部分字段的编辑需要辅助工具，如编辑MAC地址、IP地址的相关字段需要地址本工具的辅助)。

用户可通过用户界面显示程序的保存功能将编辑好的数据包保存为*.pkt格式的文件(用户界面显示程序通过调用数据文件分析处理程序来完成保存功能)。

当用户对已编辑好的数据包进行发送时，用户界面显示程序将数据包的内容传给协议仿真程序，协议仿真程序负责对数据包的合法性进行检验，若编辑的数据包有误，则向用户界面显示程序传递出错信息；如果编辑的数据包正确，则询问选择发送数据的网卡(如果存在多块网卡)，用户指定网卡后，协议仿真程序调用通信接口DLL库，完成共享数据缓冲区的设置和赋值操作，最后通过NT驱动服务程序将数据通过网卡发送到网络中去。

如图3所示，IPv6网络协议仿真教学实验装置协议分析器(以下简称协议分析器)主要的模块分为：网络拓扑验证程序、协议解析程序、会话分析程序、应用接口DLL库、数据文件分析处理程序、驱动服务程序、数据接收线程、数据缓冲区，用户界面应用程序。通过应用接口DLL库与驱动服务程序的交互，最终实现协议解析、会话分析的功能。

IPv6网络协议仿真教学实验装置协议分析器各模块的工作原理如下：网络拓扑验证模块的工作原理与仿真编辑器的相同。

驱动服务程序是用户界面应用程序与网卡通信的接口，它将网卡设置为混杂模式，可读取网卡的通信数据。

驱动服务程序提供读取网卡通信数据的接口，数据接收线程利用该接口读取数据，并将其写入到数据缓冲区(内存)中。数据接收线程的启动是通过用户界面应用程序启动捕获窗口的操作来实现的，捕获窗口启动后将触发数据捕获的功能。

应用接口DLL库主要是用户界面与数据缓冲区、驱动服务程序交互的接口，是数据接收线程启动和停止的控制者，是用户界面应用程序获取网络数据的桥梁。

协议解析模块通过调用应用接口DLL库，获取网络数据，并将数据以概要解析(显示每个数据包的摘要信息，如包长度、各层协议的概要描述)和详细解析(显示每个数据包的详细信息，各个协议各个字段的详细描述)的方式。

会话分析模块通过调用应用接口DLL库，获取网络数据，并将数据包按网络行为的方式进行分类，并以连线的方式表现为会话过程。

用户可通过保存功能将已捕获的数据包保存为*.pkt、*.zdt、*.cap格式的文件(用户界面应用程序通过调用数据文件分析处理程序来完成保存功能)。

Claims (4)

1、一种IPv6网络协议仿真教学实验装置，其特征在于：由主控中心平台、组控设备和软件平台三部分所组成，主控中心平台为实验操作提供所需的各种系统服务，搭建多种类型的网络拓扑结构，实现网络拓扑结构间的相互切换；

所述的主控中心平台为集成Fedora Core 5操作系统，主控中心平台包括一块网卡和24个通信端口，端口标识为Port1至Port24，网卡与Port1相连，为实验操作提供DNS服务、Web服务、FTP服务、Radvd服务、注册服务，同时具备数据交换功能，智能地进行网络结构的控制和管理，搭建多种类型的网络拓扑结构，在不同类型的网络拓扑结构间相互切换；

所述的组控设备包括3个共享模块和1个交换模块，一个共享模块包括5个通信端口，端口标识为Port1至Port5，一个交换模块包括5个通信端口，端口标识为Port1至Port5，共享模块具备数据采集的功能，捕获网络中实时传输的各种协议数据包，捕获的数据包储存在数据缓冲区中，软件系统中的协议分析器对这些数据包进行解析；交换模块具备数据交换的功能，对共享模块所采集的数据进行数据交换和管理；

软件平台包括仿真编辑器和协议分析器两个应用程序，仿真编辑器负责编辑并仿真发送IPv6协议族数据帧，根据需要载入或编辑一个帧序列，并按照要求修改某一单帧的各种属性，包括从MAC层到应用层的各个协议字段的属性，也可以手动修改十六进制码；利用地址本功能可以快速填入复杂的IPv6地址；

协议分析器捕获并实时解析IPv6协议族数据帧，并具有网络拓扑结构验证功能，通过此功能可以明确地体现和验证当前的网络结构。

2、根据权利要求1所述的仿真教学实验装置，其特征在于：在组控设备的单元中，仿真机(1)的网卡与组控设备中的共享模块(1)的Port1相连，分析机(1)的网卡与组控设备中的共享模块(1)的Port2相连；仿真机(2)的网卡与组控设备中的共享模块(2)的Port1相连，分析机(2)的网卡与组控设备中的共享模块(2)的Port2相连；仿真机3的网卡与组控设备中的共享模块(3)的Port1相连，分析机(3)的网卡与组控设备中的共享模块(3)的Port2相连；在组控设备中，共享模块(1)的Port4与交换模块的Port1相连，共享模块(2)的Port4与交换模块的Port2相连，共享模块(3)的Port4与交换模块的Port3相连；组控设备中的交换模块的Port4与主控中心平台的Port2相连；主控中心平台中的网卡与Port1相连。其它组控设备还可以与主控中心平台的其它Port口相连。

3、根据权利要求1所述的仿真教学实验装置，其特征在于：编辑的协议包括：

以太网Ethernet v2、网际协议IPv4、网际协议IPv6、基于IPv6的传输控制协议TCP、基于IPv6的用户数据报协议UDP、超文本传输协议HTTP、域名解析系统DNS、IP控制管理协议ICMPv6、开放最短通路优先协议OSPFv3、下一代路由信息协议RIPng。

4、根据权利要求1所述的仿真教学实验装置，其特征在于：解析的协议包括：

以太网Ethernet v2、网际协议IPv4、网际协议IPv6、基于IPv6的传输控制协议TCP、基于IPv6的用户数据报协议UDP、超文本传输协议HTTP、域名解析系统DNS、IP控制管理协议ICMPv6、开放最短通路优先协议OSPFv3、下一代路由信息协议RIPng。

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