ARP 协议功能是把IP 地址映射为MAC 地址，核心机制是ARP 缓存表，实现IP 地址和MAC 地址之间的一一对应关系。研究ARP 协议动态交互仿真实验系统的目的是便于大家在学习ARP 协议的时候更好地理解协议理论，能够体会到ARP 请求报文和响应报文封装和发送的整个过程，真实地演示交换机对于ARP 请求报文和响应报文转发的机制及PC 机上缓存表的修改过程，有助于增强学生的学习效果。

　　ARP 协议动态交互仿真实验系统是由三台计算机（PC-A，PC-B，PC-C）模拟的局域网，数据在其内部转发时的分布式仿真实验平台。三台机器分别模拟ARP 报文发送端、交换机、ARP 报文接收端，通过三台机器交互操作，在以太网环境中动态模拟出ARP 协议的整个工作流程，包括ARP 高速缓存表的查询和修改，ARP 报文封装，交换机端口转发报文。

　　ARP 协议动态交互仿真系统拓扑结构图如图1 所示。

　　图1 ARP 协议动态交互仿真实验平台拓扑结构

　　1.1 系统分析

　　该系统的目的是为了在学生学习ARP 协议时，通过动态、逼真的实验过程帮助学生深入理解ARP 协议，提高学习效果。为了能够快捷、顺利地完成实验，实验环境对该系统有如下要求：部署方便，使用简单，效果逼真，移植性和可扩展性强。

　　系统针对上述需求采取如下策略：该系统全部在Windows XP 下开发，采用部署较为简单的Mysql 数据库和Tomcat 服务器（PC-C），将整个ARP 协议工作过程抽象出来放在网页上直观地展现，学习者可以像浏览网页一样使用该系统。

　　客户端：要求简单、明了地展现相应信息；有动态效果，逐步封装；能与服务器进行数据交互。因此，系统用dreamweaver8 设计页面，采用表格布局封装相关信息；用javascript. 控制动态效果和实现逐步封装；采用Ajax 技术实现客户端与服务器的交互。

　　服务器：开发语言相对简单易学，业务逻辑集中控制，采用分层的思想，在基本不动现有代码的情况下实现功能的拓展。系统用java 完成服务器端的实现，以一个逻辑控制类控制整个业务逻辑；封装一个持久层框架byesql 操作mysql数据库，能在不写任何SQL 语句的情况下针对MySQL 数据库完成基本的增、删、改、查。

　　1.2 系统设计

　　1.2.1 系统用例图

　　实验时，学生甲操作PC-A，模拟数据发送端；学生乙操作PC-C，模拟交换机；学生丙操作PC-B，模拟数据接收端。

　　发送端（PC-A）：获取本机真实IP 和MAC 地址后，用一个JSP 页面模拟ARP 报文的逐步封装过程，使用者可以看到ARP 请求报文逐步封装的效果。然后自动向“交换机”

　　发送ARP 请求报文，再自动跳转到“ARP 高速缓存表”模拟页面，等待“交换机”转发来ARP 响应报文，修改“ARP 高速缓存表”。

　　交换机（PC-C）：用一个JSP 页面模拟“端口——MAC映射表”，负责转发ARP 报文。初始为等待状态，当发送端（PC-A）发送完ARP 请求报文之后，自动向除发送端外的所有端口转发该请求报文，完毕后自动跳到初始状态等待转发ARP 响应报文，当响应报文到达后就针对发送端（PC-A）单播该报文分组。

　　接收端（PC-B）：获取本机真实IP 和MAC 地址后，自动跳到“ARP 高速缓存表”模拟页面，等待“交换机”将ARP请求报文转发过来后修改ARP 高速缓存表，再自己跳转到ARP 响应报文页面，逐步封装。封装完毕则自动向“交换机”发送ARP 响应报文。

　　图2 为ARP 协议仿真系统动态交互用例图。

　　图2 ARP 协议动态交互仿真系统用例

　　1.2.2 系统类图

　　ARP 协议动态交互仿真系统定义了四个类：

　　①ARP 报文类ArpMessage：定义ARP 报文属性和类型；②ARP 缓存表类ArpTable：定义ARP 表字段和属性；③端口MAC 映射表类MacTable：定义交换机端口和机器MAC 地址的映射关系；④计算机类PC：定义各机器的IP 地址、MAC 地址和计算机名。

　　计算机类PC 为ARP 报文类ArpMessage 和ARP 缓存表类ArpTable 提供本机的MAC 地址和IP 地址，分别用于帧封装和MAC 地址查询。端口MAC 映射表类MacTable 为计算机类PC 提供MAC 地址和端口的对应关系，用于数据转发。

　　图3 为ARP 协议动态交互仿真实验系统类图。

　　图3 ARP 协议动态交互仿真系统类

　　1.2.3 系统流程图

　　为了使用方便，ARP 协议动态交互仿真系统把三个角色功能集成在一个程序中。程序运行时，操作者需为机器选择规定的角色，再根据角色功能分配，按照定义的流程完成相应的操作。图4 为ARP 协议动态交互仿真系统流程图。

　　图4 ARP 协议动态交互仿真系统流程

　　当一个基于TCP/IP的应用程序需要从一台主机发送数据给另一台主机时，它把信息分割并封装成包，附上目的主机的IP地址。然后，寻找IP地址到实际MAC地址的映射，这需要发送ARP广播消息。当ARP找到了目的主机MAC地址后，就可以形成待发送帧的完整以太网帧头。，协议栈将IP包封装到以太网帧中进行传送。

　　如图所示，描述了ARP广播过程。

　　图　ARP广播

　　在图中，当主机A要和主机B通信（如主机A Ping主机B）时。主机A会先检查其ARP缓存内是否有主机B的MAC地址。如果没有，主机A会发送一个ARP请求广播包，此包内包含着其欲与之通信的主机的IP地址，也就是主机B的IP地址。当主机B收到此广播后，会将自己的MAC地址利用ARP响应包传给主机A，并更新自己的ARP缓存，也就是同时将主机A的IP地址/MAC地址对保存起来，以供后面使用。主机A在得到主机B的MAC地址后，就可以与主机B通信了。同时，主机A也将主机B的IP地址/MAC地址对保存在自己的ARP缓存内。

　　ARP报文被封装在以太网帧头部中传输，如图所示，是ARP请求协议报文头部格式。

　　图 ARP请求协议报文头部格式

　　图中黄色的部分是以太网（这里是EthernetII类型）的帧头部。其中，个字段是广播类型的MAC地址：0XFF-FF-FF-FF-FF-FF，其目标是网络上的所有主机。第二个字段是源MAC地址，即请求地址解析的主机MAC地址。第三个字段是协议类型，这里用0X0806代表封装的上层协议是ARP协议。

　　接下来是ARP协议报文部分。其中各个字段的含义如下：

　　硬件类型：表明ARP实现在何种类型的网络上。

　　协议类型：代表解析协议（上层协议）。这里，一般是0800，即IP。

　　硬件地址长度：MAC地址长度，此处为6个字节。

　　协议地址长度：IP地址长度，此处为4个字节。

　　操作类型：代表ARP数据包类型。0表示ARP请求数据包，1表示ARP应答数据包。

　　源MAC地址：发送端MAC地址。

　　源IP地址：代表发送端协议地址（IP地址）。

　　目标MAC地址：目的端MAC地址（待填充）。

　　目标IP地址：代表目的端协议地址（IP地址）。

　　ARP应答协议报文和ARP请求协议报文类似。不同的是，此时，以太网帧头部的目标MAC地址为发送ARP地址解析请求的主机的MAC地址，而源MAC地址为被解析的主机的MAC地址。同时，操作类型字段为1，表示ARP应答数据包，目标MAC地址字段被填充以目标MAC地址。