Ip數據報的分片與重組過程的教學實驗方法

2023-09-20 08:04:55

專利名稱：Ip數據報的分片與重組過程的教學實驗方法
技術領域：
本發明涉及一種教學試驗方法。
技術背景目前，與TCP/IP協議棧聯合使用的乙太網技術正在被越來越多地應用於 工業現場。在工業控制領域，隨著控制系統規模的不斷擴大、被控對象、測 控裝置等物理設備地域分散性越來越明顯，管理層需要擺脫資源地理位置上 的束縛，使其能夠通過網際網路瀏覽工業控制現場的數據，實現"控管一體化"， 這就需要工業控制節點能夠與網際網路相聯。不同的區域網物理層具有不同的 MTU (最大傳輸單元)，當需要傳輸的IP數據報長度大於下一站網絡的MTU 時，具有路由功能的網絡節點自動對IP數據報進行分片傳輸。 一般，IP數 據報的分片與重組由系統內核自動完成，對用戶完全透明，這就使其工作過 程不可見。如何通過實驗的手段對IP數據報的分片與重組過程進行展現，目 前尚無文獻介紹。IP數據報進行分片傳輸的過程是學習網絡的人必須了解和 認知的過程，而現有的教學方法只是通過文字描述與圖解來解析，抽象而枯 燥，不易於讓人理解和接受，使學習者不能充分、深入地理解並靈活掌握 TCP/IP協議中IP數據報的分片與重組的原理和工作過程。發明內容為了解決現有的教學中，採用文字描述與圖解來講解抽象複雜的IP數據 報的分片與重組的原理和工作過程而使學生不易接受、也不易理解的問題， 本發明提供了一種IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法。IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法，是通過以下裝置實現的， 所述裝置由網絡總線20、主節點1和兩個從節點組成，主節點1和兩個從節 點都連接在網絡總線20上，所述主節點1是實現IP數據報報文分片和報文 路由功能，兩個從節點中的第一從節點2實現構造原始IP數據報報文的功能， 第二從節點3負責接收分片後的IP數據報報文，並將分片後的報文進行重組 的功能，所述主節點和兩個從節點的結構相同，均是由微處理器10、鍵盤13、 乙太網控制器ll、乙太網接口電路12、液晶顯示器14組成，鍵盤13的信號輸出端和微處理器10的鍵盤數據輸入端連接，液晶顯示器14的信號輸入端 和所述微處理器10的液晶顯示數據輸出端連接，所述微處理器10的I/O 口 通過乙太網控制器ll、乙太網接口電路12與網絡總線20連接，使用所述裝 置進行教學實驗的具體步驟為-步驟A、分別配置主節點1、第一從節點2和第二從節點3的通信參數， 其中第一從節點2的IP位址設置在第一子網內，第二從節點3的IP位址設置 在第二子網內，主節點1設置成路由節點，設置主節點1與第一子網相連接 口的MTU為1500位元組，所述主節點1與第二子網相連接口的MTU為296 字節；步驟B、在第一從節點2上構造原始IP數據報； 步驟C、發送步驟B構造完成的原始IP數據報給第二從節點3; 步驟D、主節點1接收到原始IP數據報，比較原始IP數據報的報文長 度是否大於主節點1與第二從節點3的連接接口的MTU大小，如果大於，則 對接收到的原始IP數據報進行分片並發送，否則直接發送原始IP數據報給第 二從節點3;步驟E、在第二從節點3上將接收到的分片IP數據報報文進行重組。 本發明通過在三個節點間傳送IP數據報的過程，讓操作者通過鍵盤根據 液晶顯示器的提示輸入在IP數據報的構造、傳送、分片以及重組過程中涉及 到的一些關鍵參數，參與到IP數據報的構造、分片以及重組過程中，進而達 到讓操作者能夠直觀了解這些過程，深刻理解IP數據報分片與重組的工作原 理的目的。


圖l是本發明的系統結構圖，圖2是節點的結構圖，圖3是本發明的流 程圖，圖4是具體實施方式
二中所述的步驟B中構造原始IP數據報的結構 圖，圖5、圖6分別是具體實施方式
二中所述的步驟D中，在主節點l上將 圖4所示的原始IP數據報進行分片的結果示意圖，其中圖5是第一片IP數 據報報文結構，圖6是第二片IP數據報報文結構，圖7是具體實施方式
二中 所述的步驟E中第二從節點3接收到的兩個分片IP數據報中用於報文重組的 關鍵欄位。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式所述的IP數據報的分片與重組過程的教學 實驗方法，是通過以下裝置實現的，所述裝置由網絡總線20、主節點l和兩 個從節點組成，主節點1和兩個從節點都連接在網絡總線20上，所述主節點 1是實現IP數據報報文分片和報文路由功能，兩個從節點中的第一從節點2 實現構造原始IP數據報報文的功能，第二從節點3負責接收分片後的IP數 據報報文，並將分片後的報文進行重組的功能，所述主節點和兩個從節點的 結構相同，均是由微處理器IO、鍵盤13、乙太網控制器ll、乙太網接口電 路12、液晶顯示器14組成，鍵盤13的信號輸出端和微處理器10的鍵盤數 據輸入端連接，液晶顯示器14的信號輸入端和所述微處理器10的液晶顯示 數據輸出端連接，所述微處理器10的I/O 口通過乙太網控制器11、乙太網 接口電路12與網絡總線20連接，使用所述裝置進行教學實驗的具體步驟為-步驟A、分別配置主節點1 、第一從節點2和第二從節點3的通信參數， 其中第一從節點2的IP位址設置在第一子網內，第二從節點3的IP位址設置 在第二子網內，主節點1設置成路由節點，設置主節點1與第一子網相連接 口的MTU為1500位元組，所述主節點1與第二子網相連接口的MTU為296 字節；步驟B、在第一從節點2上構造原始IP數據報； 步驟C、發送步驟B構造完成的原始IP數據報給第二從節點3; 步驟D、主節點1接收到原始IP數據報，比較原始IP數據報的長度是 否大於主節點1與第二從節點3的連接接.口的MTU大小，如果大於，則對接 收到的原始IP數據報進行分片並發送，否則直接發送原始IP數據報給第二從 節點3;步驟E、在第二從節點3上將接收到的分片IP數據報報文進行重組。 在步驟A中，主節點l參數的配置過程為將主節點l作為路由節點，在主 節點l的液晶顯示器的提示下，通過主節點l的鍵盤輸入通信參數，所述通信參 數有乙太網物理地址、IP位址以及分別與第一從節點2、第二從節點3相連接口 的MTU，其它配置由主節點l的微處理器自動配置完成，數據輸入完成之後， 主節點l的微處理器判斷鍵盤輸入的參數是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則通過主節點1向網絡廣播所設置的物理地址和IP位址。在步驟A中，第一從節點2和第二從節點3的參數的配置過程相同，具 體過程為通過節點的液晶顯示器提示，通過節點的鍵盤輸入節點的乙太網物理地址和IP位址信息，所述IP位址信息輸入完畢後，節點的微處理器判 斷鍵盤輸入的數據是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則節點參數配置完成，通過節點液晶顯示器顯示配置完成的參數；否則，提示重新輸入參數； 所述數據的合法與正確，包括所輸入的物理地址或IP位址是否與已設定的節 點的物理地址或IP位址相同，如果相同則數據不合法。在步驟B中在第一從節點2上構造原始IP數據報報文的過程為通過 液晶顯示器提示需要輸入的參數，通過鍵盤輸入相應參數構造原始IP數據 報，需要輸入的參數包括4位版本號、首部長度、片偏移、生存時間、協 議、首部檢驗和、源IP位址和目的IP位址，所述目的IP位址是第二從節點 3的IP位址信息；微處理器10判斷鍵鴦輸入的數據是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則根據鍵盤輸入的數據構造IP數據報，否則通過液晶顯示 器提示重新輸入參數，然後重複上述步驟。在步驟C中，第一從節點2發送原始IP數據報報文的過程為通過第 一從節點2的鍵盤啟動報文的發送過程，當第一從節點2的微處理器接收到 鍵盤發送的發送信息後，首先自動進行路由表搜索，確定目的IP位址與第一 從節點2不在同一個最小子網內，然後將步驟B中構造好的原始IP數據報 封裝成乙太網數據幀，發送給網絡中的默認路由器主節點1。在步驟D中，主節點1接收IP數據報報文的過程為通過網絡總線接 收第一從節點2發送的原始IP數據報，微處理器根據接收到的原始IP數據 報中的目的IP位址信息，自動搜索路由表，判斷原始IP數據報中的目的IP 地址是否在路由表中，如果判斷結果為否，則通過液晶顯示器提示目的節點 不可達；否則，自動査詢與目的IP位址相連埠的MTU，並判斷待發送的 原始IP數據報的長度是否大於和目的IP位址相連埠的MTU的大小，如果 判斷結果為是，則通過液晶顯示器提示需要分片，然後對待發送的IP數據報 報文進行分片；否則直接發送原始IP數據報到目的IP位址。在步驟D中，在主節點1對待發送的IP數據報進行分片的過程為微處理器通過液晶顯示器提示構造分片IP數據報，然後通過鍵盤輸入需要配置的參數，包括4位版本號、首部長度、生存時間、協議、首部校驗和、源IP 地址、目的IP位址和分片數據報的數據，其中所述分片IP數據報中除最後 一片外，其餘分片IP數據報的數據欄位長度為8的整倍數，並且每一片分片 IP數據報的報文長度應等於或小於主節點1與目的IP位址相連接埠的 MTU大小；主節點1的微處理器判斷鍵盤輸入的數據是否合法並且正確，如 果判斷結果為是，則存儲、發送構造完成的分片IP數據報，然後開始構造、 發送下一個分片IP數據報，直到發送完最後一個分片IP數據報，所述最後 一個分片IP數據報的標誌欄位為000;否則，提示重新構造分片IP數據報， 重複上述步驟。除第一片IP數據報的數據欄位需包含UDP首部外，其餘分片IP數據報 的數據欄位均無需包含UDP首部，並且每一片分片數據報的構造、發送過程 相同，直到把原始IP數據報中的數據全部發送完畢。為了使操作者更直觀的了解IP數據報的分片過程，在步驟D中，每完 成一次分片獲得分片IP數據報、並發送完所述分片IP數據報之後，等待接 收目的節點顯示接收成功信息之後，再進行下一次分片過程。在步驟E中，第二從節點3從網絡總線上逐一接收主節點1發送的分片 IP數據報之後，通過液晶顯示器顯示接收到的分片數據報中的標識、標誌、 片偏移三個關鍵參數。所述三個關鍵參數是在進行分片IP數據重組的過程中 需要用到的、操作者應該記錄的參數。在步驟E中，當第二從節點3接收完所有的分片IP數據報之後，開始重 組IP數據報，微處理器通過第二從節點3的液晶顯示器提示需要填寫的參數， 所述參數包括每個分片IP數據報的標識、標誌和片偏移，微處理器判斷鍵盤 輸入的參數是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則根據填寫的參數對接 收到的分片IP數據報進行重組，否則，提示重新輸入參數，重複上述步驟進 行重組IP數據報。本實施方式中，各個節點對鍵盤輸入數據的合法性、正確性的判斷，是 微處理器在提示輸入相應信息之前，將需要輸入的數據計算出來並存儲，然 後為用戶分配臨時存儲區來存儲通過鍵盤輸入的數據，當用戶填充完畢後，微處理器將鍵盤輸入的數據與系統計算出的正確結果相比較，若相同則進行 數據欄位數值的填充，然後繼續下一步工作，如果不相同，則提示輸入錯誤 並重新輸入。本系統通過這種方法保證用戶輸入數據的正確性。各個節點的數據發送過程為，節點的微處理器將待發送的數據封裝成以 太網數據幀，然後通過數據總線寫入乙太網控制器中的發送緩衝區中，所述 乙太網控制器在接到微處理器發出的發逸命令後將該數據通過乙太網接口模 塊發送到網絡總線上。本實施方式中各個節點中的微控制器採用S3C44B0X型微處理器，以太 網控制器11採用RTL8019AS型乙太網控制器。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一所述的IP數據報的分片 與重組過程的教學實驗方法的區別在於，在步驟B中建立的原始IP數據報 的長度為588位元組；所述原始IP數據報參見圖4所示；在步驟D中，由於原始IP數據報的長度588位元組大於主節點1與第二 從節點3相連接口的MTU的296位元組，所以需要將原始IP數據報分片；第 一片IP數據報參見圖5，第一片數據報的報文長度小於主節點1與第二從節 點3相連接口的MTU，為292位元組，第二片IP數據報中所攜帶數據為原始 IP數據報中數據去掉第一片IP數據報中的數據剩餘的數據，長度為276個 字節。本實施方式中，各個節點在通過液晶顯示器採用圖形化方式提示需要輸 入的信息，並採用"x"標識出需要用戶通過鍵盤設置的欄位，其他欄位由系 統自動填充。其中在IP數據報由微處理器自動填寫數據欄位中的UDP (用 戶數據報協議User Datagram Protocol)首部和用戶數據。在整個IP數據報 的配置過程中，使用者只需要利用鍵盤選擇相應的欄位，然後輸入相應的數 值即可，整個過程非常直觀。
權利要求
1、IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法，是通過以下裝置實現的，所述裝置由網絡總線(20)、主節點(1)和兩個從節點組成，主節點(1)和兩個從節點都連接在網絡總線(20)上，所述主節點(1)是實現IP數據報報文分片和報文路由功能，兩個從節點中的第一從節點(2)實現構造原始IP數據報報文的功能，第二從節點(3)負責接收分片後的IP數據報報文，並將分片後的報文進行重組的功能，所述主節點和兩個從節點的結構相同，均是由微處理器(10)、鍵盤(13)、乙太網控制器(11)、乙太網接口電路(12)、液晶顯示器(14)組成，鍵盤(13)的信號輸出端和微處理器(10)的鍵盤數據輸入端連接，液晶顯示器(14)的信號輸入端和所述微處理器(10)的液晶顯示數據輸出端連接，所述微處理器(10)的I/O口通過乙太網控制器(11)、乙太網接口電路(12)與網絡總線(20)連接，其特徵在於，使用所述裝置進行教學實驗的具體步驟為步驟A、分別配置主節點(1)、第一從節點(2)和第二從節點(3)的通信參數，其中第一從節點(2)的IP位址設置在第一子網內，第二從節點(3)的IP位址設置在第二子網內，主節點(1)設置成路由節點，設置主節點(1)與第一子網相連接口的MTU為1500位元組，所述主節點(1)與第二子網相連接口的MTU為296位元組；步驟B、在第一從節點(2)上構造原始IP數據報；步驟C、發送步驟B構造完成的原始IP數據報給第二從節點(3)；步驟D、主節點(1)接收到原始IP數據報，比較原始IP數據報的報文長度是否大於主節點(1)與第二從節點(3)的連接接口的MTU大小，如果大於，則對接收到的原始IP數據報進行分片並發送，否則直接發送原始IP數據報給第二從節點(3)；步驟E、在第二從節點(3)上將接收到的分片IP數據報報文進行重組。
2、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟A中，主節點參數的配置過程為將主節點(1)作為路 由節點，在主節點(1)的液晶顯示器的提示下，通過主節點(1)的鍵盤輸入 通信參數，所述通信參數有乙太網物理地址、IP位址以及分別與第一從節點(2)、第二從節點(3)相連接口的MTU，其它配置由主節點(1)的微處理 器自動配置完成，數據輸入完成之後，主節點(1)的微處理器判斷鍵盤輸入 的參數是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則通過主節點(1)向網絡廣播所設置的物理地址和IP位址。
3、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟A中，第一從節點(2)和第二從節點(3)的參數的配置 過程相同，具體過程為通過節點的液晶顯示器提示，通過節點的鍵盤輸入節 點的乙太網物理地址和IP位址信息，信息輸入完畢後，節點的微處理器判斷鍵 盤輸入的數據是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則節點參數配置完成， 通過節點液晶顯示器顯示配置完成的參數；否則，提示重新輸入參數；所述數 據的合法與正確，包括所輸入的物理地址或IP位址是否與已設定的節點的物理 地址或IP位址相同，如果相同則數據不合法。
4、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟B中在第一從節點(2)上構造原始IP數據報報文的過程 為通過液晶顯示器提示需要輸入的參數，通過鍵盤輸入相應參數構造原始IP 數據報，需要輸入的參數包括4位版本號、首部長度、片偏移、生存時間、 協議、首部檢驗和、源IP位址和目的IP位址，所述目的IP位址是第二從節點(3)的IP位址信息；微處理器(10)判斷鍵盤輸入的數據是否合法並且正確， 如果判斷結果為是，則根據鍵盤輸入的數據構造IP數據報，否則通過液晶顯示 器提示重新輸入參數，然後重複上述步驟。
5、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟C中，第一從節點(2)發送原始IP數據報報文的過程為 通過第一從節點(2)的鍵盤啟動報文的發送過程，當第一從節點(2)的微處 理器接收到鍵盤發送的發送信息後，首先自動進行路由表搜索，確定目的IP 地址與第一從節點(2)不在同一個最小子網內，然後將步驟B中構造好的原 始IP數據報封裝成乙太網數據幀，發送給網絡中的默認路由器主節點(1)。
6、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟D中，主節點(1)接收IP數據報報文的過程為通過網 絡總線接收第一從節點(2)發送的原始IP數據報，微處理器根據接收到的原 始IP數據報中的目的IP位址信息，自動搜索路由表，判斷原始IP數據報中的 目的IP位址是否在路由表中，如果判斷結果為否，則通過液晶顯示器提示目的 節點不可達；否則，自動查詢與目的IP位址相連埠的MTU，並判斷待發送 的原始IP數據報的長度是否大於和目的IP位址相連埠的MTU的大小，如 果判斷結果為是，則通過液晶顯示器提示需要分片，然後對待發送的IP數據報報文進行分片；否則直接發送原始IP數據報到目的IP位址。
7、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟D中，在主節點(1)對待發送的IP數據報進行分片的過 程為微處理器通過液晶顯示器提示構造分片IP數據報，然後通過鍵盤輸入需 要配置的參數，包括4位版本號、首部長度、生存時間、協議、首部校驗和、 源IP位址、目的IP位址和分片數據報的數據，其中所述分片IP數據報中除最 後一片外，其餘分片IP數據報的數據欄位長度為8的整倍數，並且每一片分片 IP數據報報文長度應等於或小於主節點(1)與目的IP位址相連接埠的MTU 大小；主節點(1)的微處理器判斷鍵盤輸入的數據是否合法並且正確，如果 判斷結果為是，則存儲、發送構造完成的分片IP數據報，然後開始構造、發送 下一個分片IP數據報，直到發送完最後一個分片IP數據報，所述最後一個分 片IP數據報的標誌欄位為000;否則，提示重新構造分片IP數據報，重複上 述步驟。
8、 根據權利要求7所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，主節點(1)每完成一次分片獲得分片IP數據報、並發送完所述 IP數據報之後，等待目的節點顯示的接收成功的信息之後，再進行下一次分片 過程。
9、 根據權利要求1所述的IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法， 其特徵在於，在步驟E中，當第二從節點.(3)接收完所有的分片IP數據報之 後，開始重組IP數據報，微處理器通過第二從節點(3)的液晶顯示器提示需 要填寫的參數，所述參數包括每個分片IP數據報的標識、標誌和片偏移，微處 理器判斷鍵盤輸入的參數是否合法並且正確，如果判斷結果為是，則根據填寫 的參數對接收到的分片IP數據報進行重組，否則，提示重新輸入參數，重複上 述步驟進行重組IP數據報。
10、 根據權利要求2、 3、 4、 7或8所述的IP數據報的分片與重組過程 的教學實驗方法，其特徵在於所述鍵盤輸入的參數是否合法並且正確的判斷方 法為，節點中的微處理器在通過液晶顯示器提示輸入相應信息之前，將需要輸 入的數據計算出來並存儲，然後為用戶分配臨時存儲區來存儲通過鍵盤輸入的 數據，當用戶填充完畢後，微處理器將鍵盤輸入的數據與系統計算出的正確結 果相比較，如果相同則進行數據欄位數值的填充，認為數據合法並正確；如果 不相同，則認為數據不合法或者不正確，提示輸入錯誤並重新輸入。
全文摘要
IP數據報的分片與重組過程的教學實驗方法，涉及一種教學試驗方法。它解決了現有教學中採用文字描述與圖解來講解抽象複雜的IP數據報的分片與重組的原理和工作過程而使學生不易接受和理解的問題。將第一從節點的IP位址和第二從節點的IP位址設置為分別屬於兩個子網，主節點設置成路由節點，主節點與兩個從節點相連接口的MTU分別為1500位元組和296位元組；在第一從節點上構造原始IP數據報，並發送給第二從節點；主節點對原始IP數據報進行判斷是否需要進行分片，如果需要則將原始IP數據報進行分片並發送，第二從節點接收並重組分片IP數據報。本發明通過讓學習者參與IP數據報分片與重組的過程而了解、熟悉IP數據報分片與重組過程。它適用各類教育機構的教學系統。
文檔編號G09B25/00GK101226700SQ200810063930
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月28日 優先權日2008年1月28日
發明者佟為明, 勇 劉, 李中偉, 林景波, 晶 趙, 趙志衡, 蕾 高 申請人:哈爾濱工業大學