第3講_網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其設(shè)計方法

1、1 第第3 3講講 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其設(shè)計方法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其設(shè)計方法2內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例4 協(xié)議標準化協(xié)議標準化5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法7 協(xié)議形式化描述技術(shù)協(xié)議形式化描述技術(shù) 3協(xié)議基本概念協(xié)議基本概念v 協(xié)議是某一種活動或行為所遵守的準則，是有關(guān)各方協(xié)議是某一種活動或行為所遵守的準則，是有關(guān)各方事先約定好的和必須遵守的規(guī)則。事先約定好的和必須遵守的規(guī)則。v 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為網(wǎng)絡(luò)中互相通信的對等實體間進行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定，規(guī)定信號的傳輸

2、方式及其意義，是計算機網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組成部分，保證實體在計算機網(wǎng)絡(luò)中有條不紊地交換數(shù)據(jù)。v 實體(Entity)是指任何可以發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程，在大多數(shù)情況下，就是一個特定的軟件進程。v 位于不同系統(tǒng)的同一層次內(nèi)交互的實體，就構(gòu)成了對等實體。 4協(xié)議基本概念（協(xié)議基本概念（Cont.）v 英格蘭國家物理實驗室英格蘭國家物理實驗室NPL(National Physical Laboratory)的的R.A. Scantlebury和和K.A.Bartlett在一份備在一份備忘錄忘錄( (A protocol for use in the NPL data communications

3、 network) )中最早將中最早將“協(xié)議協(xié)議(protocol)”一詞用于描述數(shù)據(jù)一詞用于描述數(shù)據(jù)通信過程。（通信過程。（19671967年年4 4月，月，19691969年年ARPNETARPNET開始運行）開始運行） “協(xié)議是關(guān)于分布式系統(tǒng)進行信息交換時的一種約定，協(xié)議是關(guān)于分布式系統(tǒng)進行信息交換時的一種約定，協(xié)議應(yīng)按照語言的方式進行定義。協(xié)議應(yīng)按照語言的方式進行定義?！?v 基于他們的觀點：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是具有規(guī)定文法、語法和基于他們的觀點：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是具有規(guī)定文法、語法和語義的語言，其中，語義的語言，其中，文法文法給出了有效信息的精確格式，給出了有效信息的精確格式，語法語法描述了數(shù)據(jù)交

4、換的規(guī)則，描述了數(shù)據(jù)交換的規(guī)則，語義語義規(guī)定了可交換信息的規(guī)定了可交換信息的詞匯及其含義。詞匯及其含義。5協(xié)議基本概念（協(xié)議基本概念（Cont.）v 協(xié)議三要素協(xié)議三要素( (從語言的角度來理解協(xié)議從語言的角度來理解協(xié)議) )：語法（語法（SyntaxSyntax）：協(xié)議元素的結(jié)構(gòu)或格式）：協(xié)議元素的結(jié)構(gòu)或格式（怎么表達）（怎么表達）。語義（語義（SemanticsSemantics）：協(xié)議元素的類型，具體發(fā)出何種信息）：協(xié)議元素的類型，具體發(fā)出何種信息和采取何種動作（和采取何種動作（什么含義什么含義）。）。同步（同步（TimingTiming）：相關(guān)事件實現(xiàn)的嚴格順序）：相關(guān)事件實現(xiàn)的嚴格順

5、序（前后關(guān)系）（前后關(guān)系）。 v 五個基本要素五個基本要素( (從功能實現(xiàn)的角度從功能實現(xiàn)的角度) )：服務(wù)說明服務(wù)說明環(huán)境假設(shè)環(huán)境假設(shè)協(xié)議詞匯（消息類型）協(xié)議詞匯（消息類型）消息的編碼格式消息的編碼格式過程規(guī)則過程規(guī)則6協(xié)議基本概念：語法協(xié)議基本概念：語法v 在語言學(xué)中，語法是指語言組成成分在語言學(xué)中，語法是指語言組成成分(詞、句等詞、句等)之間以之間以按照什么樣的關(guān)系結(jié)合而構(gòu)成語句或語言，也即是語按照什么樣的關(guān)系結(jié)合而構(gòu)成語句或語言，也即是語言的結(jié)構(gòu)方法和構(gòu)成規(guī)則。言的結(jié)構(gòu)方法和構(gòu)成規(guī)則。v 在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，可以將交換的報文在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，可以將交換的報文( (也稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單也稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單

6、元元PDU)PDU)分為兩種：用于傳輸用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文和用分為兩種：用于傳輸用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文和用于協(xié)議控制的控制報文。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的于協(xié)議控制的控制報文。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的語法體現(xiàn)在數(shù)語法體現(xiàn)在數(shù)據(jù)報文據(jù)報文 ( (包括其中的控制信息，通常在報文的首部包括其中的控制信息，通常在報文的首部) )和和各種控制報文的結(jié)構(gòu)和格式上各種控制報文的結(jié)構(gòu)和格式上，也即是規(guī)定報文的長，也即是規(guī)定報文的長度，報文中劃分多少個域度，報文中劃分多少個域(Field)(Field)，每個域的名稱、意，每個域的名稱、意義、數(shù)據(jù)類型、長度等。其中，報文中各個域的類型、義、數(shù)據(jù)類型、長度等。其中，報文中各個域的類型、長度及相互

7、間的位置、順序關(guān)系則構(gòu)成了長度及相互間的位置、順序關(guān)系則構(gòu)成了詞法詞法。詞法。詞法也是語法的一個組成部分。也是語法的一個組成部分。 7協(xié)議基本概念：語義協(xié)議基本概念：語義v 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語義可以理解為協(xié)議數(shù)據(jù)報文中的控制信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語義可以理解為協(xié)議數(shù)據(jù)報文中的控制信息和控制報文所約定的含義，即需要發(fā)出何種控制信息和控制報文所約定的含義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)。息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)。v 例如：例如：報文首部控制信息中的目的地址信息指明了報文的目的地，報文首部控制信息中的目的地址信息指明了報文的目的地，接收到此報文的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點均將其作為進行路由選擇的依據(jù)，接

8、收到此報文的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點均將其作為進行路由選擇的依據(jù)，因而在首部控制信息中特定域內(nèi)出現(xiàn)的目標結(jié)點地址就是一因而在首部控制信息中特定域內(nèi)出現(xiàn)的目標結(jié)點地址就是一種語義。種語義。 為了實現(xiàn)有連接的傳輸服務(wù)，設(shè)計了一套實現(xiàn)連接的控制報為了實現(xiàn)有連接的傳輸服務(wù)，設(shè)計了一套實現(xiàn)連接的控制報文。發(fā)起連接方構(gòu)造一個請求連接的協(xié)議控制報文，這個文。發(fā)起連接方構(gòu)造一個請求連接的協(xié)議控制報文，這個“請求連接請求連接”就是該控制報文的語義。收端收到這個控制報就是該控制報文的語義。收端收到這個控制報文后，根據(jù)已知的格式分析規(guī)定域中報文編碼就可了解這個文后，根據(jù)已知的格式分析規(guī)定域中報文編碼就可了解這個“請求連接請求連接”

9、的語義，從而作出的語義，從而作出“允許連接允許連接”或或“拒絕連接拒絕連接”的響應(yīng)。的響應(yīng)。8協(xié)議基本概念：語義（協(xié)議基本概念：語義（Cont.）v例如：例如：“允許連接允許連接”報文和報文和“拒絕連接拒絕連接”報文的格式和語報文的格式和語義也是協(xié)議中約定好的，通信雙方通過這些約定語義也是協(xié)議中約定好的，通信雙方通過這些約定語義的控制報文按一定時序關(guān)系進行交換即可實現(xiàn)建義的控制報文按一定時序關(guān)系進行交換即可實現(xiàn)建立連接的功能和提供有連接服務(wù)。立連接的功能和提供有連接服務(wù)。 在協(xié)議中常使用的在協(xié)議中常使用的“數(shù)據(jù)收到確認數(shù)據(jù)收到確認”報文報文(ACK(ACK報報文文) )、“出錯通知出錯通知”報

10、文、報文、“緊急通知緊急通知”報文等均報文等均可看成為具有特定語義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語句，即協(xié)議可看成為具有特定語義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的語句，即協(xié)議的組成部分。的組成部分。 9協(xié)議基本概念：同步協(xié)議基本概念：同步v 簡單地說，同步是指事件實現(xiàn)順序的詳細說明。簡單地說，同步是指事件實現(xiàn)順序的詳細說明。 v 具體來說，同步是指通信過程中各種控制報文傳送的具體來說，同步是指通信過程中各種控制報文傳送的順序關(guān)系，例如順序關(guān)系，例如“允許連接允許連接”或或“拒絕連接拒絕連接”報文必報文必須是作為請求連接報文的一種響應(yīng)來發(fā)送，須是作為請求連接報文的一種響應(yīng)來發(fā)送，“拆除連拆除連接接”報文也必須在建立連接后的某種條件下發(fā)

11、送，等報文也必須在建立連接后的某種條件下發(fā)送，等等。等。v 這種控制報文發(fā)送的時序關(guān)系，也決定了通信雙方所這種控制報文發(fā)送的時序關(guān)系，也決定了通信雙方所處的通信狀態(tài)處的通信狀態(tài)( (發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、等待狀態(tài)等發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、等待狀態(tài)等) )的的制約關(guān)系，所以常用通信雙方的有限狀態(tài)機的方法來制約關(guān)系，所以常用通信雙方的有限狀態(tài)機的方法來描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 v 在有些文獻中，也將這種同步關(guān)系視為協(xié)議語法的一在有些文獻中，也將這種同步關(guān)系視為協(xié)議語法的一部分。部分。 10協(xié)議相關(guān)定義：進一步延伸協(xié)議相關(guān)定義：進一步延伸v進一步延伸為計算機通信協(xié)議。進一步延伸為計算機通信協(xié)議。 v協(xié)

12、議是協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)中各種中各種通信實通信實體體或或進程間進程間相互交換信息時必須遵守的一組規(guī)相互交換信息時必須遵守的一組規(guī)則或約定則或約定。v網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程中的許多技術(shù)和方法可應(yīng)用到分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程中的許多技術(shù)和方法可應(yīng)用到分布式系統(tǒng)中進程間通信協(xié)議的設(shè)計活動中。布式系統(tǒng)中進程間通信協(xié)議的設(shè)計活動中。 11協(xié)議相關(guān)定義：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)協(xié)議相關(guān)定義：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)v大量研究和實踐經(jīng)驗表明，對于非常復(fù)雜的計大量研究和實踐經(jīng)驗表明，對于非常復(fù)雜的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其結(jié)構(gòu)應(yīng)采用層次式的。算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其結(jié)構(gòu)應(yīng)采用層次式的。 v在計算機網(wǎng)絡(luò)中，將在計算機網(wǎng)絡(luò)中，將計算機網(wǎng)絡(luò)的計

13、算機網(wǎng)絡(luò)的各層各層及其及其協(xié)協(xié)議議的集合的集合，稱為網(wǎng)絡(luò)的，稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)(architecture)。ISOISO的的OSI/RMOSI/RM（開放系統(tǒng)互連（開放系統(tǒng)互連/ /參考模型）參考模型）IBMIBM的的SNASNA（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）DECDEC的的DNADNA（分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）（分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）IETFIETF的的TCP/IPTCP/IP 12內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例4 協(xié)議標準化協(xié)議標準化5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計

14、方法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法7 協(xié)議形式化描述技術(shù)協(xié)議形式化描述技術(shù)13協(xié)議的發(fā)展：早期的協(xié)議協(xié)議的發(fā)展：早期的協(xié)議v 戰(zhàn)爭中的烽火通信、敲鼓和鳴鑼戰(zhàn)爭中的烽火通信、敲鼓和鳴鑼 v 改進的火炬通信（兩組，每組五個火炬）改進的火炬通信（兩組，每組五個火炬）v 美國革命戰(zhàn)爭使用的懸掛不同物品的旗桿美國革命戰(zhàn)爭使用的懸掛不同物品的旗桿v Chappe的反射信號系統(tǒng)（一個調(diào)節(jié)器和兩個指示器的反射信號系統(tǒng)（一個調(diào)節(jié)器和兩個指示器）v 百葉窗通信系統(tǒng)（多扇百葉窗構(gòu)成簡單百葉窗通信系統(tǒng)（多扇百葉窗構(gòu)成簡單0、1序列序列）。）。v Telegraph，節(jié)省成本和提高速度。，節(jié)省成本和提高速度。v Firstly us

15、ed on several lines of the Great Western Railways in England v Purpose: avoid more than one train is in the tunnel at the same time.14火炬通信火炬通信協(xié)議的發(fā)展：早期的協(xié)議協(xié)議的發(fā)展：早期的協(xié)議反射信號系統(tǒng)反射信號系統(tǒng)百葉窗通信系統(tǒng)百葉窗通信系統(tǒng)15協(xié)議的發(fā)展：電報協(xié)議的發(fā)展：電報(Telegraph)v 1753，C.M給給Scots雜志的信中描述了一個使用一些平行電雜志的信中描述了一個使用一些平行電線來通信的電子電報。線來通信的電子電報。v 1830，英國，

16、英國Michael Faraday和美國和美國Joseph Henry發(fā)現(xiàn)了電發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。磁感應(yīng)。v 1837，William Cooke利用電流來使處在接收端磁場中的利用電流來使處在接收端磁場中的羅盤指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而得到信號。羅盤指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而得到信號。v 1837年年6月月12日，第一個電報系統(tǒng)的專利，日，第一個電報系統(tǒng)的專利，“五磁針信號五磁針信號系統(tǒng)系統(tǒng)”。v 1842年，年，Cooke“火車可以無所畏懼地行駛，而無論時間火車可以無所畏懼地行駛，而無論時間是否正確，也不管其是否在正確的軌道上，因為在使用該是否正確，也不管其是否在正確的軌道上，因為在使用該系統(tǒng)后，其速率總可以及

17、時地降下來，從而避免碰撞系統(tǒng)后，其速率總可以及時地降下來，從而避免碰撞”。16協(xié)議的發(fā)展：現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議的發(fā)展：現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議vIBM SNA、ISO OSI/RM和和DoD TCP/IP等著名等著名體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議已發(fā)揮了不可估量的作用；體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議已發(fā)揮了不可估量的作用；vSNA是協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的開拓者；是協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的開拓者；vOSI/RM是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的指路燈；是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的指路燈；vTCP/IP是目前盛行的實事上的工業(yè)標準；是目前盛行的實事上的工業(yè)標準；vXTP、VMTP、IPv6和和NETBLT的出現(xiàn)，將使的出現(xiàn)，將使計算機網(wǎng)絡(luò)進入一個高性能的時代。計算機網(wǎng)絡(luò)進入一個高性能的時代。 17協(xié)

18、議的類別協(xié)議的類別v鏈路協(xié)議鏈路協(xié)議v網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 v傳輸協(xié)議傳輸協(xié)議v應(yīng)用協(xié)議應(yīng)用協(xié)議v控制協(xié)議控制協(xié)議v信令協(xié)議信令協(xié)議v接口協(xié)議接口協(xié)議v管理維護協(xié)議管理維護協(xié)議v18協(xié)議五要素說明協(xié)議五要素說明（Lynch簡單文件傳送協(xié)議）簡單文件傳送協(xié)議）v服務(wù)說明服務(wù)說明 通過電話線傳輸文本文件，一個發(fā)送端和一個接收端、通過電話線傳輸文本文件，一個發(fā)送端和一個接收端、全雙工通信全雙工通信v環(huán)境假設(shè)環(huán)境假設(shè) 包括兩個用戶和一條傳輸通道，用戶僅需提交文件傳包括兩個用戶和一條傳輸通道，用戶僅需提交文件傳送請求，傳輸通道可能引起消息出錯，但不會造成消送請求，傳輸通道可能引起消息出錯，但不會造成消息丟失

19、和復(fù)制，并可檢測出錯誤的消息息丟失和復(fù)制，并可檢測出錯誤的消息v協(xié)議詞匯協(xié)議詞匯 定義了三種消息（報文）定義了三種消息（報文）ack（肯定確認的消息）、（肯定確認的消息）、nak（否定確認的消息）和（否定確認的消息）和err（傳輸錯誤的消息）（傳輸錯誤的消息）19協(xié)議五要素說明協(xié)議五要素說明（Lynch簡單文件傳送協(xié)議）簡單文件傳送協(xié)議）v消息的編碼格式消息的編碼格式 包含兩個部分：控制字段和數(shù)據(jù)字段包含兩個部分：控制字段和數(shù)據(jù)字段 con_tag，data enum control ack, nak, err struct message enum control con_tag; unsi

20、gned char data; v過程規(guī)則（自然語言描述）過程規(guī)則（自然語言描述） （1）如果收端收到正確消息，則在回送的消息中加入）如果收端收到正確消息，則在回送的消息中加入ack；否則收到了錯誤消息，則反饋的消息中加入否則收到了錯誤消息，則反饋的消息中加入nak。 （2）如果發(fā)端收到帶有）如果發(fā)端收到帶有nak的消息，則重傳上一個消息，否的消息，則重傳上一個消息，否則發(fā)送下一個消息。則發(fā)送下一個消息。20Lynch簡單文件傳送協(xié)議的工作流程圖簡單文件傳送協(xié)議的工作流程圖注釋：注釋：next:o表示取出將要傳送的下一個數(shù)據(jù)項；表示取出將要傳送的下一個數(shù)據(jù)項； i表示輸入，表示輸入，o表示輸出

21、表示輸出Next: ostartreceiveack: onak: iack: inak: oerr: iack: oNext: o21內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例4 協(xié)議標準化協(xié)議標準化5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法7 協(xié)議形式化描述技術(shù)協(xié)議形式化描述技術(shù)22協(xié)議缺陷示例協(xié)議缺陷示例:克萊頓隧道事故克萊頓隧道事故23協(xié)議缺陷示例：技術(shù)協(xié)議缺陷示例：技術(shù)(Technology)v semaphores with block-interval system(空

22、閑空閑/阻塞信號阻塞信號系統(tǒng)系統(tǒng))turn green signal to red automatically as a train passesset to green by hand afterwardsv signalmen on both ends linked by telegraphic linev malfunction of block-interval system signalled by a bellv red and white flags to replace malfunctioning semaphore24協(xié)議缺陷示例：報文協(xié)議缺陷示例：報文(Messages)

23、vMessage:TT: Train in Tunnel（火車在隧道中）（火車在隧道中）TF: Tunnel is Free（隧道已空）（隧道已空）TL: Has Train left the Tunnel?（火車離開隧道否？）（火車離開隧道否？）25協(xié)議缺陷示例：差錯控制機制協(xié)議缺陷示例：差錯控制機制vError Free Functioning（正常情況）（正常情況）train enters tunnel, signalman A sends TT to Btrain leaves the tunnel, B sends TF to AA sets semaphore to green b

24、y handvUnder Error Situation（故障情況）（故障情況）train enters tunnel, A sends TT to Bbell rings, A shows red flag to next traintrain leaves the tunnel, B sends TF to AA shows white flag to next train26協(xié)議缺陷示例：事故協(xié)議缺陷示例：事故(Accident)vOne day in August 1861 at Clayton Tunnel.train-1 enters tunnel, block-interval

25、system fails(fails to set the signal to red), so the bell warns signalman A, thenA sends TT to B, then fetches the red flag to warn the next train.train-2 comes too fast, could not stop in time, and has already passed the green signal. Fortunately, its driver glimpse the red flag just in time as he

26、enters the tunnel.train-3 sees the red flag and stops before the tunnel entrance.27協(xié)議缺陷示例：事故（協(xié)議缺陷示例：事故（Accident) A sends another TT to B (for train-2), wish to notify B B does not understand second TT(because the protocol did not account for this event so the meaning of two sbusequent TT had not bee

27、n specified.) A sends TL (has the train left the tunnel?)to B28協(xié)議缺陷示例：事故（協(xié)議缺陷示例：事故（Accident) B sees train-1 has left and sends TF A thinks two trains left the tunnel and shows white flag to train-3 However, train-2 had seen red flag before, is afraid and tries to return to position A After some deli

28、beration.29協(xié)議缺陷示例：事故（協(xié)議缺陷示例：事故（Accident)vResult train-3 and train-2 crashed: 21 people died and 176 got injured The set of instructions given to the signalmen was incomplete, which leads to the accident30協(xié)議缺陷示例：教訓(xùn)（協(xié)議缺陷示例：教訓(xùn)（Lessons）v “One can almost hear the same comment being made time after time.I

29、 could not imagine that could ever happen. Yet bitter experience showed that it could, and gradually the regulations and railway engineering practice were elaborated.”vProtocol: Use Under normal circumstances and that allowed for a safe recovery from unexpected events.31協(xié)議缺陷示例：教訓(xùn)（協(xié)議缺陷示例：教訓(xùn)（Lessons）v

30、even the most simple protocols may contain errorsvIt is the unexpected sequences of events that lead to protocol failures, and the hardest problem in protocol design is precisely that we must try to expect the unexpected.vprotocols must be fully verified before they are put in operationvtechniques t

31、o design, analyze and verify protocols are necessary32內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例4 協(xié)議標準化協(xié)議標準化5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法7 協(xié)議形式化描述技術(shù)協(xié)議形式化描述技術(shù)33協(xié)議標準化協(xié)議標準化vWhat are standards?Standards are documented agreements containing technical specifications to be used c

32、onsistently as rules, guidelines, or definitions of characteristics, to ensure that materials, products, processes and services are fit for their purposeInternational Standards contribute to making life simpler, and to increasing the reliability and effectiveness of the goods and services we useIndu

33、stry-wide standardization is a condition existing within a particular industrial sector when the large majority of products or services conform to the same standards34標準的定義和分類標準的定義和分類v 定義 名詞術(shù)語的定義 部件的分類 材料、性能或操作的規(guī)范 規(guī)程的描述 數(shù)量和質(zhì)量的測量等 .v 分類 “de facto”(事實上的) “de jure”(法律上的)標準是一組規(guī)定的規(guī)標準是一組規(guī)定的規(guī)則、條件或要求。則、條件或要

34、求。事實上的標準是無計事實上的標準是無計劃而客觀形成的。劃而客觀形成的。“法定法定”標準是某些權(quán)標準是某些權(quán)威標準化機構(gòu)制定的威標準化機構(gòu)制定的正式、合法的標準。正式、合法的標準。35協(xié)議標準化（協(xié)議標準化（Cont.）vWhy Push For Standardization?The aim is to facilitate trade, exchange and technology transfer throughEnhanced product quality and reliability at a reasonable price.Greater compatibility and

35、 interoperability of goods and services.Simplification for improved usability.Increased distribution efficiency, and ease of maintenance36協(xié)議標準化（協(xié)議標準化（Cont.）vWhat does a standard look like? - ISO explains the major components of their standards documents:It can be anything from a one-page document to

36、 a 1000-page tome（冊、卷）（冊、卷）, including twice the length of the standard itself in informative annexes（附件）（附件）It may specify the tasks that a certain range of equipment must be able to perform, or describe in detail an apparatus and its safety features37協(xié)議標準化（協(xié)議標準化（Cont.）vWhat makes up a standard? It

37、 may contain:SymbolsDefinitionsDiagramsCodesTest methods38協(xié)議標準化（協(xié)議標準化（Cont.）vOrganization for Standardization for Protocols International Organization for Standardization (ISO) 國際電報電話咨詢委員會國際電報電話咨詢委員會 (CCITT)International Telecommunications Union (ITU-T)Internet Engineering Task Force (IETF) Institut

38、e of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)Institute of Electrical Engineers (IEE) World Wide Web Consortium (W3C)Association for Computing Machinery (ACM)Asynchronous Transfer Mode Forum (ATM Forum)American National Standards Institute (ANSI)39Timing: Its important for standardsvMIT D. Clarks

39、“apocalypse(啟示啟示) of the two elephants”The best period for standardization is between burst of research and burst of marketingThe period is very shortTCP/IP already entrenched by mid/late eightiesOSI/RM is put up in the burst of marketing of TCP/IP40標準化的時機標準化的時機關(guān)鍵：在兩個駝峰之間的低谷階段制定標準關(guān)鍵：在兩個駝峰之間的低谷階段制定標準

40、時間時間活動活動 投資投資研究研究制定標準制定標準41Examples: OSI/RM ProblemsvTannenbaum（泰倫鮑姆泰倫鮑姆）:Bad technologyBad timingBad implementationBad politics42Bad technologyv Model and protocol flawedv Standardized before implementedDesign by committee without implementation vs. design by implementors/researchers/engineersBound

41、aries somewhat arbitraryTop three layers not clear(application, presentation, session)v Why seven layers? Many fundamental issues can be addressed at multiple layersReliabilityFlow controlSecurityAddressing/naming43Bad timingvMIT D. Clarks “apocalypse(啟示啟示) of the two elephants”Technology activity v

42、s. time to standardizationvTCP/IP already entrenched by mid/late eighties44Bad implementationsvComplexity huge & slow implementations (考慮大而全，要全部實現(xiàn)就苯拙且效率低考慮大而全，要全部實現(xiàn)就苯拙且效率低)vCompetitor (BSD TCP/IP) was good, free, and easy to deploy45Bad politicsvPushed by European Community and U.S. governmentvN

43、egative image of government dictating standardsRemember “Clipper Chip（剪取器芯片剪取器芯片. 一種可以放一種可以放置在電話內(nèi)用來對通話進行擾頻以防竊聽的有置在電話內(nèi)用來對通話進行擾頻以防竊聽的有爭議的編碼裝置）爭議的編碼裝置）”46TCP/IP: Featuresv Layering not strict - only where appropriateCan define new abstractions on top of any existing protocolIP/UDP provides simple “send

44、 a packet” serviceEx: SNMP, DNS, IP phone, etc. v Hourglass shapeIP centerpiecev Design and implementation go hand-in-handIETF requires two independent, interoperable implementations before standardizationThe “dogma（教義）（教義）”: We reject kings, presidents, and voting. We believe in rough consensus （大體

45、一致（大體一致 ）and working code. - D. Clark47內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和要素3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷示例4 協(xié)議標準化協(xié)議標準化5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計方法7 協(xié)議形式化描述技術(shù)協(xié)議形式化描述技術(shù)48網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程：Why?網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求的提高應(yīng)用的多樣性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多樣性導(dǎo)致在協(xié)議方面的體現(xiàn)復(fù)雜性分布性并發(fā)性異步性不穩(wěn)定性多樣性完整性正確性安全性可移植性標準化使得直覺的設(shè)計方法不能保證協(xié)議的協(xié)議工程協(xié)議工程(Protocol Engineeri

46、ng)軟件工程的經(jīng)驗網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)模提升49協(xié)議工程概念協(xié)議工程概念v隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求的提高，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求的提高，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性在協(xié)議方面體現(xiàn)出在協(xié)議方面體現(xiàn)出空間分布性空間分布性、并發(fā)性并發(fā)性、異步異步性性、不穩(wěn)定性不穩(wěn)定性和和多樣性多樣性，高質(zhì)量的通信協(xié)議再，高質(zhì)量的通信協(xié)議再也不可能靠人工直覺的方法來設(shè)計；也不可能靠人工直覺的方法來設(shè)計；v協(xié)議工程（協(xié)議工程（Protocol Engineering）用）用形式化的形式化的方法方法來描述在協(xié)議設(shè)計和維護中的各個活動，來描述在協(xié)議設(shè)計和維護中的各個活動，建立一套嚴格的協(xié)議設(shè)計方法，使協(xié)議開發(fā)的建立一套嚴格的協(xié)議設(shè)計方法，

47、使協(xié)議開發(fā)的整個過程整個過程一體化一體化、系統(tǒng)化系統(tǒng)化和和形式化形式化，從而保證，從而保證協(xié)議的完整性、正確性、安全性和可移植性。協(xié)議的完整性、正確性、安全性和可移植性。50Protocol Engineering: What?v 七十年代未人們開始用形式化的方法描述通信協(xié)議。七十年代未人們開始用形式化的方法描述通信協(xié)議。v 19811981年，在軟件工程思想的基礎(chǔ)上，年，在軟件工程思想的基礎(chǔ)上，PiatkowskiPiatkowski（皮皮亞考斯基亞考斯基）首先提出了）首先提出了“協(xié)議工程（協(xié)議工程（PEPE：Protocol Protocol EngineeringEngineering）

48、”的概念的概念v 協(xié)議工程學(xué)用形式化方法描述協(xié)議設(shè)計和維護中的各協(xié)議工程學(xué)用形式化方法描述協(xié)議設(shè)計和維護中的各個過程，它是以協(xié)議軟件為研究對象的軟件工程，而個過程，它是以協(xié)議軟件為研究對象的軟件工程，而且建立了一套比一般軟件工程方法更為嚴格、更為數(shù)且建立了一套比一般軟件工程方法更為嚴格、更為數(shù)學(xué)化的理論和方法，為協(xié)議軟件的開發(fā)提供一整套工學(xué)化的理論和方法，為協(xié)議軟件的開發(fā)提供一整套工程規(guī)范。程規(guī)范。v 集成化集成化(Integrated)(Integrated)、形式化形式化(Formal)(Formal)的協(xié)議開發(fā)過的協(xié)議開發(fā)過程程稱為協(xié)議工程。協(xié)議工程的目的是減少協(xié)議開發(fā)過稱為協(xié)議工程。協(xié)

49、議工程的目的是減少協(xié)議開發(fā)過程中潛在的錯誤，提高協(xié)議開發(fā)的效率，促進協(xié)議標程中潛在的錯誤，提高協(xié)議開發(fā)的效率，促進協(xié)議標準化的發(fā)展。準化的發(fā)展。 所謂所謂“集成化（一體化）集成化（一體化）”，就是指協(xié)議描述、驗證、，就是指協(xié)議描述、驗證、實現(xiàn)和測試等技術(shù)前后銜接，并在同一個開發(fā)系統(tǒng)中實現(xiàn)和測試等技術(shù)前后銜接，并在同一個開發(fā)系統(tǒng)中完成。在以往的協(xié)議開發(fā)過程中，各個階段互不銜接。完成。在以往的協(xié)議開發(fā)過程中，各個階段互不銜接。協(xié)議設(shè)計者憑自己的經(jīng)驗和智慧設(shè)計出協(xié)議，用自然協(xié)議設(shè)計者憑自己的經(jīng)驗和智慧設(shè)計出協(xié)議，用自然語言進行描述，經(jīng)過他人審定或模擬之后，就予以公語言進行描述，經(jīng)過他人審定或模擬之后

50、，就予以公布。其他的人只有在感興趣時才采用某種方法和理論布。其他的人只有在感興趣時才采用某種方法和理論對協(xié)議進行驗證。協(xié)議實現(xiàn)往往根據(jù)自己的環(huán)境和要對協(xié)議進行驗證。協(xié)議實現(xiàn)往往根據(jù)自己的環(huán)境和要求修改協(xié)議，協(xié)議實現(xiàn)之后不考慮實現(xiàn)與協(xié)議規(guī)范是求修改協(xié)議，協(xié)議實現(xiàn)之后不考慮實現(xiàn)與協(xié)議規(guī)范是否一致。協(xié)議的測試往往由協(xié)議實現(xiàn)者自己進行，這否一致。協(xié)議的測試往往由協(xié)議實現(xiàn)者自己進行，這實際上是一種程序調(diào)試。實際上是一種程序調(diào)試。 所謂所謂“形式化形式化”，就是指用形式描述技術(shù)，就是指用形式描述技術(shù)FDT(Formal Description Technique)貫穿協(xié)議開貫穿協(xié)議開發(fā)的各個階段。形式化描

51、述語言發(fā)的各個階段。形式化描述語言FDL(Formal Description Language)以一種或多種形式化描述以一種或多種形式化描述技術(shù)為基礎(chǔ)，有嚴格的語法和語義定義，抽象于技術(shù)為基礎(chǔ)，有嚴格的語法和語義定義，抽象于具體的實現(xiàn)，可以轉(zhuǎn)換、翻譯成程序設(shè)計語言。具體的實現(xiàn)，可以轉(zhuǎn)換、翻譯成程序設(shè)計語言。當協(xié)議進行形式化描述后，協(xié)議的驗證、自動實當協(xié)議進行形式化描述后，協(xié)議的驗證、自動實現(xiàn)、測試就可以在一個集成化的協(xié)議工程系統(tǒng)中現(xiàn)、測試就可以在一個集成化的協(xié)議工程系統(tǒng)中進行了。進行了。 51協(xié)議表現(xiàn)形式協(xié)議表現(xiàn)形式在協(xié)議開發(fā)過程中，協(xié)議表現(xiàn)為以下幾種形式：在協(xié)議開發(fā)過程中，協(xié)議表現(xiàn)為以下幾

52、種形式：v 非形式描述文本：用自然語言和圖表表達的協(xié)議。非形式描述文本：用自然語言和圖表表達的協(xié)議。v 形式描述文本：用形式描述語言（形式描述文本：用形式描述語言（FDL）描述的協(xié)議，可轉(zhuǎn)換）描述的協(xié)議，可轉(zhuǎn)換成程序設(shè)計語言程序。它一般基于某種數(shù)學(xué)模型，如：有限狀成程序設(shè)計語言程序。它一般基于某種數(shù)學(xué)模型，如：有限狀態(tài)機（態(tài)機（FSM）、）、PETRI網(wǎng)、網(wǎng)、 ITU-T的規(guī)范描述語言（的規(guī)范描述語言（SDL）、）、時態(tài)邏輯（時態(tài)邏輯（TL）、通信系統(tǒng)演算（）、通信系統(tǒng)演算（CCS）等。）等。v 與機器無關(guān)的協(xié)議源程序代碼（與機器無關(guān)的協(xié)議源程序代碼（Machine-independent S

53、ource Code）：這是由形式描述文本翻譯過來的程序設(shè)計語言。）：這是由形式描述文本翻譯過來的程序設(shè)計語言。v 協(xié)議實現(xiàn)代碼（協(xié)議實現(xiàn)代碼（Implementation Code）：協(xié)議在一種機器的實）：協(xié)議在一種機器的實現(xiàn)還包括大量協(xié)議文本沒有描述的程序，如緩沖器的分配管理、現(xiàn)還包括大量協(xié)議文本沒有描述的程序，如緩沖器的分配管理、系統(tǒng)輸入輸出等操作，這部分程序稱作協(xié)議實現(xiàn)代碼。系統(tǒng)輸入輸出等操作，這部分程序稱作協(xié)議實現(xiàn)代碼。v 測試套件（測試套件（Test Suite）：是一組關(guān)于協(xié)議測試步驟和測試數(shù)據(jù)）：是一組關(guān)于協(xié)議測試步驟和測試數(shù)據(jù)的文件，由協(xié)議的形式描述文本產(chǎn)生，用于測試協(xié)議的實

54、現(xiàn)代的文件，由協(xié)議的形式描述文本產(chǎn)生，用于測試協(xié)議的實現(xiàn)代碼。碼。 52協(xié)議一般開發(fā)實現(xiàn)流程協(xié)議一般開發(fā)實現(xiàn)流程v熟悉協(xié)議熟悉協(xié)議( (需求背景、實現(xiàn)內(nèi)容，相互間關(guān)系）需求背景、實現(xiàn)內(nèi)容，相互間關(guān)系） v制定實現(xiàn)方案（組織、結(jié)構(gòu)、層次）制定實現(xiàn)方案（組織、結(jié)構(gòu)、層次）v編寫特定的實現(xiàn)程序（編寫特定的實現(xiàn)程序（SDLSDL，JavaJava、C/C+C/C+等等, ,考考慮環(huán)境因素）慮環(huán)境因素）v運行調(diào)試運行調(diào)試v測試驗證測試驗證53Protocol Engineering: Procedure非形式化協(xié)議規(guī)范非形式化協(xié)議規(guī)范形式化協(xié)議規(guī)范形式化協(xié)議規(guī)范形式描述形式描述與機器無關(guān)的源代碼與機器無

55、關(guān)的源代碼實現(xiàn)代碼實現(xiàn)代碼(產(chǎn)品產(chǎn)品)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換實現(xiàn)實現(xiàn)產(chǎn)品測試器產(chǎn)品測試器測試序列發(fā)生器測試序列發(fā)生器一致性測試一致性測試性能分析性能分析模擬模擬驗證驗證設(shè)計設(shè)計用戶需求說明（服務(wù)描述）用戶需求說明（服務(wù)描述）首先需要設(shè)計滿足首先需要設(shè)計滿足需求的協(xié)議規(guī)范，需求的協(xié)議規(guī)范，而后要通過驗證和分而后要通過驗證和分析來證明其可用和正確析來證明其可用和正確。54協(xié)議開發(fā)主要活動間的關(guān)系協(xié)議開發(fā)主要活動間的關(guān)系55PE Activities: Designv 常用的定義：根據(jù)協(xié)議的需求說明構(gòu)造協(xié)議的非形式常用的定義：根據(jù)協(xié)議的需求說明構(gòu)造協(xié)議的非形式描述文本描述文本（經(jīng)過非形式的驗證分析）經(jīng)過非形式的驗

56、證分析） 稱為稱為協(xié)議設(shè)計協(xié)議設(shè)計；而將而將“協(xié)議的設(shè)計、形式描述、驗證、實現(xiàn)、測試、協(xié)議的設(shè)計、形式描述、驗證、實現(xiàn)、測試、運行運行”這一全過程稱為這一全過程稱為“協(xié)議開發(fā)協(xié)議開發(fā)”，即協(xié)議開發(fā)是，即協(xié)議開發(fā)是指協(xié)議工程活動的全過程。指協(xié)議工程活動的全過程。 v 其他定義：其他定義：將協(xié)議設(shè)計定義為將協(xié)議設(shè)計定義為“從協(xié)議的需求說明到從協(xié)議的需求說明到協(xié)議的形式描述文本，并經(jīng)過嚴格驗證和性能分析協(xié)議的形式描述文本，并經(jīng)過嚴格驗證和性能分析”這一過程，或定義為協(xié)議工程活動的全過程，即相當這一過程，或定義為協(xié)議工程活動的全過程，即相當于于“協(xié)議開發(fā)協(xié)議開發(fā)”。 v 包括：包括：協(xié)議環(huán)境分析協(xié)議環(huán)

57、境分析 、協(xié)議的功能設(shè)計、協(xié)議組織形協(xié)議的功能設(shè)計、協(xié)議組織形式的確定、協(xié)議元素的構(gòu)造、協(xié)議文本的編制等式的確定、協(xié)議元素的構(gòu)造、協(xié)議文本的編制等。56PE Activities : Design（Cont.）v 協(xié)議設(shè)計質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到開發(fā)出來的協(xié)議性能、協(xié)議設(shè)計質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到開發(fā)出來的協(xié)議性能、功能是否能滿足用戶需求的一個重要因素。協(xié)議設(shè)計功能是否能滿足用戶需求的一個重要因素。協(xié)議設(shè)計階段的結(jié)果是非形式描述協(xié)議文本。階段的結(jié)果是非形式描述協(xié)議文本。 v 協(xié)議設(shè)計涉及很多技術(shù)，如差錯控制技術(shù)、流量控制協(xié)議設(shè)計涉及很多技術(shù)，如差錯控制技術(shù)、流量控制技術(shù)、會話管理技術(shù)、路由選擇技術(shù)等。

58、技術(shù)、會話管理技術(shù)、路由選擇技術(shù)等。v 協(xié)議設(shè)計還要遵循一些原則，如結(jié)構(gòu)化、模塊化等。協(xié)議設(shè)計還要遵循一些原則，如結(jié)構(gòu)化、模塊化等。 v 協(xié)議設(shè)計中常犯的兩類錯誤：協(xié)議設(shè)計中常犯的兩類錯誤： 協(xié)議不完善或不完整協(xié)議不完善或不完整 設(shè)計的規(guī)則存在沖突設(shè)計的規(guī)則存在沖突57PE Activities : Formal Descrpt.v 通信系統(tǒng)行為的復(fù)雜性增大了行為描述的難度，人們必通信系統(tǒng)行為的復(fù)雜性增大了行為描述的難度，人們必須借助一種語言或一種技術(shù)來準確地描述系統(tǒng)行為。須借助一種語言或一種技術(shù)來準確地描述系統(tǒng)行為。v 在過去，人們習(xí)慣使用自然語言進行協(xié)議描述在過去，人們習(xí)慣使用自然語言進行

59、協(xié)議描述優(yōu)點：表達能力強、方便、易懂優(yōu)點：表達能力強、方便、易懂缺點：不嚴格、不精確、結(jié)構(gòu)不好、沒有描述標準、有二義性缺點：不嚴格、不精確、結(jié)構(gòu)不好、沒有描述標準、有二義性必須手工實現(xiàn)協(xié)議、難以進行協(xié)議測試和驗證，效率低必須手工實現(xiàn)協(xié)議、難以進行協(xié)議測試和驗證，效率低 不同的人對協(xié)議描述的理解不一樣導(dǎo)致不同的協(xié)議實現(xiàn)之間不不同的人對協(xié)議描述的理解不一樣導(dǎo)致不同的協(xié)議實現(xiàn)之間不能互操作，甚至還會得出錯誤的協(xié)議。能互操作，甚至還會得出錯誤的協(xié)議。 v 用程序語言描述：便于協(xié)議實現(xiàn)，但可讀性差，不能很用程序語言描述：便于協(xié)議實現(xiàn)，但可讀性差，不能很好的表述協(xié)議的并發(fā)行、不確定性好的表述協(xié)議的并發(fā)行、

60、不確定性v 解決辦法：形式（化）描述技術(shù)解決辦法：形式（化）描述技術(shù) FDT (Formal Description Technique) 58PE Activities : Formal Descrpt.(Cont.)v 采用形式描述技術(shù)的最終目的是：采用形式描述技術(shù)的最終目的是：為開發(fā)者提供一種分析協(xié)議的方法；為開發(fā)者提供一種分析協(xié)議的方法；作為對開發(fā)結(jié)果驗證的基礎(chǔ)；作為對開發(fā)結(jié)果驗證的基礎(chǔ)；為設(shè)計人員和應(yīng)用人員提供交流途徑；為設(shè)計人員和應(yīng)用人員提供交流途徑；作為開發(fā)文檔能在將來再開發(fā)時使用。作為開發(fā)文檔能在將來再開發(fā)時使用。 v 理想形式描述技術(shù)應(yīng)既能描述系統(tǒng)行為特征，又方便實現(xiàn)：理想形式描述技