2023年網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程之協(xié)議設(shè)計概述

第2章協(xié)議(xiéyì)設(shè)計

〔1-協(xié)議(xiéyì)模型〕第一頁，共三十五頁。第一頁，共三十六頁。內(nèi)容提要(nèirónɡtíyào)協(xié)議設(shè)計(shèjì)概述1協(xié)議(xiéyì)模型22第二頁，共三十五頁。第二頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)設(shè)計概述協(xié)議設(shè)計的含義？協(xié)議設(shè)計是是一件很困難(kùnnɑn)的事情Example:ClaytonTunnelProtocolExample:藍軍與白軍作戰(zhàn)問題3第三頁，共三十五頁。第三頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子England,1841,WilliamCookeTelegraph〔電報(diànbào)〕insteadofOpticaltelegraphforRailwayTunnelProtection,節(jié)省本錢〔只需1/10〕和進步速度。Purpose:avoidthatmorethanonetrainisinthetunnelatthesametimeFirstlyusedonseverallinesoftheGreatWesternRailwaysinEngland.4第四頁，共三十五頁。第四頁，共三十六頁。電報(diànbào)(Telegraph)根本原理，1753，給Scots雜志的信中描繪了一個使用一些平行電線來通信的電子電報。1830，英國MichaelFaraday和美國JosephHenry發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)1837，WilliamCooke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。1837年6月12日，第一個電報系統(tǒng)的專利，“五磁針(cízhēn)信號系統(tǒng)〞。1842年，Cooke“火車可以無所畏懼地行駛，而無論其時間是否正確，也不管其是否在正確的軌道上，因為在使用該系統(tǒng)后，其速率總可以及時地降下來，從而防止碰撞〞5第五頁，共三十五頁。第五頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子England,1841,WilliamCookeTelegraph〔電報(diànbào)〕insteadofOpticaltelegraphforRailwayTunnelProtection,節(jié)省本錢〔只需1/10〕和進步速度。Purpose:avoidthatmorethanonetrainisinthetunnelatthesametimeFirstlyusedonseverallinesoftheGreatWesternRailwaysinEngland.6第六頁，共三十五頁。第六頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子semaphoreswithblock-intervalsystem(空閑(kòngxián)/阻塞信號系統(tǒng))turntoredautomaticallyasatrainpassessettogreenbyhandafterwardssignalmenonbothendslinkedbytelegraphiclinemalfunctionofblock-intervalsystemsignalledbyabellredandwhiteflagstoreplacemalfunctioningsemaphore7第七頁，共三十五頁。第七頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子：報文(Messages)Message:TT:TraininTunnelTF:TunnelisFreeTL:HastheTrainlefttheTunnel?8第八頁，共三十五頁。第八頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子：過失控制ErrorFreeFunctioningtrainenterstunnel,signalmanAsendsTTtoBtrainleavesthetunnel,BsendsTFtoAAsetssemaphoretogreenbyhandUnderErrorSituationtrainenterstunnel,AsendsTTtoBbellrings,Ashowsredflagtonexttraintrainleavesthetunnel,BsendsTFtoAAshowswhiteflagtonexttrain9第九頁，共三十五頁。第九頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子：事故(Accident)OnedayinAugust1861atClaytonTunnel...train-1enterstunnel,block-intervalsystemfails(failstosetthesignaltored),sothebellwarnssignalmanA,thenAsendsTTtoB,thenfetchestheredflagtowarnthenexttrain.train-2comestoofast,andcouldnotstopintime,hasalreadypassedthegreensignal.Fortunately,itsdrivercatchesaglimpseoftheredflagjustintimeasheentersthetunnel.train-3seestheredflagandstopsbeforethetunnelentrance.10第十頁，共三十五頁。第十頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子：事故〔Accident)AsendsanotherTTtoB(fortrain-2)BdoesnotunderstandsecondTT(becausetheprotocoldidnotaccountforthiseventsothemeaningoftwosbusequentTThadnotbeenspecified.)AsendsTL(hasthetrainleftthetunnel?)toBBseestrain-1andsendsTF11第十一頁，共三十五頁。第十一頁，共三十六頁。協(xié)議例子(lìzi)：事故〔Accident)Athinkstrain-2leftthetunnelandshowswhiteflagtotrain-3train-2hadseenredflagbefore,isafraidandtriesto

returntopositionA

Aftersomedeliberation.12第十二頁，共三十五頁。第十二頁，共三十六頁。協(xié)議例子(lìzi)：事故〔Accident)Resulttrain-3andtrain-2crashed:21peoplediedand176gotinjuredThesetofinstructionsgiventothesignalmenwasincomplete,whichleadstotheaccident13第十三頁，共三十五頁。第十三頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子：LessonsAhistorianofrailwaydisasters(Nock,1967)：“Onecanalmosthearthesamecommentbeingmadetimeaftertime.’Icouldnotimaginethatcouldeverhappen.’Yetbitterexperienceshowedthatitcould,andgraduallytheregulationsandrailwayengineeringpracticewereelaborated.〞Protocol:UseUndernormalcircumstancesandthatallowedforasaferecoveryfromunexpectedevents.14第十四頁，共三十五頁。第十四頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)例子：Lessons(Cont.)eventhemostsimpleprotocolsmaycontainerrorsprotocolsmustbefullyverifiedbeforetheyareputinoperationtechniquestostructure,design,analyseandverifyprotocolsarenecessary15第十五頁，共三十五頁。第十五頁，共三十六頁。一個(yīɡè)簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(藍軍與白軍)謝希仁教授?計算機網(wǎng)絡(luò)?上的一道作業(yè)題：占據(jù)兩個山頂?shù)乃{軍與駐扎在這兩個山之間的山谷的白軍作戰(zhàn)(zuòzhàn)。其力量比照是：一個山頂上的藍軍打不過白軍，但兩個山頂?shù)乃{軍協(xié)同作戰(zhàn)(zuòzhàn)那么可戰(zhàn)勝白軍。一個山頂上的藍軍擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于是發(fā)送電文給另一山頂上的友軍。但通信線路很不好，電文出錯或喪失的可能性較大。因此要求收到電文的友軍必須送回一個確認電文。但此確認電文也可能出錯或喪失。試問能否設(shè)計出一種協(xié)議使得藍軍可以實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)因此一定(即100%)獲得成功？16第十六頁，共三十五頁。第十六頁，共三十六頁。明日正午進攻明日正午進攻假設(shè)情況(qíngkuàng)如上所述，次日藍軍1和藍軍2的協(xié)同進攻必定獲勝。但情況并非如此簡單。因為(yīnwèi)所發(fā)的報文可能會喪失。明日正午進攻喪失(sàngshī)!白軍藍軍1藍軍2因此藍軍1必須在收到藍軍2確實認后才能進攻17第十七頁，共三十五頁。第十七頁，共三十六頁。明日正午進攻確認明日正午進攻確認因此(yīncǐ)，收到報文后必須加以確認但這個(zhège)確認報文也可能喪失：確認喪失(sàngshī)!白軍藍軍1藍軍2故藍軍2必需要收到藍軍1發(fā)出的對此“確認〞確實認，才能知道發(fā)送出確實認是否被藍軍1正確收到。18第十八頁，共三十五頁。第十八頁，共三十六頁。明日正午進攻確認明日正午進攻確認因此(yīncǐ)藍軍1收到確認報文后應(yīng)發(fā)送對此確認確實認。對“確認”的確認對“確認”的確認藍軍1無法知道最后發(fā)送的這個確認是否(shìfǒu)被藍軍2收到，仍需收到藍軍2發(fā)來確實認才行！白軍(báijūn)藍軍1藍軍219第十九頁，共三十五頁。第十九頁，共三十六頁。白軍(báijūn)藍軍1藍軍2協(xié)議必須可以應(yīng)付所有的〔而不是(bùshi)局部的〕不利情況像這樣簡單的問題居然無法設(shè)計出一種協(xié)議來解決。20第二十頁，共三十五頁。第二十頁，共三十六頁。內(nèi)容提要(nèirónɡtíyào)協(xié)議(xiéyì)設(shè)計概述1協(xié)議(xiéyì)模型221第二十一頁，共三十五頁。第二十一頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)模型分層設(shè)計，n層協(xié)議(xiéyì)模型(n+1)實體(shítǐ)(n)實體(n+1)實體(n)實體(n)協(xié)議提供(n-1)效勞提供(n)效勞(n)效勞用戶(n)效勞提供者通過(n-1)連接進展通信(n+1)層(n-1)層(n)層nSAP(n-1)SAPnSAP(n-1)SAP(n-1)SPs(n-1)SPs(n)SPs(n)SPs(n)PDUs在OSI中，實體(entity)表示任何可以發(fā)送和接收信息的硬件或軟件進程。在許多情況下，實體就是一個特定的模塊。

兩個(n)實體在(n)協(xié)議的控制下的通信，使(n)層可以向上一層(n+1)提供效勞。這種效勞就是(n)效勞。承受(n)效勞的是上一層實體，即(n+1)實體。它們也稱為(n)用戶或更嚴格些是(n)效勞用戶。22第二十二頁，共三十五頁。第二十二頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)模型分層設(shè)計(shèjì)，n層協(xié)議模型(n+1)實體(shítǐ)(n)實體(n+1)實體(n)實體(n)協(xié)議提供(n-1)效勞提供(n)效勞(n)效勞用戶(n)效勞提供者通過(n-1)連接進展通信(n+1)層(n-1)層(n)層nSAP(n-1)SAPnSAP(n-1)SAP(n-1)SPs(n-1)SPs(n)SPs(n)SPs(n)PDUs一個(n)實體向上一層所提供的效勞由以下三局部構(gòu)成：(n)實體自己提供的某些功能。從(n-1)層及其以下各層以及本地系統(tǒng)環(huán)境得到的效勞。通過與處在另一系統(tǒng)中的對等(n)實體的通信而得到的效勞。將(n)層對等實體之間，為實現(xiàn)該層協(xié)議所交換的信息單元稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(ProtocolDataUnit)。通常將第n層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元記為(n)PDU。23第二十三頁，共三十五頁。第二十三頁，共三十六頁。PDUsPDU通常由2局部構(gòu)成：用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議控制信息PCI(ProtocolControlInformation)。PCI一般作為(zuòwéi)首部加在用戶數(shù)據(jù)的前面，但有時也可作為(zuòwéi)尾部加在用戶數(shù)據(jù)的后面，例如檢驗和(checksum)常放在尾部。兩種類型：數(shù)據(jù)PDU控制PDU，不攜帶用戶數(shù)據(jù)。在不同的協(xié)議層次中，PDU還有一些其它的表示法。物理層：比特(bit)；數(shù)據(jù)鏈路層：幀(frame)或信元(cell)；網(wǎng)絡(luò)層：分組或包(packet)運輸層：報文(Message)24第二十四頁，共三十五頁。第二十四頁，共三十六頁。PDUs(Cont.)TwoStyles：AbstractPDUProtocolControlInformation〔PCI〕UserdataConcretePDUMappingofabstractPDUontobitpatterns(PDUformats)DefinedintermsofdatafieldsWhyareconcretePDUsnecessaryinastandardprotocol?25第二十五頁，共三十五頁。第二十五頁，共三十六頁。PDUs(Cont.)PDUEncodingExample:AbstractPDUCR-PDU(Length,Destination,Source,Options,…,Userdata)ConcretePDU(PDUformat)26第二十六頁，共三十五頁。第二十六頁，共三十六頁。PDUs(Cont.)Codingfunctions:EncodingMappingofabstractPDUsontoconcretePDUsGenerationofconcretePDUsDecodingExtractnecessaryinformationfromconcretePDUsHidespecificcodingfromtheprocedurerules27第二十七頁，共三十五頁。第二十七頁，共三十六頁。PDUs(Cont.)Example:FictitiousPDUstruct{chara,b;intc;}pdu;Codetoshoworganizationinbitsandbytesmain(){inti;pdu.a=‘a(chǎn)’; /*setafieldwithvalue‘a(chǎn)’*/pdu.b=‘b’; /*setbfieldwithvalue‘b’*/pdu.c=1; /*setcfieldwithvalue1*/for(i=0;i<sizeof(pdu);i++){ printf(“%d“,(int)((char*)&pdu)[i]);} printf(“\n〞);}}28第二十八頁，共三十五頁。第二十八頁，共三十六頁。PDUsandSDUsOSI將層與層之間交換的數(shù)據(jù)(shùjù)的單元稱為效勞數(shù)據(jù)(shùjù)單元SDU(ServiceDataUnit)。一個(n)效勞數(shù)據(jù)單元就是(n)效勞所要傳送的邏輯數(shù)據(jù)單元。SDU就是數(shù)據(jù)PDU中的用戶數(shù)據(jù)，但不一定是一一對應(yīng)關(guān)系?？梢允嵌鄠€SDU合成為一個PDU(稱為“拼裝〞)，也可以是將一個SDU劃分為幾個PDU(稱為“分段〞)。29第二十九頁，共三十五頁。第二十九頁，共三十六頁。PDUsandSDUs(Cont.)(N+1)SDU(N+1)service(N)SDU(N)service(N+1)PDU(N+1)PEPCIData(N)PDU(N)PEPCIDataPCIPCIData30第三十頁，共三十五頁。第三十頁，共三十六頁。協(xié)議(xiéyì)模型分層設(shè)計，n層協(xié)議(xiéyì)模型(n+1)實體(shítǐ)(n)實體(n+1)實體(n)實體(n)協(xié)議提供(n-1)效勞提供(n)效勞(n)效勞用戶(n)效勞提供者通過(n-1)連接進展通信(n+1)層(n-1)層(n)層nSAP(n-1)SAPnSAP(n-1)SAP(n-1)SPs(n-1)SPs(n)SPs(n)SPs(n)PDUs同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進展交互(即交換信息)之處，通常稱為效勞訪問點SAP(SerivceAccessPoint)在進展交互時所要交換的一些必須信息(或命令)稱為效勞原語(ServicePrimitives)，以說明需要本地的或遠端的對等實體做哪些事情。OSI原語31第三十一頁，共三十五頁。第三十一頁，共三十六頁。OSI效勞(xiàoláo)原語ConceptsinLaying:Service–sayswhatalayerdoesInterface–sayshowtoaccesstheserviceProtocol–sayshowis