第2章 協(xié)議構(gòu)造技術(shù).ppt

1、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程,南京郵電大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,2/55,第2章 協(xié)議構(gòu)造技術(shù),2.1 引言 2.2 協(xié)議構(gòu)造過程 2.3 協(xié)議構(gòu)造方法 2.4 ISO T層協(xié)議的構(gòu)造,3/55,2.1 引言,協(xié)議開發(fā)的第一步是構(gòu)造(或構(gòu)思)一個協(xié)議，提出協(xié)議文本初稿。 協(xié)議的構(gòu)造包括以下環(huán)節(jié)： 協(xié)議環(huán)境分析(用戶要求，通道性質(zhì)，工作模式) 協(xié)議功能設(shè)計 協(xié)議組織形式的確定 協(xié)議元素的構(gòu)造 協(xié)議文本編寫 協(xié)議構(gòu)造需要：經(jīng)驗(yàn)、智慧、方法,4/55,2.2 協(xié)議構(gòu)造過程,2.2.1 協(xié)議環(huán)境 2.2.2 協(xié)議功能與協(xié)議機(jī)制 2.2.3 協(xié)議元素 2.2.4 協(xié)議組織 2.2.5 協(xié)議文本,5/55,2.2 協(xié)議構(gòu)造過程,以

2、n層協(xié)議的構(gòu)造過程為例，n層協(xié)議模型如圖所示：,6/55,2.2 協(xié)議構(gòu)造過程,USER1和USER2為(n+1)層協(xié)議實(shí)體，稱為n層協(xié)議的用戶 n層協(xié)議實(shí)體利用(n-1)層協(xié)議提供的服務(wù)按照n層協(xié)議通信 兩個(n-1)SAP之間構(gòu)成一個通道，稱為(n-1)層通道 n層用戶要求、(n-1)層通道的性質(zhì)以及n層協(xié)議的工作模式構(gòu)成n層協(xié)議的環(huán)境 n層協(xié)議的構(gòu)成從協(xié)議環(huán)境分析入手。,7/55,2.2 協(xié)議構(gòu)造過程,幾個同義語： n層協(xié)議n層協(xié)議實(shí)體（協(xié)議機(jī)） n層用戶(n+1)層協(xié)議實(shí)體 (n-1)層通道(n-1)層服務(wù),8/55,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,1、用戶要求： n層用戶對n層協(xié)議提供的服務(wù)提

3、出的要求歸納為以下幾個方面： 連接管理：連接服務(wù)、無連接服務(wù)、永久連接服務(wù)，并要求n層協(xié)議負(fù)責(zé)連接的建立、撤銷、復(fù)位等管理工作，連接建立過程中，網(wǎng)絡(luò)資源的分配和管理，連接合法性和安全性檢查，以及目標(biāo)名和地址的轉(zhuǎn)換工作也由n層協(xié)議進(jìn)行。 多路和廣播 服務(wù)認(rèn)可：完全認(rèn)可式、部分認(rèn)可式、無認(rèn)可式 通訊方式：單工/半雙工/全雙工；同步/異步,9/55,數(shù)據(jù)形式：塊數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)、批數(shù)據(jù)、優(yōu)先數(shù)據(jù)、中斷數(shù)據(jù)、緊急數(shù)據(jù)、流外信息、編碼信息 數(shù)據(jù)長度： 數(shù)據(jù)可靠性：包括數(shù)據(jù)報文無CRC錯、報文順序正確、報文不丟失不重復(fù) 數(shù)據(jù)流通量與實(shí)時性： 安全、保密性 目標(biāo)識別：傳地址、傳名字、傳參照值 其它用戶要求：測試

4、、監(jiān)視、統(tǒng)計、計費(fèi)等,10/55,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,服務(wù)認(rèn)可形式：,11/55,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,服務(wù)認(rèn)可形式：,12/55,2、通道性質(zhì) n層中任何兩個協(xié)議實(shí)體通過(n-1)SAP所形成的數(shù)據(jù)邏輯通路叫(n-1)層通道。 (n-1)層通道的形成方式： 獨(dú)占連接 共享連接 利用無連接服務(wù) 如果(n-1)層為物理層，A和B可獨(dú)占一條物理信道，或共享一條物理信道。,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,13/55,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,2、通道性質(zhì),14/55,2、通道性質(zhì) 通道性質(zhì)包括以下幾個方面： 通道形成方式：n層協(xié)議必須有一個負(fù)責(zé)和(n-1)層服務(wù)訪問點(diǎn)接口的模塊，該模塊的功能取決于通道形成方式。

5、 隊(duì)列性質(zhì)：平均隊(duì)列長度及最大隊(duì)列允許長度 RTT(Round Trip Time)： 數(shù)據(jù)的可靠性：報文差錯率、丟失率、重復(fù)率、順序錯誤率 通道的可靠性： 報文最大長度：影響n層協(xié)議的報文分割和拼接 工作方式：單工/半雙工/全雙工；同步/異步兩個方面 其它性質(zhì)：流量、帶寬等,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,15/55,3、工作模式 點(diǎn)點(diǎn)模式和多點(diǎn)模式： n層內(nèi)任意兩個協(xié)議實(shí)體利用一條(n-1)層通道通信，協(xié)議完成指定協(xié)議功能，為點(diǎn)點(diǎn)模式。 兩個以上協(xié)議實(shí)體利用多條通道相互通信，協(xié)同執(zhí)行一定任務(wù)，為多點(diǎn)模式。 主從模式和平衡模式： 主從模式中，主控實(shí)體控制其它實(shí)體； 平衡模型中，各實(shí)體功能和作用近似，控

6、制是自治 中轉(zhuǎn)和路由：每個中轉(zhuǎn)實(shí)體必須具有路由功能,2.2.1 協(xié)議環(huán)境,16/55,2.2.2 協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,協(xié)議功能 指n層協(xié)議應(yīng)該做哪些事情 協(xié)議機(jī)制 指用什么方法、設(shè)施和算法去做這些事情 協(xié)議功能應(yīng)與n層用戶要求、(n-1)層通道性質(zhì)和n層協(xié)議工作模式一致 n層協(xié)議機(jī)制應(yīng)保證協(xié)議功能的真正有效實(shí)行。,17/55,2.2.2 協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,對于具體某層協(xié)議，其用戶會提出一部分要求，并對(n-1)層通道提出明確要求 協(xié)議工作模式一般在網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計時確定。 如OSI T層：點(diǎn)點(diǎn)平衡模式， N層：多點(diǎn)模式，有路由功能 一般情況下，n層協(xié)議功能為下述協(xié)議功能的一個子集。按A,B,C分

7、類，同類協(xié)議功能的關(guān)系較密切，實(shí)現(xiàn)時往往處于同一模塊中。,18/55,2.2.2 協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,A類 A1聯(lián)接管理 A2多路管理 A3無聯(lián)接和廣播管理 A4通信方式管理,19/55,2.2.2 協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,B類 B1 SDU和PDU的發(fā)送和接收 B2 PDU的裝配/拆卸 B3 SDU的編/解碼 B4 CRC校驗(yàn) B5 SDU分段和合段 如果SDU長度大于(n-1)層通道最大允許報文長度，SDU必須分段(Segmenting)發(fā)送，接收后要合段(Reassembling)。 B6 SDU拼接和分離 B7 PDU分割和組合 為了提高吞吐量，n層協(xié)議可建立多個(n-1)層通道。此時，一

8、個PDU可以分割成多個(n-1)SDU，并行地從多個通道分送，接收方將它們組合成一個PDU。,20/55,2.2.2 協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,C類 C1 順序控制 編號，序號校對，重復(fù)PDU的剔除 C2 超時重發(fā)控制 C3 端端流控制 在一段時間內(nèi)，收方能夠容納和處理的PDU個數(shù)總是有限的，為了限制過多的PDU進(jìn)入收方，n層協(xié)議必須實(shí)行端端流量控制，最常用的是窗口機(jī)制。 C4 擁塞避免控制 如果(n-1)層通道為隊(duì)列通道，該通道可能擁塞（某個隊(duì)列長度達(dá)到或接近最大允許長度），擁塞現(xiàn)象的發(fā)生將大大降低通道的有效吞吐量，使正常的端端流量控制失靈，擁塞避免控制力圖降低或消除擁塞現(xiàn)象，獲得最大有效吞吐量。

9、 C5 發(fā)送速率控制,21/55,2.2.2 協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,E類 E1 通道接口管理 E2 通道錯誤處理 E3 通道共享控制 F類 F1 其它協(xié)議功能 目標(biāo)的名字地址管理、快速報文和中斷報文的發(fā)送和接收、安全控制、測試統(tǒng)計等。,22/55,2.2.3 協(xié)議元素,協(xié)議由六種元素組成： 服務(wù)原語和服務(wù)原語時序 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)和PDU交換時序 協(xié)議狀態(tài) 協(xié)議事件 協(xié)議變量 協(xié)議行動和謂詞 一般而言，每種協(xié)議功能都包括六種元素。 有些協(xié)議功能由于不直接向用戶提供服務(wù)，如流控制，不包含服務(wù)原語。 有些協(xié)議功能由于協(xié)議機(jī)制簡單，可能不包括協(xié)議變量，沒有專門的PDU定義。 多個協(xié)議功能組織成的

10、一個完整的協(xié)議，六元素缺一不可。,23/55,2.2.3 協(xié)議元素,1 服務(wù)原語和服務(wù)原語時序 n層協(xié)議的服務(wù)原語和原語參數(shù)詳細(xì)準(zhǔn)確地描述n層協(xié)議和其用戶之間接口(即SAP)。 服務(wù)原語分為完全認(rèn)可式、部分認(rèn)可式和無認(rèn)可式三種 各種服務(wù)原語及其時序關(guān)系圖 n層協(xié)議及其用戶接口狀態(tài)與服務(wù)原語之間關(guān)系有確切定義，可用服務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表示。,24/55,2.2.3 協(xié)議元素,2 PDU和PDU交換時序 PDU從語法和語義上詳細(xì)準(zhǔn)確地定義n層協(xié)議實(shí)體之間交換的信息。 協(xié)議還必須描述PDU交換的時序。 如，當(dāng)一個協(xié)議實(shí)體收到CR PDU(Connection Request)之后，它應(yīng)該發(fā)出CA PDU(C

11、onnection Acknowledgement)或DR PDU(Disconnection Request) 。 這三個PDU的時序關(guān)系為：CRCA或CRDR,25/55,2.2.3 協(xié)議元素,3 協(xié)議狀態(tài) 分為局部狀態(tài)和全局狀態(tài) 局部狀態(tài)為單個協(xié)議實(shí)體在某時刻的執(zhí)行狀態(tài) 全局狀態(tài)為參與執(zhí)行某種協(xié)議功能的所有協(xié)議實(shí)體(包括(n-1)層通道)狀態(tài)的總和。 (n-1)層通道狀態(tài)即(n-1)層協(xié)議的服務(wù)狀態(tài)。,26/55,2.2.3 協(xié)議元素,4 協(xié)議事件 協(xié)議事件分輸入事件和輸出事件兩大類。 n層協(xié)議的輸入事件由三部分組成： 收到一個PDU 收到n層用戶的一條服務(wù)原語 產(chǎn)生一個內(nèi)部事件(如時鐘

12、超時) n層協(xié)議的輸出事件由兩部分組成： 發(fā)出一個PDU 向n層用戶發(fā)出一條服務(wù)原語 n層協(xié)議必須羅列和定義每個協(xié)議事件。,27/55,2.2.3 協(xié)議元素,5 協(xié)議變量 存儲協(xié)議運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，運(yùn)行參數(shù)的變量，以及協(xié)議機(jī)制本身所設(shè)置的變量。,28/55,2.2.3 協(xié)議元素,6 協(xié)議行動和謂詞 每種協(xié)議功能都由一組協(xié)議過程的執(zhí)行來實(shí)現(xiàn) 協(xié)議過程由協(xié)議事件驅(qū)動 協(xié)議過程執(zhí)行一系列的操作(行動)，包括： 產(chǎn)生輸出事件 清除和設(shè)置定時時鐘 修改協(xié)議變量 改變協(xié)議狀態(tài),29/55,2.2.3 協(xié)議元素,6 協(xié)議行動和謂詞 協(xié)議行動由事件驅(qū)動，并受一定條件制約。 這些約束條件包括： 參數(shù) 協(xié)議變量 協(xié)

13、議運(yùn)行環(huán)境等。 描述協(xié)議行動條件的語句稱為謂詞。 協(xié)議過程的描述必須說明過程的行動，并給出行動謂詞。,30/55,2.2.4 協(xié)議組織,協(xié)議組織問題： 怎樣將單獨(dú)設(shè)計的協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制、協(xié)議元素組織成一個完整的協(xié)議。 將多個協(xié)議功能組合在一起時，可能要回過頭來修改原有的協(xié)議元素。,31/55,2.2.4 協(xié)議組織,1 協(xié)議層次化 類似OSI模型將整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分成7層一樣，n層協(xié)議的功能可進(jìn)一步分成多個子層。 子層的劃分可使復(fù)雜協(xié)議的結(jié)構(gòu)變得清晰。 子層的劃分有利于協(xié)議的設(shè)計、驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)和測試。 子層的劃分可能降低協(xié)議性能。,32/55,2.2.4 協(xié)議組織,2 協(xié)議階段化: 可將n層協(xié)議分成

14、多個運(yùn)行階段(phase)，每個階段只有一部分協(xié)議功能是有用的。 協(xié)議的階段化使復(fù)雜協(xié)議變得簡單，有利于協(xié)議的設(shè)計、驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)和測試。 3 協(xié)議分類： 協(xié)議的復(fù)雜性是由于不同用戶的不同要求和不同通道的不同要求造成的。 可將協(xié)議分成不同類別(或不同級別),每類協(xié)議只適用于一定用戶和一定通道，那么復(fù)雜協(xié)議就會得到簡化。,33/55,2.2.4 協(xié)議組織,4 協(xié)議運(yùn)行方式，有三種： 協(xié)議交替(protocol alternative) n層內(nèi)多個協(xié)議，或一個協(xié)議的多個類別，或一個協(xié)議的多個協(xié)議功能，交替活躍運(yùn)行 協(xié)議并發(fā)(protocol concurrency) 同時活躍并發(fā)運(yùn)行 協(xié)議并行(pro

15、tocol parallizm) 同時活躍同時運(yùn)行,34/55,2.2.5 協(xié)議文本,編寫協(xié)議文本是協(xié)議構(gòu)造的最后工作，即用自然語言描述協(xié)議，以便于人們閱讀理解。 協(xié)議文本必須詳細(xì)描述： 用戶要求(或服務(wù)性質(zhì))、通道性質(zhì)(或?qū)Φ蛯訁f(xié)議服務(wù)要求)、工作模式、協(xié)議功能、協(xié)議組織和協(xié)議的各種元素 協(xié)議文本的最重要、最主要部分是協(xié)議元素描述。,35/55,2.2.5 協(xié)議文本,協(xié)議的各元素是有機(jī)聯(lián)系的，相互關(guān)系為： 在什么協(xié)議狀態(tài)下，在什么輸入事件驅(qū)動下調(diào)用什么協(xié)議過程， 協(xié)議過程在什么條件下(謂詞)采取什么協(xié)議行動(操作) ，輸出什么事件或修改協(xié)議狀態(tài)和變量。 協(xié)議文本應(yīng)清晰地表達(dá)這些關(guān)系 如，使用

16、事件狀態(tài)表，其優(yōu)點(diǎn)是表達(dá)清晰、簡明、系統(tǒng)、完整。,36/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,協(xié)議構(gòu)造是協(xié)議開發(fā)的第一步，涉及： 整個協(xié)議開發(fā)方法(如協(xié)議綜合技術(shù)) 協(xié)議構(gòu)造方法 一個好的方法可使協(xié)議構(gòu)造的思路清晰，有條理，問題考慮周全，能盡快獲得協(xié)議文本初稿。 四種參考方法： 自上而下的構(gòu)造方法 自下至上的構(gòu)造方法 由低(易)到高(難)的構(gòu)造方法 利用成熟協(xié)議的構(gòu)造方法,37/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,1 自上而下的構(gòu)造方法 類似于軟件的自上而下的開發(fā)方法 網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計將一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分成若干層，并對各層提出具體要求(服務(wù)特性、工作模式、總的功能等)。,38/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,流程： 網(wǎng)絡(luò)

17、總體設(shè)計對n層協(xié)議的要求 對n層協(xié)議環(huán)境(用戶要求、通道性質(zhì)、工作模式)進(jìn)行分析 定義n層協(xié)議的服務(wù)原語和參數(shù)，確立服務(wù)原語時序 根據(jù)環(huán)境分析，確定n層協(xié)議應(yīng)有哪些協(xié)議功能 將關(guān)系較密切的功能歸成一類，形成協(xié)議模塊 確立各協(xié)議功能的協(xié)議機(jī)制，并分析或模擬其性能 按協(xié)議模塊，構(gòu)造協(xié)議元素，確立各元素之間關(guān)系 確立協(xié)議的組織形式，并修改協(xié)議功能和協(xié)議元素 將各協(xié)議模塊的協(xié)議元素綜合成統(tǒng)一的協(xié)議元素 對協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)完整的描述，形成協(xié)議文本初稿,39/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,2 自下而上的構(gòu)造方法 與前一方法相反，其起點(diǎn)是含混的。 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛躍發(fā)展往往要求研制性能更好的協(xié)議，至于怎樣好，沒有具

18、體要求，或者說協(xié)議性能越高越好，服務(wù)能力越強(qiáng)越好。 協(xié)議的性能取決于協(xié)議機(jī)制，因此，該方法第一步是研究新的協(xié)議機(jī)制。,40/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,流程： 構(gòu)造更好的協(xié)議 研制新的協(xié)議機(jī)制，模擬和分析性能 將多個實(shí)現(xiàn)新協(xié)議機(jī)制的協(xié)議功能組合成協(xié)議模塊 按協(xié)議模塊構(gòu)造協(xié)議元素，確立各元素之間關(guān)系 確立協(xié)議的組織形式 將各個協(xié)議模塊的協(xié)議元素組合起來 分析并描述協(xié)議的服務(wù)特性和服務(wù)能力 描述協(xié)議對低層協(xié)議服務(wù)的要求(通道要求) 對協(xié)議作完整描述，形成協(xié)議文本,41/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,3 由低(易)到高(難)的構(gòu)造方法 類似于軟件開發(fā)的快速原型法 將用戶要求和通道特性按難易程度排序 首

19、先取最低的用戶要求和最易通道構(gòu)造一個功能最簡單的協(xié)議，然后增加要求和通道難度，逐步構(gòu)造一個完整的復(fù)雜協(xié)議。 如：先考慮信道是理想的，可靠的，再考慮信道是有誤碼的等。,42/55,2.3 協(xié)議構(gòu)造方法,4 利用成熟協(xié)議的構(gòu)造方法 利用一個成熟協(xié)議或一個協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造一個新的符合指定環(huán)境的協(xié)議。 是一個協(xié)議構(gòu)造的捷徑。,43/55,2.4 ISO T層協(xié)議的構(gòu)造,以ISO OSI模型為實(shí)例 T層用戶是會話層的協(xié)議實(shí)體 T層所利用的通道是N層協(xié)議所提供的服務(wù) 兩類T層協(xié)議 無連接T層協(xié)議 有連接T層協(xié)議 分析有連接T層協(xié)議的構(gòu)造,44/55,2.4.1 T層用戶要求,T層用戶對T層協(xié)議的要求，或

20、者說T層協(xié)議的服務(wù)特性，可歸納為如下幾個方面： 向T層用戶提供單路或多路有連接服務(wù) 每條連接支持全雙工、無認(rèn)可式的數(shù)據(jù)傳輸 每條連接支持透明的數(shù)據(jù)傳輸 即SDU長度任意，順序不錯，不丟失，不重復(fù)。 T層用戶可進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸或同步數(shù)據(jù)傳輸 T層用戶可提出服務(wù)質(zhì)量QoS要求，QoS包括： QoS1: 傳送緊急報文(中斷報文)的要求 QoS2: 吞吐量和延時要求 QoS3: 數(shù)據(jù)CRC錯誤概率的要求 QoS4: T層連接出錯概率的要求,45/55,2.4.2 N層通道特性,ISO N層可提供三類服務(wù)(通道)，分別記作A類服務(wù)、B類服務(wù)和C類服務(wù)。 A類服務(wù) (1)提供有連接服務(wù)，報文的傳輸是有序的

21、，報文不丟失，不重復(fù) (2)CRC錯誤率小于T層用戶對T層協(xié)議提出的CRC錯誤率要求 (3)最大允許的報文長度是有限的，可能小于TSDU長度 (4)連接出錯概率小于T層用戶對T層連接出錯概率的要求。連接出錯時給出N-Disconnect和N-Reset,46/55,2.4.2 N層通道特性,B類服務(wù) (1)、(2)和(3)同A類； (4)連接出錯概率大于T層用戶對T層連接出錯概率的要求。連接出錯時給出N-Disconnect和N-Reset C類服務(wù) (1)可能提供無連接服務(wù)，報文的傳輸順序可能出錯，報文可能丟失或重復(fù) (2)CRC錯誤率可能大于T層用戶對T層協(xié)議提出的CRC錯誤率要求 (3)和(4)同B類。,47/55,2.4.3 T層協(xié)議功能和協(xié)議機(jī)制,如果按T層用戶的最高要求和N層通道的最壞特性來構(gòu)造T層協(xié)議，那么它應(yīng)該包括哪些功能? (P27) A1-4 B1-7 C1-5 E1-3 F1,48/55,2.4.4 T層協(xié)議的組織,ISO對T層協(xié)議的組織 T層不再劃