1_隧道协议改进_网络协议工程作业.doc

网络协议工程作业第二章讨论题：题干2-1.分析克莱顿隧道所使用的通信协议，并对其进行改进以避免文中所描述的事故再次发生。分析你所修改的协议，还存在潜在的问题吗？英国的克莱顿隧道全长1.5 公里，是当时英国铁路中安全措施最好的铁路隧道。1841年，该隧道配备了一套“空闲 / 阻塞信号系统”。穿过隧道的轨道有两条，每个方向各一条。在任意时刻，隧道中的每一条轨道上只允许有一列火车经过。下面以一条轨道的控制为例说明隧道的控制过程，控制系统由信号灯、红白旗、单针电报系统、信号员构成。（1）在轨道入口处（A端）有一个红、绿信号灯。只有当信号灯为绿色时，才允许火车进入，并且任何一列火车通过绿色信号灯系统会自动将该信号灯置为红色。（2）当火车经过后，信号灯系统没有将信号灯变成红色，则信号员会听到告警铃声，然后用红旗和白旗来表示信号，“红旗”代表红色信号灯，“白旗”代表绿色信号灯。（3）当入口处的信号员确定进入隧道的火车已离开隧道，则手工将红色信号灯置成绿色，以允许下列火车通过。信号员通过安装在隧道两端的单针电报系统来交换火车进入、离开隧道的信息。隧道中的单针电报系统由William Cooke发明，电报系统定义了三种信号：（a）TT（Train in Tunnel）：表示火车进入隧道。一般情况下，当入口处的信号员看到火车通过绿色信号灯（白旗）进入隧道后，会向另一端信号员发送TT信号。（b）TF（Tunnel is Free）：表示火车已离开隧道，隧道为空。一般情况下，当出口处的信号员看到火车离开隧道时，会向入口处信号员发送TF信号。入口处信号员收到TF信号后，将信号灯（c）TL（Has the train left the Tunnel）：询问出口处信号员，火车是否已离开了隧道。如果火车已离开，则回复TF信号。上述控制协议保证了隧道的安全使用，即使在隧道某一端的信号系统功能失效的情况下也能安全进行（通过红白旗代替）。尽管如此，该系统最终还是由于其控制协议的不完整性导致一起严重的安全事故。事故相关记录：1.第一列火车进入隧道，但是信号灯系统故障，没有变成红色，于是告警铃声响起。信号员A首先向隧道另一端信号员发送TT信号告之有火车进入隧道，然后使用红色旗帜向下一列火车发出警告。2.第二列火车因速度太快，已经越过刚才的绿色信号。幸运的是，火车司机瞥见了信号员A的红色旗帜。而紧随其后的第三列火车司机及时看到红色旗帜警告，在入口处停下。3.信号员A再次向另一端信号员B发出TT信号表示又有一辆火车进入隧道。由于协议中未考虑这种情况，所以未规定“两列火车同时在隧道中”如何表示。由于第二列火车不可能超过第一列火车，所以无法表示此信号还会不会导致真正的问题。对于信号员A来说，唯一的问题就是要从信号员B哪里得到两列火车在何时都离开了隧道，以便允许下列火车进入，于是，信号员A向信号员B发出他知道唯一合适的信号TL。在看到第一列火车在隧道口出现后，信号员B按照协议的约定发出TF信号表示“隧道已空”。4.信号员A收到TF信号后，不知道自己是应该等待第二个TF信号，还是应该按照当初约定的意思认为隧道已空。经过再三考虑后，他最终还是认为两列火车都离开了隧道，于是举起白旗示意第三列火车进入隧道。同时，第二列火车司机因为看到信号员A手中的红旗，所以他决定在隧道中停下来，并经过深思后为安全起见而将火车往回倒，正好与进入隧道的第三列火车相撞。解答：一、原因分析：从此事故中不难发现：在进行协议设计、分析时，背景知识非常重要。不预先知道或事后才知道系统或协议在一般或极端条件下的性能测量就去设计、实现是不可取的。在本例中隧道使用的单针电报系统的三个信号：TT、TF、TL分别代表：火车进入、火车离开、询问隧道是否空，三种对隧道使用情况的描述。这三种情况描述是在“隧道内同一方向上，同时只有唯一一列火车在运行”这个理想环境条件下，展开设计的。当这个理想环境条件被破坏之后，这个协议便不能正常工作。比如在事故中，“隧道内同一方向上同时运行了两列火车”，此电报系统的信号不能准确描述“隧道内有两列火车”这个信息。从而导致事故的发生。二、改进方案因此对这个协议进行改进，就是要增加单针电报系统所能表示的信号量，使其能够描述隧道内发生的更多的情况。我的思想是将TT、TF、TL，三个信号两两组合使用，使其能够表示更多的信息量：如TT-TT:第一列火车进隧道TT-TF:第二列火车进隧道TT-TL:第三列火车进隧道TF-TF:第一列火车出隧道TF-TT:第二列火车出隧道TL-TT:第三列火车出隧道TL-TL:询问隧道情况正常情况下：协议仍然按原来的使用方式，当第一列火车进入隧道时，入口处信号员发送TT-TT，告之出口处信号员，当第一列火车出隧道时，出口处信号员发送TF-TF:告之入口处信号员，第一列火车出隧道。入口处信号员询问隧道情况时发送TL-TL，如果第一列火车出隧道，出口处信号员告之TF-TF。当出现意外情况时，例如此事故中的情况：入口处信号员发送TT-TT后，发现第二列火车进入隧道，此时信号员发送TT-TF，表明此时有第二列火车进入隧道。当第一列火车出隧道时，出口处信号员发送TF-TF:告之入口处信号员，第一列火车出隧道。当第二列火车出隧道时，出口处信号员发送TF-TT:告之入口处信号员，第二列火车出隧道。若入口处信号员询问隧道情况时发送TL-TL，如果第一列火车出隧道，出口处信号员告之TF-TF。如果第二列火车出隧道，出口处信号员告之TF-TT。同样利用TT-TL和TL-TT可以处理第三列火车同时进入隧道的极端情况。三、改进协议存在不足这种改进协议能很好地处理此事故中遇到的情况。但仍然存在一种安全隐患：1.当进入隧道的火车数量在四列以上时，此协议不能正常工作，解决方法可以利用三个信号组合使用的方式扩展信号量，描述更多的情形。如TT