2协议工程之协议构造技术.ppt

网络协议工程2011年4月,第二章协议构造技术,2.1引言协议开发的第一步是构造（或构思）一个协议，提出协议初稿，这个过程类似于管理信息系统工程的概要设计。协议构造包括以下内容：协议环境分析：用户要求、通道性质、工作模式协议功能设计协议组织形式的确定协议元素的构成协议文本的编写,第二章协议构造技术,2.2协议构造过程n层协议模型如图所示,第二章协议构造技术,n层可有多个协议实体（如A和B是其中的两个），它们怎样分布、各起什么作用，属于协议工作模式问题。USER1和USER2为（n+1）层协议实体，称之为n层协议的用户（简称n层用户）。n层协议实体利用（n-1）层协议提供的服务，按照n层协议通信（讯），这种通讯活动在两个（n-1）SAP之间构成一个通道，称之为（n-1）层通道。n层用户的要求、（n-1）层通道的性质以及n层协议的工作模式构成n层协议的环境。本节中n层协议和n层协议实体（协议机），n层用户和（n+1）层协议实体，以及（n-1）层通道和（n-1）层服务将混用，不作严格区分,第二章协议构造技术,2.2.1协议环境（用户要求、通道特性、工作模式）一、用户要求n层用户对n层协议提供的服务提出的要求归纳为以下几个方面：1、连接功能n层用户可以要求n层协议提供有连接服务、无连接服务和永久连接服务，并要求n层协议负责连接的建立、撤销、作废、复位、恢复等管理工作。连接建立过程中，网络资源的分配和管理，连接合法性和安全性检查，以及目标名和地址的转换工作也由n层协议进行。2、多路和广播多个n层用户可能要求在同一个（n）SAP建立多条连接，一个n层用户亦可要求使用多条连接。可向多个其它用户发广播消息。多路和广播的管理工作由n层协议完成。,第二章协议构造技术,3、N实体,（N）SAP与N+1实体传递服务的规则(补充),第二章协议构造技术,3、服务认可n层用户可以要求三种形式服务：完全认可式部分认可式无认可式完全认可式服务需要4条服务原语requestindicationresponseconfirm,第二章协议构造技术,部分认可式无认可式,第二章协议构造技术,4、通信方式通信方式：单工/半双工/全双工；同步/异步对于全双工通讯，n层协议必须在（n）SAP上提供并发的收发服务。对于半双工通讯，n层协议要管理“发信权”，握有“发信权”的用户，可以发送数据报文。如果n层用户进行应答式（同步）通讯，n层协议可免除流控制功能。n层用户的同步通讯或通过n层协议提供的完全认可式服务进行，或用户自己进行控制。对于异步通讯发送数据的用户可向收方用户发出任意个数据报文，此时n层协议必须施加流控制，否则报文将会丢失。,第二章协议构造技术,5、数据形式用户数据可为多种形式，它们是：l块数据n层用户向n层协议递交整块数据。l流数据n层用户向n层协议递交字符流。l批数据n层用户向n层协议递交大批数据块（短时间）。l优先数据n层用户向n层协议递交的数据有不同的优先级。l中断数据n层用户要求n层协议旁路正常数据的传递，快速将特殊信息发送对方，此信息称为中断数据。l紧急数据同中断数据l流外信息n层用户向n层协议递交的流数据中夹杂着要求n层协议截获并做处理的信息，此信息叫流外数据。带外数据（Out-Of-Banddata），有时候也称为快速数据（ExpeditedData）l编码信息n层用户要求n层协议先对信息编码，然后发送。,第二章协议构造技术,6、数据长度n层用户要求传送的块数据的长度以及批数据的数据量可能是任意的，数据块过大，n层协议要分段发送，为了应付大宗量批数据的传送，n层协议要加宽（n1）层通道的频带，要进行流控制和交通拥塞避免控制，要有足够的缓冲区。7、数据可靠性数据可靠性包括：数据报文CRC校验，报文顺序正确，报文不丢失不重复。n层协议为了保证数据可靠，必须进行CRC校验和纠错，进行报文顺序控制，超时重发控制以及流控制。,第二章协议构造技术,8、数据流通量与实时性n层用户可向n层协议提出流通量和实时性要求，n层协议要采取相应的措施以满足用户要求。9、安全、保密性为了满足用户对安全、保密性的要求，n层协议可对用户数据加密和安全控制（如口令、特权）,第二章协议构造技术,10、目标识别n层用户可以三种形式向n层协议说明自己的通信目标传地址说明目标的地址传名字说明目标的名字传参照值（索引法）说明目标的参照（索引）值11、其它用户要求包括测试、监视、统计、记帐等,第二章协议构造技术,二、通道性质n层中任意两个协议实体通过（n-1）SAP所形成的数据逻辑通路叫（n-1）层通道。n层协议实体A和B可用下述方法形成（n-1）层通道。1)A和B建立并独占一条连接，此时（n-1）层应提供有连接服务,A,B,当前正确画法,不正确画法,第二章协议构造技术,2）A和B和其它协议实体共享一条连接,C,B,A,D,当前正确画法,不正确画法,第二章协议构造技术,3)A和B利用（n-1）层提供的无连接服务进行通讯,C,B,A,D,当前正确画法,不正确画法,第二章协议构造技术,n层协议使用（n-1）层通道的性质对n层协议的构成有重大影响，这些性质可归纳为如下几个方面：（1）通道形成方式n层协议必须有一个负责和(n-1)层服务接口的模块，该模块的功能取决于通道形成方式。该模块要负责连接建立和形成工作，连接共享控制工作，如果是物理信道，要负责信道接口工作，如果物理信道共享，要负责信道共享控制工作。（2）队列性质一般情况下，（n-1）层通道可看作队列通道，就是说一个数据报文从n层源端协议实体发出之后要在n层以下各层多次存储转发，每个存储转发处就存在一个队列。平均队列长度以及最大允许长度是队列的主要性质。队列长，那么数据报文在通道中延时变大；如果队列长度达到最大允许长度，那么后续的数据报文将会丢失。通道队列性质严重地影响n层协议的功能以及协议性质。如果（n-1）层通道为物理信道，那么此通道有时是非队列性质的，此时报文在信道中的延时是固定的，报文不会丢失，并且是有序的,第二章协议构造技术,（3）RTTRTT（RoundTripTime）定义为报文从n层源实体发出到该报文的认可信息回到该实体之间的时间，它包括目标实体收到报文并对报文进行处理后发出认可信息的时间，RTT是n层协议的重要参数之一。（4）数据的可靠性数据在通道中传送的可靠性包括报文出错率报文丢失率报文重复率报文顺序错误率。通道的形成方式与数据传输的可靠性有一定关系，如果通道是利用（n-1）层有连接服务形成的或是物理信道，那么报文传递的顺序不改变。如果通道是利用（n-1）层无连接服务形成的，报文传递顺序无保障（5）通道可靠性n层通道可靠性指通道故障（如断联、复位等）。（6）报文最大长度通道所接收的最大报文长度，该参数影响n层协议的报文分割、拼接等功能的执行。（7）工作方式单工/半双工/全双工以及同步/异步两个方向。（8）其它性质（n-1）层通道的其他性质包括流通量，带宽等,第二章协议构造技术,三、工作模式1、点点模式和多点模式n层内任意两个协议实体（如A和B）利用一条（n-1）层通道通信，协同完成指定协议功能，此模式为点点模式。,第二章协议构造技术,而两个以上协议实体利用多条通道相互通讯，协同执行一定任务，此模式称为多点模式。,第二章协议构造技术,(2)主从模式和平衡模式（无主）在点点模式或多点模式中，如果一个协议实体为主控实体，其他实体受之控制，此模式为主从模式。各协议实体的作用和功能是近似的，控制上是自制的，此模式为平衡模式。(3)中转和路由有时候；n层内的两个协议实体不能找到或形成直接通道（或者同为它们的协议不同，或是因为（n-1）层服务不同），此时它们的通讯必须通过中转实体进行。多个中转实体在n层内形成一个逻辑网络，每个中转体必须有路由功能，它们不直接向n层用户提供服务。,第二章协议构造技术,第二章协议构造技术,第二章协议构造技术,2.2.2协议功能和协议机制（1）n层协议功能指n层协议应该做哪些事情。（2）n层协议机制指用什么方法，设施和算法去做这些事情。n层协议功能应与n层用户要求，（n-1）层通道性质和n层协议工作模式一致，n层协议的机制应保证协议功能的真正有效地实行。协议的工作模式一般在网络总体设计时确立，例如ISO传输层为点点平衡模式，网络层为多点模式，有路由功能。当n层协议环境明确以后，n层协议的功能就可以确定了。一般情况下，n层协议功能为下述协议功能的一个子集。这些协议功能按A，B，C分类，同类协议功能的关系较密切，实现时往往处于同一模块中。下面为基本的协议功能：,第二章协议构造技术,A1、联接管理：该功能负责n层用户的连接建立，维护，撤消等管理工作。连接管理伴随着连接合法性检查，连接安全性控制，资源分配，连接目标名字和地址翻译等工作。A2、多路管理：多路（即多路连接）管理是A1的扩充。A3、无连接和广播管理：A4、通信方式管理：对于半双工通讯n层协议需要进行发信权管理，对于全双工通讯，n层协议要使它的用户能在任意时刻递交SDU（服务数层系统）和异步接收SDU。,第二章协议构造技术,B1、SDU和PDU的发送和接收：n层协议接收n层用户递交的SDU，将之转换成PDU，从（n-1）层通道发送出去；反之，它接收（n-1）层通道的PDU抽出SDU将之转交给n层用户。B2、PDU的装配/拆卸：n层协议必须装配PDU，按照给定格式附上协议控制信息PCI。对于接收后的PDU要对之拆卸，拆卸PCI。B3、SDU的编码/解码：n层协议可能需要对SDU进行编码，加密，压缩(发送方)解密，复原（接收方）B4、CRC校验：SDU到PDU可能要进行CRC校验和纠错,第二章协议构造技术,B5、SDU的分段和合段：如果SDU长度大于（n-1）层通信最大允许报文长度，SDU必须分段（Segmenting）发送，接收后要合段（Reassembling）。B6、SDU拼接与分离：如果SDU长度很小，为了提高（n-1）层通道的利用率，多个SDU可以拼接（concatenation）成一个PDU后发送，接收方将PDU分离（Separation）出多个SDU来。B7、PDU分割和组合：为了加大通信流量（或带宽），n层协议可建立多个（n-1）层通道。此时，一个PDU可以分割（splitting）成多个（n-1）SDU，并行地从多个通道分送。接收方将启动组合（Recombining）成一个PDU。,第二章协议构造技术,C1、顺序控制：报文的编号有助于检测报文的丢失和重复。顺序控制包括PDU顺序号的核对、管理以及重复PDU的剔出等工作。C2、超时重发控制：对于丢失的PDU，n层协议要实行超时重发的机制。C3、端-端流控制：在一段时间内，收方能够容纳和处理PDU个数总是有限的，为了限制过多的PDU进入收方，n层协议必须实行端-端流控制。最常用的端-端流控制机制是窗口机制。,第二章协议构造技术,C4、拥塞避免控制：如（n-1）层通道为队列通道，该通道可能拥塞，拥塞现象的发生将大大降低通道有效流量，并使正常的端-端流控失灵。拥塞避免控制力图降低或消除拥塞现象。并获得最大有效流通量。C5、发送速率控制：当n层用户递交大宗数据时，n层协议（发方）将快速连续的向（n-1）层通道发送一串PDU，这可能产生一些不良后果，一方面，通道可能拥塞；另一方面，如果（n-1）层为物理信道，物理信道收端硬件可能跟不上。为此，n层协议要实行发送速率控制，控制PDU之间发送的时间间隔。,第二章协议构造技术,E1、通道接口管理：该功能负责通道的形成，通道的状态监测等工作。E2、通道错误处理：通道发生错误时，该功能负责处理和恢复工作。E3、通道共享控制：如果（n-1）层通道为共享物理信道，n层协议必须实行介质访问控制，如多个n层协议容许共享一条（n-1）层连接，不同PDU的区分工作n层协议负责。F1、其它协议功能：n层协议的功能还包括如目标的名字地址管理，快速报文和中断报文的发送和接收，测试统计等。,第二章协议构造技术,2.2.3协议元素协议有六种元素：服务原语和服务原语的时序协议数据单元（PDU）和PDU交换时序协议状态协议事件协议变量协议行动和谓词一般来说，每种协议功能都包含六种元素，有些协议由于不直接向用户提供服务（如流控制），不包含服务原语。有些协议由于协议机制简单，可能不包括协议变量，没有专门的PDU定义。但多个协议的功能组成一个完整的协议之后，这六种元素缺一不可。,第二章协议构造技术,1、服务原语和服务原语时序：N层协议的服务原语和原语参数详细准确的描述n层协议和它的用户之间的接口（即SAP），服务原语分完全认可式，部分认可和无认可式三种形式。各种服务原语的各条服务原语的时序关系如图2.2所示。N层协议和他的用户接口状态（即SAP状态）和服务原语之间的关系有了明确定义。这个关系可有服务状态转移表示。例如图2.6为ISOT层协议的服务状态转移图。,第二章协议构造技术,服务原语的四种类型,第二章协议构造技术,（1）请求类原语是由N+1层发给N层请求某一服务的原语。（2）指示类原语是由N层返回给N+1层的原语，以告知激活了一种被请求的服务或N层服务提供者启动了一次动作告知N+1实体。（3）响应类原语是N+1层回应指示原语而提供的一种原语，以便完成确认或完成由指示原语所调用的规程。（4）证实类原语是N层返回给发出请求的N+1层的一种原语，以便确认或完成先前由请求原语所调用的规程原语可以包含参数，并且大多数原语都带参数，以便传送为执行其功能所需要的控制信息。每个参数都具有规定范围内的值，与某一原语相关的参数值在该原语方向上通过。例如联接请求原语的参数要指明与哪台机器连接、需要的服务类别和拟在该连接上使用的报文的最大长度。连接指示原语的参数可包括呼叫者的标识、需要的服务类别和建议的最大报文长度。如果被呼叫实体不同意呼叫实体所建议的最大报文长度，它可以在响应原语中作出一个更改的建议，呼方可以从证实原语中获知新的修改。,第二章协议构造技术,服务原语交互的时序（举例）参见完全认可式，部分认可和无认可式,第二章协议构造技术,2、PDU和PDU交换时序：PDU从语法和语义上详细准确的定义n层协议实体之间交换的信息。除此之外，协议还必须描述PDU交换的时序。例如：当一个协议实体收到CRPDU（ConnectionRequest）之后，它在应该发出CAPDU（ConnectionAcknowledgement）或DRPDU（DisconnectionRequest）这三个PDU的交换时序CR-CA或CR-DR。思考服务原语语PDU之间的联系？,第二章协议构造技术,3、协议状态：协议状态分为局部状态和全局状态。局部状态为单个协议实体在某个时刻的执行状况。全局状态为执行某种协议功能的所有协议实体（包括（n-1）层通道）状态之总和。（n-1）层通道状态就是（n-1）层协议的服务状态。4、协议事件：协议事件分输入事件和输出事件两大类。N层协议的输入事件由三部分组成，收到一个PDU；收到N层用户的一条服务原语；产生一个内部事件（如时钟超时）;N层协议的输出事件由两部分组成：发出一个PDU；向N层用户发出一条服务原语。N层协议必须罗列和定义每个协议事件。,第二章协议构造技术,5、协议变量：存储协议运行的历史数据，运行参数的变量，以及协议机制本身所设置的变量，统称为协议变量。6、协议行动和谓词：每种协议功能都由一组协议过程的执行来实现。协议过程是由协议事件驱动的。被驱动的过程执行一系列操作（行动），这些操作包括：产生输出事件清除和设置定时时钟修改协议变量改变协议状态协议行动由事件驱动，并受一定条件制约，描述协议行动条件的语句是谓词。这些约束条件包括：参数，协议变量，协议运行环境等。事件驱动过程和事件行动其含义是等效的，协议过程的描述必须须说明过程的行动并给出行动谓词,第二章协议构造技术,2.2.4协议组织协议构造过程中，每种协议功能和协议机制可以单独设计，它的协议元素也可以单独构造。当各个协议功能的元素构造之后，下面的问题是怎样将它们组织成一个完整的协议（整体），这个问题属于协议的组织协议的组织对协议功能和协议机制有影响，因此将多个协议功能（元素）组合在一起时，可能要回过头来修改原有的协议元素。,第二章协议构造技术,1、协议层次化：就像OSI模型将整个网络协议分成七层一样，N层协议的众多功能可进一步分成多个子层。子层的划分可使复杂协议的结构变得清晰，有利于协议的设计、验证、实现和测试。但是，子层的划分可能降低协议性能。2、协议阶段化：可将N层协议分成多个运行阶段（phase），每个阶段只有一部分协议功能是有用的。协议的阶段化使复杂协议变得简单，有利于协议设计、验证、实现和测试。,第二章协议构造技术,3、协议分类协议的复杂性是由于不同用户的不同要求和不同通道的不同要求造成的。如果将协议分成不同类别（成不同级别），每类协议只适用于一定用户和一定通道。那么复杂协议就会变得简单。4、协议运行的方式:协议运行方式有三种，它们是：协议交替（protocolalternative）,n层内多个协议，或一个协议的多个类别，或一个协议的多个协议功能交替活跃运行的方式协议并发（protocolconcurrency），n层内多个协议，或一个协议的多个类别，或一个协议的多个协议功能同时活跃，并发运行的方式。协议并行（protocolparallizm）,n层内多个协议，或一个协议的多个类别，或一个协议的多个功能同时活跃，同时运行的方式协议并行,第二章协议构造技术,如果多个协议或一个协议的多个类别交替活跃，交替执行，那么n层协议可在不同时间内适用不同用户和不同通道的协议环境。如果它们同时活跃，并发运行，那么n层协议可在同一时间内适用多种协议环境。如果还能并行运行则效果更好。如：（注意并发不等并行，并行优于并发）。协议的运行方式，对协议功能和协议机制的实现有直接影响。,第二章协议构造技术,2.2.5协议文本协议构造的最后工作是用自然语言描述协议，以便人们阅读理解。协议文本必须详细地表述用户要求（或服务性质）通道性质（或对底层协议服务要求）工作模式，协议功能，协议组织和协议的各种元素。协议文本的最重要，最主要部分是协议元素的描述。协议的各元素之间的关系可表达为：在什么协议状态下，在什么输入条件下调用什么协议过程。协议过程在什么条件下（谓词）采取什么协议行动，输出什么事件或修改协议状态和变量。协议文本应清晰地表达这些关系。文件状态表示一种方法。这种方法的优点是表达清晰、简明、系统。,第二章协议构造技术,2.3协议构造方法协议的构造需要一定的经验和技巧，而且它是协议开发的第一步，目前人们只着重整个协议开发方法的研究（如协议综合技术）而不注重协议构造方法的研究。然而，掌握一个好的方法，可使协议构造的思路清晰，有条理，问题考虑周全，能以最快的省力的途径获得协议文本初稿。下面介绍三种方法：,第二章协议构造技术,1、自上而下的构造方法该方法类似软件的自上而下的开发方法，它的起点是网络总体设计时所提出的要求，网络总体设计将一个网络系统划分成若干层，并对每层提出具体要求（服务特性，工作模式，总的功能等）,第二章协议构造技术,2、由下至上的构造方法该方法的构造过程和上述方法相反，它的起点是含混的。计算机网络的飞跃发展往往要求研制性能更好的协议（服务能力好，服务能力越强，协议的性质能取决于协议的机制，因此该方法的第一步是研究新的协议机制）,第二章协议构造技术,3、由低（易）到高（难）的构造方法将用户要求和通道特性按难易程度排序，首先取最低的用户要求和最容易通道构造一个功能最简单协议，然后增加要求和通道难度，逐步构造一个完整复杂协议（快速原型法）。4、利用成熟协议构造法目前已有许多网络协议在运行，有的已相当成熟。利用一个成熟的协议或一个协议国际标准，构造一个新的符合指定环境的协议的方法是一条很好的捷径。,第二章协议构造技术,2.4ISOT层协议的构造在ISO/OSI模型中，T层用户是会话层的协议实体，T层所利用的通道是N层(网络层)协议所提供的服务，目前ISO公布了两类T层协议：无连接T层协议UDP，有链接T层协议TCP。我们取后者作为举例分析它的协议构造（协议环境，协议功能，协议元素和协议组织）。,第二章协议构造技术,2.4.1T层用户对T层协议的要求（协议环境）T层用户对T层协议的要求，可归纳为以下几方面向T层用户提供单路或多路有连接服务每条连接支持全双工，无认可式的数据传输每条连接支持透明的数据传输即SDU长度任意，SDU顺序不错，SDU不丢失，SDU不重复T层用户进行异步数据传输，也可以进行同步数据传输T层用户可提出服务质量QOS要求，QOS包括一下内容：Qos1：传送紧急报文（中断报文）的要求Qos2：流通量和延时要求Qos3：数据CRC错误概率的要求Qos4：T层连接出错（断联）概率要求,第二章协议构造技术,2.4.2N层通道特性（协议环境）ISON层可提供三类服务（即三类通讯），分别记为A服务，B服务和C服务。A类服务：（1）提供有连接服务，报文的传输是有序的报文不丢失，不重复（2）CRC错误率小于T层用户对T层协议提出的CRC错误概率要求。（3）最大允许报文长度之有限的，可能小于TSDU长度（4）连接出错概率小于T层用户对T层连接出错概率要求，并且连接出错时给出N-Disconnect和N-Reset指令。,第二章协议构造技术,B类服务（1）（2）（3）同A，（4）连接出错概率大于T层用户对T层连接出错概率要求，并且连接出错时给出N-Disconnect和N-Reset指令。C类服务（1）能提供无连接服务，报文的传输顺序可能出错，报文可能丢失和重复。（2）CRC错误率可能大于T层用户对T层协议提出CRC错误率的要求。（3）和（4）同B类,第二章协议构造技术,2.4.3T层协议功能和协议机制如果按T层用户最高要求和n层通道的最坏特性来构造T层协议。即其它应该包括2.2.1中所罗列的哪些功能呢？,第二章协议构造技术,2.4.4T层协议的组织ISO对其T层协议的组织作如下处理（1）T层不再分子层（2）协议正常运行分三个阶段连接建立阶段数据传输阶段连接撤销阶段各协议功能按阶段活跃，例如连接建立阶段B1,C5不活跃（3）协议分为5类，记为TP0,TP1,TP2,TP3,TP4、各类协议适用不同的用户和通道。,第二章协议构造技术,（4）多类协议并发运行，即多个T层用户通过TSAP使用不同类T层协议的服务。数据传输阶段，有关协议功能并发运行，但不考虑它们的并行运行的问题。下面将ISO，T层协议各类特点（T层用户特点，n层通道类别，协议功能）叙述如下：TP0:用户无Qos1和Qos2要求。用户自己同步收发工作，用户无多路连接要求，通道为A类服务（意味着用户的Qos3和Qos4得到满足）；TP0包括A1,A2,B1,B5和E1功能TP1:用户无Qos2要求，用户自己同步收发工作，用户无多路连接服务要求。有紧急报文传输要求（Qos1）。通道为B类（意味着用户的Qos3得到满足Qos4不满足），TP1包括A1、A4,B1,B2,B5,B6,E1,E2和F1功能。,第二章协议构造技术,TP2:用户无Qos2要求，有Qos1要求（紧急报文传送），用户要求异步数据传输，要求多路连接服务。通道为A类服务。TP2包括A1,A2,A4,B1,B2,B5,B6,C3,E1和F1功能TP3:用户有Qos2要求，无Qos1要求，用户要求异步数据传输，要求多路连接服务，通道为B类服务。TP3包括A1,A2,A4,B1,B2,B5,B6,C3,E1,E2和F1功能TP4:用户有Qos2要求，无Qos1要求，用户要求异步数据传输，