2协议工程之协议构造技术

网络协议工程尹洪胜2011年4月2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：①协议环境分析：用户要求、通道性质、工作模式②协议功能设计③协议组织形式的确定④协议元素的构成⑤协议文本的编写3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(n)SAP(n-1)SAPAB(n+1)层n层(n-1)层(n-1)层通道n层协议USER2USER14第二章协议构造技术①n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。②USER1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）。③n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。④n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5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。6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)7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：①完全认可式②部分认可式③无认可式①完全认可式服务需要4条服务原语—request—indication—response—confirm(n+1)层(n)SAPn层data_confirmdata_requestdata_indicationdata_response8第二章协议构造技术②部分认可式③无认可式(n+1)层(n)SAPn层data_confirmdata_requestdata_indicationdata_request(n+1)层(n)SAPn层data_indication9第二章协议构造技术4、通信方式通信方式：①单工/半双工/全双工；②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。10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。11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（n－1）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。12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）13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CABD独占连接AB当前正确画法不正确画法15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CABDCBAD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CABDCBAD当前正确画法不正确画法17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18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①报文出错率②报文丢失率③报文重复率④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19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。nSAP(n-1)SAPAB(n+1)层n层(n-1)层USER2USER120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。nSAPAB(n+1)层n层(n-1)层n层协议USER2USER1CUSER321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。22第二章协议构造技术AC(n+1)层n层(n-1)层N-1层服务不同B23第二章协议构造技术AC(n+1)层n层(n-1)层BA和B协议不同24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：25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。26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27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。28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。29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