1、第 2 章 协议设计 （1-协议模型）,2,内容提要,协议设计概述,1,协议模型,2,3,协议设计概述,协议设计的含义？ 协议设计是是一件很困难的事情 Example: Clayton Tunnel Protocol Example: 蓝军与白军作战问题,4,协议例子,England, 1841, William Cooke Telegraph（电报） instead of Optical telegraph for Railway Tunnel Protection, 节省成本（只需1/10）和提高速度。 Purpose: avoid that more than one train is
2、in the tunnel at the same time Firstly used on several lines of the Great Western Railways in England.,5,电报(Telegraph),基本原理，1753，C.M给Scots杂志的信中描述了一个使用一些平行电线来通信的电子电报。 1830，英国Michael Faraday和美国Joseph Henry发现了电磁感应 1837，William Cooke利用电流来使处在接收端磁场中的罗盘指针发生偏转，从而得到信号。 1837年6月12日，第一个电报系统的专利，“五磁针信号系统”。 1842年，
3、Cooke“火车可以无所畏惧地行驶，而无论其时间是否正确，也不管其是否在正确的轨道上，因为在使用该系统后，其速率总可以及时地降下来，从而避免碰撞”,6,协议例子,England, 1841, William Cooke Telegraph（电报） instead of Optical telegraph for Railway Tunnel Protection, 节省成本（只需1/10）和提高速度。 Purpose: avoid that more than one train is in the tunnel at the same time Firstly used on several
4、 lines of the Great Western Railways in England.,7,协议例子,semaphores with block-interval system(空闲/阻塞信号系统),turn to red automatically as a train passes,set to green by hand afterwards,signalmen on both ends linked by telegraphic line,malfunction of block-interval system signalled by a bell,red and whit
5、e flags to replace malfunctioning semaphore,8,协议例子：报文(Messages),Message: TT: Train in Tunnel TF: Tunnel is Free TL: Has the Train left the Tunnel?,9,协议例子：差错控制,Error Free Functioning train enters tunnel, signalman A sends TT to B train leaves the tunnel, B sends TF to A A sets semaphore to green by h
6、and Under Error Situation train enters tunnel, A sends TT to B bell rings, A shows red flag to next train train leaves the tunnel, B sends TF to A A shows white flag to next train,10,协议例子：事故(Accident),One day in August 1861 at Clayton Tunnel. train-1 enters tunnel, block-interval system fails(fails
7、to set the signal to red), so the bell warns signalman A, then A sends TT to B, then fetches the red flag to warn the next train. train-2 comes too fast, and could not stop in time, has already passed the green signal. Fortunately, its driver catches a glimpse of the red flag just in time as he ente
8、rs the tunnel. train-3 sees the red flag and stops before the tunnel entrance.,11,协议例子：事故（Accident),A sends another TT to B (for train-2) B does not understand second TT(because the protocol did not account for this event so the meaning of two sbusequent TT had not been specified.) A sends TL (has t
9、he train left the tunnel?)to B B sees train-1 and sends TF,12,协议例子：事故（Accident),A thinks train-2 left the tunnel and shows white flag to train-3 train-2 had seen red flag before, is afraid and tries to return to position A After some deliberation.,13,协议例子：事故（Accident),Result train-3 and train-2 cras
10、hed: 21 people died and 176 got injured The set of instructions given to the signalmen was incomplete, which leads to the accident,14,协议例子：Lessons,A historian of railway disasters(Nock, 1967 )： “One can almost hear the same comment being made time after time.I could not imagine that could ever happe
11、n. Yet bitter experience showed that it could, and gradually the regulations and railway engineering practice were elaborated.” Protocol: Use Under normal circumstances and that allowed for a safe recovery from unexpected events.,15,协议例子：Lessons (Cont.),even the most simple protocols may contain err
12、ors protocols must be fully verified before they are put in operation techniques to structure, design, analyse and verify protocols are necessary,16,一个简单的网络协议(蓝军与白军),谢希仁教授计算机网络上的一道作业题： 占据两个山顶的蓝军与驻扎在这两个山之间的山谷的白军作战。其力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战则可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，
13、电文出错或丢失的可能性较大。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。 试问能否设计出一种协议使得蓝军能够实现协同作战因而一定(即100 %)取得胜利？,17,如果情况如上所述，次日蓝军 1 和蓝军 2 的协同进攻必定获胜。,但情况并非如此简单。因为所发的报文可能会丢失。,丢失!,白军,蓝军 1,蓝军 2,因此蓝军 1 必须在收到蓝军 2 的确认后才能进攻,18,因此，收到报文后必须加以确认,但这个确认报文也可能丢失：,丢失!,白军,蓝军 1,蓝军 2,故蓝军 2 必须要收到蓝军 1 发出的对此“确认”的确认， 才能知道发送出的确认是否被蓝军 1 正确收到。,1
14、9,因此蓝军 1 收到确认报文后应发送对此确认的确认。,蓝军 1 无法知道最后发送的这个确认是否被蓝军 2 收到， 仍需收到蓝军 2 发来的确认才行！,白军,蓝军 1,蓝军 2,20,白军,蓝军 1,蓝军 2,协议必须能够应付所有的（而不是部分的）不利情况 像这样简单的问题居然无法设计出一种协议来解决。,21,内容提要,协议设计概述,1,协议模型,2,22,协议模型,分层设计，n 层协议模型,(n+1) 实体,(n) 实体,(n+1) 实体,(n) 实体,(n) 协议,提供(n-1)服务,提供(n)服务,(n) 服务用户,(n) 服务提供者,通过(n-1)连接进行通信,(n + 1) 层,(n
15、 - 1) 层,(n) 层,nSAP,(n-1)SAP,nSAP,(n-1)SAP,(n-1)SPs,(n-1)SPs,(n)SPs,(n)SPs,(n)PDUs,在OSI中，实体(entity)表示任何可以发送和接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的模块。,两个(n)实体在(n)协议的控制下的通信，使(n)层能够向上一层(n+1)提供服务。这种服务就是(n)服务。,接受(n)服务的是上一层实体，即(n+1)实体。它们也称为(n)用户或更严格些是(n)服务用户。,23,协议模型,分层设计，n 层协议模型,(n+1) 实体,(n) 实体,(n+1) 实体,(n) 实体,(n)
16、 协议,提供(n-1)服务,提供(n)服务,(n) 服务用户,(n) 服务提供者,通过(n-1)连接进行通信,(n + 1) 层,(n - 1) 层,(n) 层,nSAP,(n-1)SAP,nSAP,(n-1)SAP,(n-1)SPs,(n-1)SPs,(n)SPs,(n)SPs,(n)PDUs,一个(n)实体向上一层所提供的服务由以下三部分构成： (n)实体自己提供的某些功能。 从(n-1)层及其以下各层以及本地系统环境得到的服务。 通过与处在另一系统中的对等(n)实体的通信而得到的服务。,将(n)层对等实体之间，为实现该层协议所交换的信息单元称为协议数据单元PDU(Protocol Dat
17、a Unit)。通常将第n层的协议数据单元记为(n)PDU。,24,PDUs,PDU通常由2部分构成：用户数据和协议控制信息PCI(Protocol Control Information)。 PCI一般作为首部加在用户数据的前面，但有时也可作为尾部加在用户数据的后面，例如检验和(checksum)常放在尾部。 两种类型： 数据PDU 控制PDU，不携带用户数据。 在不同的协议层次中，PDU还有一些其它的表示法。 物理层：比特(bit)； 数据链路层：帧(frame)或信元(cell)； 网络层 ：分组或包(packet) 运输层 ：报文(Message),25,PDUs (Cont.),Tw
18、o Styles： Abstract PDU Protocol Control Information（PCI） User data Concrete PDU Mapping of abstract PDU onto bit patterns (PDU formats) Defined in terms of data fields Why are concrete PDUs necessary in a standard protocol?,26,PDUs (Cont.),PDU Encoding Example: Abstract PDU CR-PDU (Length, Destinati
19、on, Source, Options, , User data) Concrete PDU (PDU format),27,PDUs (Cont.),Coding functions: Encoding Mapping of abstract PDUs onto concrete PDUs Generation of concrete PDUs Decoding Extract necessary information from concrete PDUs Hide specific coding from the procedure rules,28,PDUs (Cont.),Examp
20、le: Fictitious PDU,struct char a, b; int c; pdu; Code to show organization in bits and bytes main() int i; pdu.a = a; /* set a field with value a */ pdu.b = b; /* set b field with value b */ pdu.c = 1; /* set c field with value 1 */ for (i = 0; i sizeof(pdu); i+) printf(“%d “, (int)(char*) ,29,PDUs
21、and SDUs,OSI将层与层之间交换的数据的单元称为服务数据单元SDU(Service Data Unit)。 一个(n)服务数据单元就是(n)服务所要传送的逻辑数据单元。 SDU就是数据PDU中的用户数据，但不一定是一一对应关系。 可以是多个SDU合成为一个PDU(称为“拼装”)，也可以是将一个SDU划分为几个PDU(称为“分段”)。,30,PDUs and SDUs (Cont.),31,协议模型,分层设计，n 层协议模型,(n+1) 实体,(n) 实体,(n+1) 实体,(n) 实体,(n) 协议,提供(n-1)服务,提供(n)服务,(n) 服务用户,(n) 服务提供者,通过(n-1
22、)连接进行通信,(n + 1) 层,(n - 1) 层,(n) 层,nSAP,(n-1)SAP,nSAP,(n-1)SAP,(n-1)SPs,(n-1)SPs,(n)SPs,(n)SPs,(n)PDUs,同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)之处，通常称为服务访问点SAP (Serivce Access Point),在进行交互时所要交换的一些必须信息(或命令)称为服务原语(Service Primitives)，以表明需要本地的或远端的对等实体做哪些事情。OSI原语,32,OSI服务原语,Concepts in Laying: Service says what a layer do
23、es Interface says how to access the service Protocol says how is the service implemented a set of rules and formats that govern the communication between two peers 每层均可使用的4 种服务原语： Request (请求): 一个实体希望得到某种服务 Indication (指示)：把关于某一事件的信息告诉某一实体 Response (响应)：一个实体愿意响应某一事件 Confirm (证实)：把一个实体的服务请求加以确认并告诉它,33,协议模型小结,上述概念虽然主要来自于OSI/RM，但具有普适性，要好好掌握。,34,思考题,2-1 简述“协议”与“服务”的关系。 2-2 如何理解“服务原语”？,
