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1、1,第3讲 网络协议及其设计方法,2,内容提纲,1 网络协议基本概念 2 网络协议的发展和要素 3 网络协议缺陷示例 4 协议标准化 5 网络协议工程 6 网络协议设计方法 7 协议形式化描述技术,3,协议基本概念,协议是某一种活动或行为所遵守的准则，是有关各方事先约定好的和必须遵守的规则。 网络协议是为网络中互相通信的对等实体间进行数据交换而建立的规则、标准或约定，规定信号的传输方式及其意义，是计算机网络不可缺少的组成部分，保证实体在计算机网络中有条不紊地交换数据。 实体(Entity)是指任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程，在大多数情况下，就是一个特定的软件进程。 位于不同系统的同一层
2、次内交互的实体，就构成了对等实体。,4,协议基本概念（Cont.）,英格兰国家物理实验室NPL(National Physical Laboratory)的R.A. Scantlebury和K.A.Bartlett在一份备忘录(A protocol for use in the NPL data communications network)中最早将“协议(protocol)”一词用于描述数据通信过程。（1967年4月，1969年ARPNET开始运行） “协议是关于分布式系统进行信息交换时的一种约定，协议应按照语言的方式进行定义。” 基于他们的观点：网络协议就是具有规定文法、语法和语义的语言，
3、其中，文法给出了有效信息的精确格式，语法描述了数据交换的规则，语义规定了可交换信息的词汇及其含义。,5,协议基本概念（Cont.）,协议三要素(从语言的角度来理解协议)： 语法（Syntax）：协议元素的结构或格式（怎么表达）。 语义（Semantics）：协议元素的类型，具体发出何种信息和采取何种动作（什么含义）。 同步（Timing）：相关事件实现的严格顺序（前后关系）。 五个基本要素(从功能实现的角度)： 服务说明 环境假设 协议词汇（消息类型） 消息的编码格式 过程规则,6,协议基本概念：语法,在语言学中，语法是指语言组成成分(词、句等)之间以按照什么样的关系结合而构成语句或语言，也即
4、是语言的结构方法和构成规则。 在网络协议中，可以将交换的报文(也称为协议数据单元PDU)分为两种：用于传输用户数据的数据报文和用于协议控制的控制报文。网络协议中的语法体现在数据报文 (包括其中的控制信息，通常在报文的首部)和各种控制报文的结构和格式上，也即是规定报文的长度，报文中划分多少个域(Field)，每个域的名称、意义、数据类型、长度等。其中，报文中各个域的类型、长度及相互间的位置、顺序关系则构成了词法。词法也是语法的一个组成部分。,7,协议基本概念：语义,网络协议的语义可以理解为协议数据报文中的控制信息和控制报文所约定的含义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 例如
5、： 报文首部控制信息中的目的地址信息指明了报文的目的地，接收到此报文的网络结点均将其作为进行路由选择的依据，因而在首部控制信息中特定域内出现的目标结点地址就是一种语义。 为了实现有连接的传输服务，设计了一套实现连接的控制报文。发起连接方构造一个请求连接的协议控制报文，这个“请求连接”就是该控制报文的语义。收端收到这个控制报文后，根据已知的格式分析规定域中报文编码就可了解这个“请求连接”的语义，从而作出“允许连接”或“拒绝连接”的响应。,8,协议基本概念：语义（Cont.）,例如： “允许连接”报文和“拒绝连接”报文的格式和语义也是协议中约定好的，通信双方通过这些约定语义的控制报文按一定时序关系
6、进行交换即可实现建立连接的功能和提供有连接服务。 在协议中常使用的“数据收到确认”报文(ACK报文)、“出错通知”报文、“紧急通知”报文等均可看成为具有特定语义的网络协议的语句，即协议的组成部分。,9,协议基本概念：同步,简单地说，同步是指事件实现顺序的详细说明。 具体来说，同步是指通信过程中各种控制报文传送的顺序关系，例如“允许连接”或“拒绝连接”报文必须是作为请求连接报文的一种响应来发送，“拆除连接”报文也必须在建立连接后的某种条件下发送，等等。 这种控制报文发送的时序关系，也决定了通信双方所处的通信状态(发送状态、接收状态、等待状态等)的制约关系，所以常用通信双方的有限状态机的方法来描述
7、网络协议。 在有些文献中，也将这种同步关系视为协议语法的一部分。,10,协议相关定义：进一步延伸,进一步延伸为计算机通信协议。 协议是计算机网络和分布式系统中各种通信实体或进程间相互交换信息时必须遵守的一组规则或约定。 网络协议工程中的许多技术和方法可应用到分布式系统中进程间通信协议的设计活动中。,11,协议相关定义：网络体系结构,大量研究和实践经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应采用层次式的。 在计算机网络中，将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构(architecture)。 ISO的OSI/RM（开放系统互连/参考模型） IBM的SNA（系统网络体系结构） DE
8、C的DNA（分布式网络体系结构） IETF的TCP/IP,12,内容提纲,1 网络协议基本概念 2 网络协议的发展和要素 3 网络协议缺陷示例 4 协议标准化 5 网络协议工程 6 网络协议设计方法 7 协议形式化描述技术,13,协议的发展：早期的协议,战争中的烽火通信、敲鼓和鸣锣 改进的火炬通信（两组，每组五个火炬） 美国革命战争使用的悬挂不同物品的旗杆 Chappe的反射信号系统（一个调节器和两个指示器） 百叶窗通信系统（多扇百叶窗构成简单0、1序列）。 Telegraph，节省成本和提高速度。 Firstly used on several lines of the Great West
9、ern Railways in England Purpose: avoid more than one train is in the tunnel at the same time.,14,火炬通信,协议的发展：早期的协议,反射信号系统,百叶窗通信系统,15,协议的发展：电报(Telegraph),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
10、，第一个电报系统的专利，“五磁针信号系统”。 1842年，Cooke“火车可以无所畏惧地行驶，而无论时间是否正确，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”。,16,协议的发展：现代网络协议,IBM SNA、ISO OSI/RM和DoD TCP/IP等著名体系结构和协议已发挥了不可估量的作用； SNA是协议体系结构的开拓者； OSI/RM是网络协议的指路灯； TCP/IP是目前盛行的实事上的工业标准； XTP、VMTP、IPv6和NETBLT的出现，将使计算机网络进入一个高性能的时代。,17,协议的类别,链路协议 网络协议 传输协议 应用协议 控制
11、协议 信令协议 接口协议 管理维护协议 ,18,协议五要素说明（Lynch简单文件传送协议）,服务说明 通过电话线传输文本文件，一个发送端和一个接收端、全双工通信 环境假设 包括两个用户和一条传输通道，用户仅需提交文件传送请求，传输通道可能引起消息出错，但不会造成消息丢失和复制，并可检测出错误的消息 协议词汇 定义了三种消息（报文）ack（肯定确认的消息）、nak（否定确认的消息）和err（传输错误的消息）,19,协议五要素说明（Lynch简单文件传送协议）,消息的编码格式 包含两个部分：控制字段和数据字段 con_tag，data enum control ack, nak, err str
12、uct message enum control con_tag; unsigned char data; 过程规则（自然语言描述） （1）如果收端收到正确消息，则在回送的消息中加入ack；否则收到了错误消息，则反馈的消息中加入nak。 （2）如果发端收到带有nak的消息，则重传上一个消息，否则发送下一个消息。,20,Lynch简单文件传送协议的工作流程图,注释：next:o表示取出将要传送的下一个数据项； i表示输入，o表示输出,21,内容提纲,1 网络协议基本概念 2 网络协议的发展和要素 3 网络协议缺陷示例 4 协议标准化 5 网络协议工程 6 网络协议设计方法 7 协议形式化描述技术
13、,22,协议缺陷示例:克莱顿隧道事故,23,协议缺陷示例：技术(Technology),semaphores with block-interval system(空闲/阻塞信号系统) turn green signal 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 whi
14、te flags to replace malfunctioning semaphore,24,协议缺陷示例：报文(Messages),Message: TT: Train in Tunnel（火车在隧道中） TF: Tunnel is Free（隧道已空） TL: Has Train left the Tunnel?（火车离开隧道否？）,25,协议缺陷示例：差错控制机制,Error Free Functioning（正常情况） train enters tunnel, signalman A sends TT to B train leaves the tunnel, B sends TF
15、to A A sets semaphore to green by hand Under Error Situation（故障情况） 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,26,协议缺陷示例：事故(Accident),One day in August 1861 at Clayton Tunnel. train-1 enters
16、 tunnel, block-interval system fails(fails 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, could not stop in time, and has already passed the green signal. Fortunately, its driver glimpse the red flag just in time as he enters the tunnel. train-3 sees the red flag and stops before the tunnel entrance.,27,协议缺陷示例：事故（Accident),A sends another TT to B (for train-2), wish to no
