通信软件设计基础

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1、第2 章 协议分析技术2.1 协议环境分析2.1.1 用户要求1，连接管理 2，广播与组播 3，服务证实方式:用户证实方式（请求，指示，响应，证实），协议证实方式 （请求，指示，证实），无证实方式（请求，证实）。还有其他 的证实方式：本地证实方式，单请求原语证实方式，单指示 原语证实方式。4通信方式：涉及两个方面的内容,a数据发送权，b,数据发送方式。 数据发送权（用户发送数据的权力）有单工，半双工，双工 数据发送方式：通信双方是同步（对方应答发送下一个数据包， n 层协议可以免去控制流）还是异步通信（不需对方应答可发 任意个数据报文，需加流量控制）。5，数据形式：用户可以向协议实体递交多种形

2、式的用户数据（块数据，流数 据，批数据，优先数据，中断数据，流外信息，编码信息）6, 数据长度：应付大宗批数据的传送，n层协议要加宽n-1层通道的带宽，要进行流量控制和拥塞避免控制，因此要有足够的缓冲区。7, 服务质量（Qos）要求：安全性（鉴权，保密，访问控制，完整性），可靠性（完全性，非二义性，时间有序），性能要求（吞吐率，时延， 抖动，差错率）2.1.2 通道性质（n-1）层通道：n层中的两个任何两个协议实体通过（n-1）SAP所形成的数据逻辑通路， 通道的性质对n层协议的功能是有影响的。1， 通道的形成形式：独占连接方式，共享连接方式，无连接方式。如果 n-1 层为物理层。 A,B 可

3、以独占一条物理信道，或共享一条物理信道。N层协议必须有个负责与n-1层服务访问点接口的模块，此模块的功能取决 于通道形成的方式，该模块要扶着连接的建立和连接共享控制工作。如果 是物理信道要控制物理信道接口的工作和信道共享控制工作。2，队列性质：n-1层通道可以看成是队列通道，就是说一个数据报文从n层从 源端协议实体发出之后要在 n 层协议以下各层多次存储转发，每个存储转 发就形成一个队列。其性质是：平均队列长度，最大队列允许长度。平均 队列长度影响数据报文的传输时延，最大队列长度则反映通道承载突发数 据的能力。3，往返时间（RTT）： n层源端实体出发到该报文的证实信息回到该实体所花费 的时间

4、。主要用于监视证实报文到达的定时器定时时长。4， 数据的可靠性：数据在通道传输的可靠性包括报文的出错率，报文的重复 率，报文顺序错误率。通道的形成形式对数据可靠性有一定的关系oN-1层 的有连接服务或者物理信道，那么他的报文传递顺序不会改变；如果是面 向无连接的，那么报文的传递顺序就是无法无法保障的。5， 通道的可靠性：断链，复位的概率。6， 报文的最大长度7， 工作方式：单工，半双工，双工，同步，异步。2.1.3 工作模式1点对点模式和多点模式：n层协议实体利用一条n-1层通道通信，协同完成 指定协议功能，成为点对点模式。两个以上的协议实体利用多条通道相互通 信，协同执行指定任务。2，主从模

5、式和平衡模式：在点对点或多点模式，如果一个协议实体为主控实体， 其他的实体受主控实体控制，则这个模式是主从模式。如果各协议之间的作 用和功能是相似的，控制上市自制的，此模式是平衡模式。3，中转和路由： n 层内两个协议实体不能形成或直接形成通道，此时他们的通 信必须通过中转实体进行。2.2 协议功能分析这里要讨论的协议的功能就死针对整个计算机网络而言，具体到某一层就 是，其协议功能就是这些功能的一个子集。2.2.1 连接控制管理 该功能负责用户之间连接的建立、维护及释放的管理工作。主要包括： 合法性检查，密匙交换， Qos 协商，资源分配与回收，连接目标，地址 的翻译。1， 合法性的检查：建立

6、连接的同时对用户身份合法性的验证。可以是连接 双方相互验证，也可以是单方验证。2， 密匙交换：建立连接的同时，两个用户之间安全的交换一个密匙，以便 在数据交换时对数据经行加密传送。3， Qos 协商：建立连接期间，发起连接请求的用户与服务提供者或连接响 应者之间就数据传输的服务质量经行协商，如果他们找不到相互直接的 Qos，则不能建立连接。一般有两种QOS协商过程：发起者建议的Qos 被服务者，响应者或者二者同时接受和拒接；发起者建议的 Qos 被服务 提供者或响应者同时接受降级或拒接。2.2.2 通信方式的管理对半双工通信， n 层协议要经行对用户“发信权”的管理，只有获得 此权的用户才可以

7、对端用户发送数据。对于双工的通信方式， n 层协 议要使他的用户在任何时刻递交SDU和接受SDU，即具有并发的收发 功能。2.2.3 数据接受/发送管理N层用户和n层协议之间传送的数据成为服务数据单元（SDU）。N 层协议之间传送的数据成为协议数据单元（PDU）。数据发送接收管理 功能就是把用户提交的SDU以PDU的形式，通过下层通道发送给对端 协议实体,在接收端再将PDU还原成SDU送给端用户。细分以下几种： 1，PDU的封装与解封装:用户递交的SDU加上协议控制信息PCI封装成PDU， 在接收端收到的PDU去掉PCI还原成SDU.2， SDU 的分段与装配：如果下层通道的带宽不能满足传递的

8、 SDU 的需要， 就需要将一个SDU进行分段后再封装，在接收端再将这些PDU解封装后 重新装配成SDU。3，SDU的拼接/分离:拼接就是将多个较短的SDU封装成一个PDU来发送， 在接收端解封装后再分离出多个SDU。采用拼接可以提高通道的利用率。4，PDU的分割和重组：PDU的分割是指在发送端n层协议实体的PDU分割 成多个SDU，并行的从多个通道发送出去，接收端再将SDU组合成一个 PDU，由于这是个n层功能，所以组合操作在n层中经行。5， 通信量的填充:产生虚假的 SDU 主要有两个目的:恒定速率的数据流， 无正常的 SDU 就需要虚假的 SDU 来填充；另外一个原因就是填充 SDU 至

9、 恒定的长度。填充满足的一个条件:假的SDU既不能被识别成正常数据， 又能从正常的数据流中区别开来。2.2.4 数据安全与完整性数据的安全通过加密功能来完成，加密功能完成数据的密码转换， 他把数据从明文变成密文。相反的功能就是解密，把密文变成明文，数 据的语义就得到恢复，加密和解密时基于一个公开的算法和一个必须保 密的密匙，或者两个密匙，其中有个是公开的。数据的完整性是通过加效验和或前向纠错来实现的。加效验和功能 是以 PDU 作为输入，产生一个固定大小的校验和作为输出，校验和是一 种针对PDU中所有位的功能，提供位差错检验能力，任何一位的改变将 导致不同的校验和。其算法包括:奇偶效验，累加和

10、效验， CRC 效验。前向纠错功能以 PDU 作为输入，产生一个冗余数据块作为输出，其 相反的功能就是输入PDU和冗余数据块，检查并纠正数据中可能存在的 比特差错，返回正常的数据，如果错误不能纠正则指示失败。2.2.5 发送/接受控制保证接受到的数据不丢失，不重复，接受顺序正确。以满足客户的可靠 性要求:1， 顺序控制:为保证顺序发送，每个都分配一个序列号，顺序控制功能负责 核对接受到的PDU的序列号，剔除重复的PDU，保证接受到的PDU无重 复，接受顺序正确。2， 重发控制:保证报文不丢失。3，速率流控：调节发送端发送PDU的间隔，保证接收端和中间节点之间不会 造成拥塞。4，抖动补偿：最大S

11、DU和最小SDU传输时延之间的差值，为了保证接受端 接受到的 SDU 是连续的，就需要进行抖动补偿。一般通过设置缓冲，延迟 递交数据流中的第一个SDU来补偿时延差。5，窗口流控：调节发送者和接受者之间传输的SDU的数据总量，以免在接收 端产生溢出。2.2.6 中继中转实体具有的功能就是中继的功能。其作用是为两个不同的连接搭桥，形 成一个连接 （物理层-中继器，链路层网桥，网络层路由器，传输层网关）2.2.7 路由选择当网络中存在多个中转实体时，在中转实体中就需要路由选择功能，路由 选择就是根据数据流的目的地址选择下一个中转实体。1， 性能：选择具有最大吞吐率，最小端对端时延，和最小时延抖动的

12、任意组合路径。2， 可靠性：选择具有最小丢包率和最小差错率的路由。3，安全性：选择提供适当保护级的路由。4， 价格：价格最少的路由2.2.8 通道管理负责通道的形成，监视通道状态，处理通道故障，以及共享通道控制。2.2.9其他功能：除了以上的功能 如环路测试，流量统计，无活动控制。第三章 协议设计技术协议设计主要解决如何实现协议功能，包括采用什么方法，设计采用多少服务原语， 需要多少的PDU, PDU的格式怎么样写，协议采用什么样的结构。协议设计分三部分来考虑：1 协议结构设计；2 协议机制设计；3 协议元素设计；3.1 协议结构设计与其他的软件一样，在设计协议时，先要设计好协议的结构，然后再

13、设 计协议的内容，协议的结构可以从三个方面来考虑：分层，分阶段，分类。1,协议分层：OSI将计算机网路分为七层，TCP/IP将计算机网路分为五层。 分层的原则是:与用户接口的协议实体和下层通道的协议实体在功能上 是相互独立的，而且各层的功能都比较复杂。通过划分子层使复杂的协 议的结构变得清晰，有利于协议的设计，验证，实现和测试，但是由于 增加了子层之间的通信，使得协议效率降低。协议分层的例子，例如数 据链路层协议都再分成逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）两 个子层。2， 协议分阶段： n 层协议分成多个运行阶段，每个阶段都只需要部分协议 功能在工作，使得协议的运行过程都有明显的阶段

14、性。3，协议分类：是指n层协议需要满足不同用户要求或需要适应不同的下层 通道时，把n层协议划分成不同的类别，每类协议都只用于一定的用户 和一定的通道，具有简化协议的作用。3.2 协议机制设计机制设计就是实现协议功能的方法，策略，算法等。由于协议功能多种 多样，因此协议机制的设计不能有统一的方法。还需要注意以下几点：1， 运行效率：通信协议一般都有实时性，若效率过低，则不能满足要求 2， 资源利用率：存储资源的利用率，协议运行期间用到的缓存，缓存大小 的设计关系到协议的运行效率和吞吐量。3， 异常处理3.2.1 连接控制管理以 TCP 协议建立连接和释放连接为例。 TCP 建立一个连接采用 3

15、次 握手方案，即主机1向主机2发出建立连接报文（SNY比特置位），主机 2收到建立连接请求时向主机1会送证实+请求报文（SNY和ACK比特均 置位），主机1收到主机2 的证实+请求报文时再向主机2发送证实报文， 三次握手成功，连接建立成功。两主机之间传递的TCP报文时（PDU） 都包含一个序列号，没发送一个报文序列号加1，溢出后归 0,。每次建 立连接时在两端都会随机产生一个初始序列号。由于建立连接时都会随机产生新的序列号，因而连接建立过程不会 受到前一次连接的重复报文的影响。如果两个主机同时向端发出连接请 求报文，在收到端的证实报文后建立连接。连接释放时关闭一个连接，为了晚上的关闭连接，通信

16、双方分别关 闭本方的输出流，先关闭输出流的一方要继续接收对方发来的数据报文， 直到收到对方发来的数据报文。连接释放过程采用的事用户证实方式， 主机1 协议实体向用户提交释放证实后并不是马上就回到空闲状态，而 是延迟一段时间，保证双方收到证实报文后才回到空闲状态。3.2.2 重发控制 重发控制用来保证 PDU 不丢失，其一般的做法是再发送一个 PDU 后，设定一个定时器，在定时器超时之前没有接收到证实报文就重发PDU, 定时器的时长一般由TTL来设定。由于TTL的不确定性，因此TCP采用 自适应方式来确定定时长度。其具体做法是：TCP通过测量收到一个应 答所需时间来为每个活动的连接估算RTT。当传输时延是常量时,TCP调整的定时长度比RTT的平均值要大一点，