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第2章 网络协议分析

发布时间:2019-08-17 22:31 来源:未知 编辑:admin

  第2章 网络协议分析_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。课程主要内容 ? 第1章 概述 ? 第2章 网络协议分析 ? 第3章 网络协议设计技术 ? 第4章 网络协议形式化描述 ? 第5章 网络协议验证技术 ? 第6章 网络协议综合与实现 ? 第7章

  课程主要内容 ? 第1章 概述 ? 第2章 网络协议分析 ? 第3章 网络协议设计技术 ? 第4章 网络协议形式化描述 ? 第5章 网络协议验证技术 ? 第6章 网络协议综合与实现 ? 第7章 网络协议一致性测试技术 华北电力大学 协议分析 协议分析包括两大部分 – 协议环境分析 – 协议功能分析 不管是设计开发一个新的协议,还是设计实 现一个具体协议,都需要从协议的环境分析入手, 只有了解了协议的环境,才能明确协议的功能, 协议设计才能进行。 华北电力大学 第2章 网络协议分析 2.1 协议环境 2.2 协议环境分析 2.3 协议功能分析 华北电力大学 2.1 协议环境 2.1.1 系统相互作用及协议 2.1.2 n层协议模型 2.1.3 协议环境 华北电力大学 2.1 协议环境 2.1.1 系统相互作用及协议 1、分层嵌套系统模型 ? 计算机网络以及分布计算机系统可抽象成一个分 层嵌套的系统模型。 ? 第n层的全局系统由多个分布的局部系统组成,而 这些局部系统由一个或多个信道系统耦合起来。 ? (n)层的各个局部系统以及信道系统本身又可看 做(n-1)层的全局系统。 华北电力大学 分层嵌套系统模型 观察作用点 S1 S11 S2 S12 n层全局系统 外部环境 S2 S21 S3 S22 S3 S23 (n-1)层全局系统 华北电力大学 1 、分层嵌套系统模型 ? 局部系统 –主机、进程或任务、程序模块、外设、部件、OSI模 型中的实体或协议机等都可以作为局部系统。 ? 通道系统 –网络及其应用 ? 全局系统 –由通道系统耦合起来的各个局部系统在协议支持下协 同工作而形成全局系统。全局系统的行为是局部系统 和通道系统全体行为的总和。 ? 外部环境 –N层全局系统构成(n-1)层的外部环境。观察作用点是 全局系统和外部环境的接口。 华北电力大学 2 、系统的相互作用 ? 在n层全局系统内存在多种系统之间的相互作用 (交互作用),即: –局部系统与通道系统之间的相互作用 –局部系统之间的相互作用 –全局系统与外部环境之间的相互作用 ? 在n层内,系统相互作用按照确定规则进行,这 些系统作用规则的总和构成n层协议。 ? n层全局系统行为完全受n层协议制约。 华北电力大学 3、 事件与活动 局部系统是系统相互作用的主角,其活动由事 件驱动,分为: ? 内部事件: –局部系统内部产生的事件,如时钟超时。 ? 外部事件: –局部系统外部产生的事件,可能由外部环境引起(如 收到一个服务请求); –可能由通道系统产生(如收到一个报文、通道系统故 障); –可能由其它原因引起(如网络管理员的干预等)。 注:局部系统的活动按协议规定执行,局部系统也 称为协议机。 华北电力大学 4、协议与协议的描述 ? 基于上述系统相互作用的概念,给协议下的定 义如下: ? 定义:对于n层全局系统,局部系统之间相互作 用的规则以及它们与外部环境和通道系统相互 作用的规则的总和就是n层协议。 华北电力大学 4、 协议与协议的描述 ? 协议必须以某种方式(文字的、图形的)描述, ? 协议的描述至少应包括以下内容: –(1) 局部系统之间交换的报文的确切定义 –(2) 各局部系统在一个事件产生时进行什么样的活 动。 –(3)各局部系统怎样通过观察作用点使用通道系统 提供的服务。 –(4) 各局部系统怎样通过观察作用点向外部环境提 供服务 华北电力大学 2.1 协议环境 2.1.1 系统相互作用及协议 2.1.2 n层协议模型 2.1.3 协议环境 华北电力大学 2.1 协议环境 2.1.2 n 层协议模型 (n) 服务用户 (n + 1) 层 接受(n)服务的是 上一层实体,即 (n+1)实体。它们 两个 (n)实体在 (n) (n) 层 也称为 (n) 用户或 协议的控制下的 更严格些是(n)服 通信,使 (n)层能 务用户。 够向上一层(n+1) 提供服务。这种 服务就是(n)服务。 (n - 1) 层 (n+1) 实体 (n)SPs nSAP 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。 (n+1) 实体 (n)SPs 提供(n)服务 (n) 协议 (n)PDUs (n-1)SPs nSAP (n) 实体 (n) 实体 (n-1)SPs (n-1)SAP (n-1)SAP 提供(n-1)服务 通过(n-1)连接进行通信 (n) 服务提供者 华北电力大学 n 层协议模型 (n + 1) 层 一个(n)实体向上一层所提供的服务由 以下三部分构成: (1) (n)实体自己提供的某些功能。 (2) 从(n-1)层及其以下各层以及本地系 统环境得到的服务。 (3) 通过与处在另一系统中的对等 (n) 服务用户 (n) 实体的通信而得到的服务。 (n+1) 实体 (n+1) 实体 (n)SPs (n)SPs nSAP nSAP 提供(n)服务 将(n)层对等实体之间, 为实现该层协议所交换 (n) 协议 (n) 层 (n) 实体 (n) 实体 的信息单元称为协议数 (n)PDUs 据单元PDU(Protocol (n-1)SPs (n-1)SPs Data Unit)。通常将第n 层的协议数据单元记为 (n-1)SAP 提供(n-1)服务 (n-1)SAP (n)PDU。 通过(n-1)连接进行通信 (n - 1) 层 (n) 服务提供者 华北电力大学 n 层协议模型 同一系统中相 (n + 1) 层 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 (n) 层 (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 (n) 服务用户 体做哪些事情。OSI原语 (n+1) 实体 (n+1) 实体 (n)SPs nSAP (n)SPs 提供(n)服务 (n) 协议 (n)PDUs (n-1)SPs nSAP (n) 实体 (n) 实体 (n-1)SPs (n-1)SAP (n-1)SAP 提供(n-1)服务 通过(n-1)连接进行通信 (n) 服务提供者 (n - 1) 层 华北电力大学 n 层协议模型 ? 常用名词术语: –协议实体 –协议机 –服务、服务提供者、服务使用者、服务访问点、服务 原语、服务规范 –地址 –协议、协议规范、协议数据单元、服务数据单元、协 议控制信息 华北电力大学 常用名词术语的解释: –协议实体(protocol entity): ? 简称实体,一个实体就是一个局部系统,n层实体记 作(n)-entity, ? OSI模型各层实体分别记作A-entity, P-entity等。 –协议机(protocol machine) ? 协议机即协议实体,缩写为PM ? OSI模型各层协议机记作APM,PPM等。 华北电力大学 –服务(Service) ? n层服务是n层全局系统行为的一种体现。n层服务 向外部环境提供服务,外部环境使用n层服务,并 可通过n层服务观察n层全局系统的行为。 ? n层服务记作(n)-service. ? 如A-Service, P-Service,S-Service等。 –服务提供者(Service provider) ? n层服务的提供者就是n层的局部系统(协议机)。 华北电力大学 –服务使用者(Service user) ? n层服务的使用者是(n+1)层的局部系统,但不一定 是协议机。 ? n层服务的使用者简称n层用户。 –服务访问点(SAP) ? 是服务使用者和服务提供者的接口(观察作用点) ? n层服务访问点记作(n)SAP –服务规范(Service specification) ? 确切定义了服务使用者和服务提供者之间相互作用 的规则(例如,服务原语的执行序列等)。 华北电力大学 –地址(address) ? 地址就是服务访问点标识, ? n层地址标记为(n)-address ? OSI模型各层的地址分别记作A-Address, P-Address 等。 –协议(protocol) ? 协议是一组n层实体在执行n层功能中相互通讯行为的 规则和格式(语法和语义)。 –协议规范(protocol specification) ? 协议规范用某种语言确切定义了实体之间通讯规则和 交换的报文的格式,以及实体利用低层服务的规则。 华北电力大学 协议数据单元PDU ? 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) 华北电力大学 PDUs and SDUs ? OSI将服务提供者和服务使用者之间传递的数据 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”)。 华北电力大学 PDUs and SDUs (续) (N+1) service (N+1) PE (N) service (N) PE PCI PCI PCI Data Data PCI Data (N+1) SDU (N+1) PDU (N) SDU (N) PDU 华北电力大学 服务原语SP(Service Primitives) ? 服务原语(Service primitive) –服务原语是服务使用者和服务提供者相互作用的原子 行动的描述。 –原子行动是不可部分执行的行动,要么完全执行,要 么不执行。 –服务原语描述服务提供者和服务使用者一次原子交互 作用的名称以及各参数的含义。 ? 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 华北电力大学 2.1 协议环境 2.1.1 系统相互作用及协议 2.1.2 n层协议模型 2.1.3 协议环境的概念 华北电力大学 2.1.3 什么是协议环境? ? (n)层可有多个协议实体,它们怎样分布、各起什么作 用,n层协议运行时的操作系统和硬件环境等 属于协议 工作模式问题。 ? (n+1)层协议实体称为第n层协议的用户,即(n)用户。 ? (n)层协议实体利用 (n-l)层协议提供的服务、按照 n层 协议进行通信,这种通信活动在两个 (n-l)SAP(服务访 问点)之间构成一个通道。 ? N层中任何两个协议实体通过(n-1)SAP所形成的数据逻辑 通路称之为(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。 华北电力大学 什么是协议环境? 华北电力大学 注意: 以下三对概念将混用,不作严格区分 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 (n-1)层通道和(n-1)层服务 华北电力大学 2.2 协议环境分析 2.2.1 协议环境分析—(n)层用户要求 2.2.2 协议环境分析—(n-1)层通道性质 2.2.3 协议环境分析—(n)层工作模式 华北电力大学 2.2.1协议环境分析—(n)层用户要求 n层用户对n层协议提供的服务要求归纳为以下几 个方面: 1、连接管理 2、广播与组播 3、服务确认方式 4、通信方式 5、数据形式、数据长度、数据可靠性、数据实时 性 6、服务质量(QoS)要求 7、目标识别(寻址)、其他要求 华北电力大学 (n)层用户要求1-连接管理 1、连接管理 n层用户可要求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、撤消、作废、复位、恢复等管理工 作。 华北电力大学 (n)层用户要求1-连接管理 ? 面向连接的(connection-oriented) 服务 ? 三个阶段:连接建立、数据传输和连接释放 ? 在传送数据时是按序传送的 ? 网络层:虚电路服务 ? 适合于在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况 又称“可靠的数据报”。对 每一个报文产生一个证实给 不需要接收端做任何 ? 永久虚电路:适于两个用户需要经常进行频繁的通信的情 收端用户每收到一个报文, 发方用户,不过这个证实不 响应。尽最大努力交 况 。 就向发端用户发送一个应答 是来自接收端的用户而是来 会(best effort delivery) 自提供服务的层。 服务 报文。适于“事务 ? 无连接的(connectionless) (transaction)”中的通信。 ? 不能保证报文的丢失、重复、失序 ? 三种类型:数据报(datagram)、证实交付(confirmed delivery, 可靠的数据报)、请求回答(request-reply) ? 适于传送少量零星的报文 华北电力大学 思考: 1、在Internet中,有很多应用层协议利用面向连 接的TCP协议,也有很多利用无连接的UDP协议。 在选择面向连接的服务还是选择无连接服务方面 能否通过一些例子来发现一些带有共性的规律? 2、HTTP协议利用有连接的TCP作为传输通道,并且 不断地建立连接和断开连接。请说明这样做的好 处和坏处。(建议查找与HTTP相关的RFC) 华北电力大学 (n)层用户要求2- 广播与组播 2、广播与组播 广播是指一个n层用户发出的数据报,在同一 个网络中的其他用户都能够接收到。 组播是指一个或多个n层用户发出的数据报, 在网络中有一组用户可以接收到该数据报,每个 用户可以加入或退出该组。 华北电力大学 (n)层用户要求3-服务证实方式 3、服务证实方式 n层用户通过服务原语得到n层协议提供的服务, 服务原语的交换时序称为服务证实方式。 有三种形式服务证实方式: –完全证实方式 –部分证实方式 –无证实方式 华北电力大学 ? 完全证实式服务需要4条服务原语: -request(请求) -indication(指示) -response(响应) -confirm(证实) data_confirm data_request (n+1)层 n层 (n)SAP data_indication data_response 如果n层用户需要进行应答式通信,就要要求完全证实 式服务,但在这种服务证实方式下通信效率较低。 华北电力大学 ? 部分证实式服务需 3条服务原语: -request -indication -confirm data_confirm data_request (n+1)层 n层 data_indication (n)SAP ? 无证实式服务只需 要2条服务原语: -request -indication data_request (n+1)层 n层 data_indication (n)SAP ?在部分证实式服务中confirm可发自n层协议的任何一个地方。 ?无证实式和部分证实式服务可使n层用户进行异步通信,获 得较高的通信流量。 华北电力大学 (n)层用户要求4-通信方式 用户通信方式涉及两个方面: ① 单工/半双工/全双工 ② 同步/异步 38 华北电力大学 通信方式① 单工/半双工/全双工 ? 单工通信方式是指在通信过程中,只允许一方用 户向另一方用户发送数据报文。 ? 半双工通信方式是指指在通信过程中,通信双方 都可以向对方发送数据报文,但在某一时刻只允 许一方向另一方发送数据报文。 –n层协议需要管理“发信权”,只有得到“发信权” 的用户可以向对方发送数据报文。 ? 全双工通信方式是指在通信过程中,通信双方可 以同时向对方发送数据报文。 –要求n层协议必须在(n)SAP上提供并发的收发服务。 华北电力大学 通信方式② 同步/异步 ? 同步通信方式是指n层用户之间进行应答式通信 ,发送方发出数据报文后,要得到对方的应答数 据报文才会发送下一个数据报文。 –同步通信方式,n层协议可以免除流控功能。n层用户 的同步通信可以通过n层协议提供的完全证实式服务进 行,也可以由用户自己进行控制。 ? 异步通信方式是指发送数据的用户可向收方用户 发出任意个数据报文,不需要对方对每个数据报 文做出应答。在这种通信方式下,n层协议必须 施加流控制,否则报文可能会丢失。 华北电力大学 (n)层用户要求5-数据形式、数据长度、数据可靠 性、数据实时性 数据形式: – 块数据:n层用户向n层协议递交整块数据。如UDP的报文 – 流数据: n层用户数据是以一串字节流的形式交给n层协议传送,如 TCP的字节流 – 批数据:在短时间内, n层用户向n层协议递交大批数据块 – 优先数据: n层用户向n层协议递交的数据有不同优先级别,IPv6支 持 – 带外数据(Out of Band Data):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,此信息叫带外数据(OutOf-Band data),有时候也称为快速数据(Expedited Data). – 紧急数据(Expedited Data): n层用户要求n层协议中断正常数据的 传送而将此类数据优先发送,是带外数据的一种,如TCP的紧急数据 。 – 编码数据: n层用户要求n层协议先对这类数据进行某种编码,然后 再发送 华北电力大学 (n)层用户要求5-数据形式、数据长度、数据 可靠性、数据实时性 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。 ? 如果数据块过长,n层协议需要分段发送。 ? 为了应付大批量数据的传送,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, 要有足够的数据缓冲区。 华北电力大学 (n)层用户要求5-数据形式、数据长度 、数据可靠性、数据实时性 可靠性要求主要体现在以下几点: ? 完整性:确保SDU中传递的信息在接收端与发送端是相同 的,即数据报文无校验错。 ? 完全性:确保所有的SDU至少传递一次,即报文不丢失。 ? 非二义性:确保所有的SDU至多传递一次,即报文不重复。 ? 时间有序:确保所有的SDU按发送次序接收,即报文顺序正 确。 实时性: n层用户可向n层协议提出实时性要求,n层协议要采取相 应的措施以满足用户要求。 华北电力大学 (n)层用户要求6-服务质量(QoS)要求 6、服务质量(QoS)要求—安全性、性能要求 安全性— –鉴权:只允许合法用户建立连接。 –访问控制:防止对一个服务提供者的资源进行未授权 使用。 –保密性:保证在SDU中传递的信息不被泄漏。 性能要求— –吞吐率:在一定的时间单位内传输的数据总量。 –时延:一个SDU从传输请求到传输指示之间需要一定时 间,这段时间就是传输时延。时延要求就是规定该时 延的最大值。 –抖动:为最大时延与最小时延之间的差值。 –差错率:数据报丢失和出错的概率。 华北电力大学 (n)层用户要求7-目标识别(寻址)、其他要求 7、目标识别(寻址) 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(索引值),说明目标的参照(索引)值。 –n层协议必须维持和管理一个地址—名字表或地址— 索引表。 8、其它用户要求 –n层用户的其它可能的要求包括测试、监视、统计、 记帐等. 华北电力大学 2.2 协议环境分析 2.2.1 协议环境分析—(n)层用户要求 2.2.2 协议环境分析—(n-1)层通道性质 2.2.3 协议环境分析—(n)层工作模式 华北电力大学 2.2.2 协议环境分析—(n-1)层通道性质 ? n层中任何两个协议实体通过 (n-l)SAP所形成的 数据逻辑通路叫(n-1)层通道。 (n)层协议使用的(n-1)层通道性质对(n)层协议功能有影响。 华北电力大学 通道类别 1.空通道(empty channels) :报文的传送时间 和延时时间为0的通道。 –“空”的含义是通道任何时刻都不容纳报文,或者报 文一旦从输入端进入就会立即在输出端出现。 2.非缓冲通道(non-buffered channels) :任何 时刻,最多只有一个正在传送中报文的通道。 3.缓冲通道(buffered channnels) :允许多个 报文停留的通道就做缓冲通道。 48 华北电力大学 (n-1)层通道性质-通道形成方式 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。 n层协议实体A和B可用3种方法形成(n-1)层通 道。 49 华北电力大学 通道形成方式 (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 (2)A和B和其它协议 实体共享一条连接 C A B D A和B独占一条连接 共享连接 C A B D (3)A和B利用 (n-1)层提供的 无连接服务进行通 讯 (n-1)层无连接服务 华北电力大学 (n-1)层通道性质-队列性质 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 多次存贮转发,每个存贮转发处就存在一个队列。 ? 平均队列长度以及最大队列允许长度是队列的主要性质 。 –平均队列长度影响数据报文的传输时延,平均队列长 度越长,传输时延就越大。 –而最大队列长度则反映通道承载突发数据的能力,队 列越长,通道的缓冲容量就越大,承载突发数据的能 力也就越强。 –如果队列实际长度达到最大允许长度,那么后续的数 据报文将会丢失。 华北电力大学 (n-1)层通道性质-RTT(往返时间) 3、RTT(Round Trip Time)定义为报文从n层源 端实体发出到该报文的证实信息回到该实体所花费 的时间, –它包括报文从源端实体传送到目标实体所需时间、目 标实体收到报文之后,对报文进行处理然后发出证实 信息的时间以及证实报文的传送时间。 –RTT是n层协议的最重要参数之一。主要用于确定监视 证实报文到达的定时器定时时长。 52 华北电力大学 (n-1)层通道性质-通道的差错性、通道可靠性 4、通道的差错性 数据在通道中传送的差错性包括 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) 的发生概率。 华北电力大学 (n-1)层通道性质-通道的差错性、通道可靠性 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。 ? 例子,Ethernet的MTU 7、工作方式 单工/半双工/全双工 同步/异步 n层协议将根据工作方式提高通道利用率。 8、其它性质 (n-1)层通道的其他性质包括流通量,带宽等 华北电力大学 2.2 协议环境分析 2.2.1 协议环境分析—(n)层用户要求 2.2.2 协议环境分析—(n-1)层通道性质 2.2.3 协议环境分析—(n)层工作模式 华北电力大学 2.2.3 协议环境分析—(n)层工作模式 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。 (n+1)层 USER1 USER2 nSAP n层 A B (n-1)层 (n-1)SAP 点—点模式 56 华北电力大学 (n)层工作模式 1、点—点模式和多点模式 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。 (n+1)层 USER1 USER2 USER3 nSAP n层 A n层协议 B C (n-1)层 多点模式 57 华北电力大学 (n)层工作模式 2、主从模式和平衡模式 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,控制上是自治的, 此模式为平衡模式。 58 华北电力大学 (n)层工作模式 3、中转和路由 (n)层内两个协议 实体不能找到或形成 直接通道(或是因为 它们的协议不同,或 是因为(n-1)层服务不 相同),此时它们的 通信必须通过中转实 体进行。 如果在(n)层内存 在多个中转实体,这 些中转实体形成一个 逻辑网络,这时就要 求每个中转实体要有 路由功能。中转实体 可以不直接向(n)层用 户提供服务(如图中 的实体C)。 (n+1)层 n层 A C B (n-1)层 N-1层服务不同 (n+1)层 n层 A C B (n-1)层 A和B协议不同 华北电力大学 2.3 协议功能分析 ? 完成协议环境分析后,基本上就可以明确(n)层协议应 该具有哪些功能了。 ? (n)层协议功能—指n层协议应该做哪些事情。 ? (N)层协议为了向上一层提供服务,必须实现一定的功能。 ? (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。 ? 协议的工作模式一般在网络总体设计时确立,例如 TCP/IP的网络层为多点模式,有路由功能。 华北电力大学 2.3 协议功能分析 ? 这里要讨论的协议功能是针对整个网络的一般功 能,具体到某一层,其协议功能可能只是这些功 能的一个子集。 –例如,运输层为了向上层提供可靠的面向连接的数据 传输服务,一般需要实现下列功能:连接管理、差错 控制、流量控制等,如TCP; –如果提供无连接的服务,则不需连接管理,如UDP。 ? 协议功能分为以下几类: –连接控制与通信方式管理 –数据发送/接收管理 –发送/接收控制, –中继与路由选择 –通道管理 华北电力大学 2.3 协议功能分析 2.3.1 连接控制与通信方式管理 2.3.2 数据发送/接收管理 2.3.3 发送/接收控制, 2.3.4 中继与路由选择 2.3.5 通道管理 华北电力大学 2.3.1 协议功能分析—连接控制及通讯方式管理 1、连接管理: 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, QoS协商,资源分配,连接目标名字和地址翻译等工作。 – 合法性检查:在建立连接的同时对用户的身份进行验 证。 – 密钥交换:在建立连接的同时,在两个用户之间安全 地交换一个密钥,以便在数据传输阶段进行加密传送。 – QoS协商:在建立连接期间,发起连接请求的用户与 服务提供者或连接响应者可能会就数据传输的服务质 量(QoS)进行协商。如果他们找不到双方可以接受的 QoS,则不能建立连接,即连接建立失败。 华北电力大学 1、连接管理(续) ? 两种连接:点对点与点对多点 “成功地发送了”的定义依赖于所选 ? 三种主要功能: 择的服务质量:如果选择了可靠服务, –连接建立 服务提供者试图正确地传递所有的 SDU,必要时使用重传技术。然而对 ? 连接合法性检查,连接安全性控制 于一个不可靠的服务,服务提供者在 ? 双方协商工作参数:初始序号,信用量, QoS 所有的SDU离开本结点时就认为发送 ? 资源分配,连接目标名字和地址翻译 成功。 –连接释放 ? 突然释放:立即关闭 ? 文明(Graceful )释放:成功发送(含义)所有数据后关闭 –连接维护:如Keep-Alive查询,工作参数变更等 华北电力大学 1、连接管理(续) ? 在连接建立和释放阶段,为了对延迟的(n)PDU所导致的 错误的连接建立和释放进行保护,通常需要采取一些保 护措施,例如: –TCP协议采取的三次握手(three-way handshake)机制 –Fletcher 和Watson在1978年提出的基于时钟的连接 管理方法,它要求连接释放之后足够长的时间内保持 连接状态,以便检测所有可能的延迟的重复数据包 ? 其它功能: –连接迁移、转发、合并、分离、连接复用和分用等。 华北电力大学 2.3.1 协议功能分析— 连接控制及通讯方式管理 2、多路管理: –多路(即多路连接)管理是1的扩充。 3、无连接和广播管理 4、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和异步接收SDU,即具有并发的收发功 能。 华北电力大学 2.3 协议功能分析 2.3.1 连接控制与通信方式管理 2.3.2 数据发送/接收管理 2.3.3 发送/接收控制, 2.3.4 中继与路由选择 2.3.5 通道管理 华北电力大学 2.3.2 协议功能分析-数据发送/接收管理 (N)层用户与(N)层协议之间传递的数据称为服务数据 单元 (SDU)。 (N)层协议实体之间传递的数据称为协议数据单元(PDU )。 (N+1) service (N+1) PE (N) service (N) PE PCI Data PCI Data (N+1) SDU (N+1) PDU (N) SDU (N) PDU PCI PCI Data 华北电力大学 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。 69 华北电力大学 数据发送/接收管理 1、PDU的封装/解封装: –在发送方,(n)层协议必须将用户递交的SDU,按照 给定格式附上协议控制信息PCI,封装成PDU; –在接收方,讲接收到的PDU解封装,去掉PCI,还原成 SDU,送交接收方用户。 华北电力大学 数据发送/接收管理 2、SDU的分段和重 组 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) 分别封装成PDU发送出 去; 在接收方再将这些 PDU解封装后重组 (Reassembling)成 SDU。 重组 华北电力大学 分段` 数据发送/接收管理 3、SDU拼接/分离 拼接(合块):如 果SDU长度很小,发 方(n)层协议实体把 多个(n)SDU拼装 (Concatenation)成 一个(n)PDU后发送。 分离:到了接收方 协议将(n)PDU分离( Seperation)出多个 (n) SDU来。 采用拼接功能的 目的是提高通道的利 用率。 拼接 分离 华北电力大学 数据发送/接收管理 4、PDU分割/组 合 分 PDU分割:发端(n) 层协议实体把一个 (n)PDU分割成多个 (n-1)SDU,并行地 从多个(n-1)通道 发送出去; 组合:收端将收到 的多个(n-1)SDU组 合成一个(n)PDU。 割 组 合 华北电力大学 数据发送/接收管理 5、通信量填充 ? 两个目的: –一是为了产生一个恒定速率的数据流,无正常SDU传 送时就需要虚假的SDU来填充; –另一个目的是填充SDU至一个恒定的长度。 ? SDU填充内容的选择应能满足这样一个条件:在 收端,这些假的SDU和SDU填充内容即不会被识别 成正常数据,又能从正常数据流中区别出来。 华北电力大学 数据发送/接收管理 6、SDU的编码与解码: (n)层协议可能要对SDU进行编码、加密、压缩(发送 方)或解密、复原(接收方)。 7、加检验和: –为了实现差错检测,(n)层协议需要加检验和功能。 –接受(n)数据(全部或部分)作为输入,产生一个固定 大小的检验和作为输出。 –检验和的算法通常有以下几类:奇偶校验、循环冗余 校验(CRC)、散列函数(如MD5)、密码校验(如数据鉴别 算法)。 8、带外数据、紧急数据的发送和接收。 华北电力大学 2.3 协议功能分析 2.3.1 连接控制与通信方式管理 2.3.2 数据发送/接收管理 2.3.3 发送/接收控制 2.3.4 中继与路由选择 2.3.5 通道管理 华北电力大学 2.3.3 协议功能分析-发送/接收控制 1、差错控制: ? 在网络上进行通信会造成数据PDU以一定的概率被 损坏、丢失、重复和乱序。协议的差错控制功能负 责这些差错的检测及恢复,保证接收到的数据报不 丢失、不重复、接收顺序正确,以满足用户的可靠 性要求。 ? 差错控制功能由发送方和接收方共同实现,包括: 序号、确认、超时重传等概念。 华北电力大学 2.3.3 协议功能分析-发送/接收控制 1、差错控制(续) –每个PDU都分配了一个序列号,接收方核对接收到的 PDU序列号,剔除重复的PDU,保证接收到的数据报不 重复、接收顺序正确。 –确认、重传 一般采用接收方向发送方回送确认报文的方式,如果 接收到正确报文,接收方回送确认报文; 如果报文丢失或被损坏,发送方将得不到确认报文, 所以,在发送方需设臵定时器,如果定时器超时,说 明报文丢失或出错或确认报文丢失,发送方重发报文。 这就是重发控制功能。重发控制保证报文不丢失。 华北电力大学 2.3.3 协议功能分析-发送与接收控制 2、端-端流量控制: ? 流量控制是指“收端控制发端的发送数据速率 以使收端来得及接收,并且使网络不致过载” –为什么? ? 接收方的接收能力有限,即在一段时间内,收方 能够容纳和处理PDU个数总是有限的。 ? 缓存不够 ? 处理能力不够 –例子: ? 停止-等待( Stop and Wait) ? 滑动窗口(Sliding window ) 79 华北电力大学 2.3.3 协议功能分析-发送与接收控制 3、拥塞控制 ? 什么是拥塞 (congestion)? –在某段时间,若对网络中某一资源的需求超过了该资 源所能提供的可用部分,网络的性能就要变坏。这种 情况就叫做拥塞。 –资源(resources): ? 链路容量 ? 交换结点中的缓冲区(buffer) ? 处理机 ? 拥塞控制的主要功能 –防止网络因过载而引起吞吐量下降和迟延增加 –避免死锁 –在互相竞争的各用户之间公平地分配资源 华北电力大学 2.3.3 协议功能分析-发送与接收控制 4、抖动补偿 抖动:指最大SDU传输时延与最小SDU传输时延之间的差 值。在将分组数据从主机A发送到主机B的过程中,由于 分组传输路径不同,每个路径的长短和数据流量各不相 同,造成了分组到达接受端的时间有所不同,这样在接 受端接收分组时变得时断时连,这种现象称为抖动。 ? 为了保证接收方用户收到的SDU是连续的,就需要进行抖 动补偿。一般通过延迟数据流中的第一个SDU来补偿时延 差。 ? 抖动补偿功能使得协议能接受任何种类的通信量模式的 SDU数据流作为输入,产生一个连续的SDU流作为输出。 华北电力大学 2.3.3 协议功能分析-发送与接收控制 5、无活动控制 –在通信空闲期间内,周期性地检查所有通信参与者的 活跃度 –一般通过轮询来实现 6、通信量控制 –N层通信量控制功能监视(n)SDU数据流,检测该SDU的 通信量与所给定的性能QoS的详细说明是否一致。若检 测到不一致性的SDU,该功能丢弃与之相关的PDU,或 产生一个指示违反了性能QoS的信号。 7、通信量整形 –N层协议的通信量整形功能将突发性的(n)SDU(作为该 功能的输入)平滑为连续的(n)SDU流。 华北电力大学 2.3 协议功能分析 2.3.1 连接控制与通信方式管理 2.3.2 数据发送/接收管理 2.3.3 发送/接收控制 2.3.4 中继与路由选择 2.3.5 通道管理 华北电力大学 2.3.4 协议功能分析-中继与路由选择 1、中继功能是中转实体具有的功能, (N)中继功 能的作用是为两个(N-1)连接搭桥,形成一个 (N)连接。 –完成中继功能的节点通常称为中继系统。在OSI七层 模型中,处于不同层的中继系统具有不同的名称。 中继系统所在层 网络层 链路层 物理层 中继系统的名称 路由器 网桥 中继器 华北电力大学 2.3.4 协议功能分析-中继与路由选择 2、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。 ? (N)路由选择功能就是根据(N)数据流的目的地址选择下 一个中转实体(或下一节点)。 ? 路由选择功能一般采用路由表的形式来实现。路由表可 以是静态定义的,也可以是基于时间或事件驱动进行动 态更新的。 –基于静态定义的路由表的路由选择功能提供静态的路 由选择,它与(N-1)通道的状况(如负载情况)无关。 –基于动态更新路由表的路由选择功能提供适应性的路 由选择,由于路由表的内容会因为(N-1)通道状况的变 化而被改变,它为用户提供的路由是变化的。 华北电力大学 2.3.4 协议功能分析-中继与路由选择 2、路由选择(续) 路由选择可以基于以下因素: –性能:选择具有最大吞吐率、最小端到端时延 和最小时延抖动的任意组合的路由。 –可靠性:选择具有最小丢包率和最小位差错 率,或二者之一的路由。 –安全性:选择提供适当保护级的路由。 –价格:选择收费最少的路由。 华北电力大学 2.3 协议功能分析 2.3.1 连接控制与通信方式管理 2.3.2 数据发送/接收管理 2.3.3 发送/接收控制 2.3.4 中继与路由选择 2.3.5 通道管理 华北电力大学 2.3.5 协议功能分析-通道管理 1、通道接口管理: 该功能负责通道的形成(如建立连接) ,通道的状态 监测等工作。 2、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(如通 道复位、断连等的恢复) 。 3、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。 88 华北电力大学

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