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        《網(wǎng)絡(luò)原理》課程中協(xié)議可靠性探討

        2015-11-26 13:27:19崔杰吳優(yōu)仲紅
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2015年11期
        關(guān)鍵詞:問(wèn)題探究

        崔杰++吳優(yōu)++仲紅

        摘 要:網(wǎng)絡(luò)可靠性分析在提高網(wǎng)絡(luò)可靠性、生存性以及網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有重要意義。隨著各種網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的越來(lái)越大,網(wǎng)絡(luò)的可靠性也就顯得越來(lái)越重要。課堂中出現(xiàn)的藍(lán)、白軍進(jìn)攻問(wèn)題,涉及到網(wǎng)絡(luò)的可靠性協(xié)議。文章就半雙工通信的情況下,探討設(shè)計(jì)了一個(gè)協(xié)議,以便提供可靠的通信。

        關(guān)鍵詞:可靠性;協(xié)議;通訊網(wǎng)絡(luò);問(wèn)題探究

        中圖分類(lèi)號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2015)11-0-02

        0 引 言

        占據(jù)東、西兩個(gè)山頂?shù)乃{(lán)軍1和藍(lán)軍2與駐扎在山地的白軍作戰(zhàn)。其力量對(duì)比是藍(lán)軍1或藍(lán)軍2單獨(dú)作戰(zhàn)不敵白軍,但藍(lán)軍1和藍(lán)軍2協(xié)同作戰(zhàn)可以戰(zhàn)勝白軍。現(xiàn)藍(lán)軍1擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于是用計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)文給藍(lán)軍2,但通信線(xiàn)路很不好,電文出錯(cuò)或丟失的可能性較大(沒(méi)有電話(huà)可用)。因此,要求收到電文的友軍必須送回一個(gè)確認(rèn)電文。但此確認(rèn)電文也容易出錯(cuò)或丟失[1,2]。試問(wèn)能否設(shè)計(jì)出一種協(xié)議使得藍(lán)軍1和藍(lán)軍2能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)而一定(即100%而不是99.999...%)取得勝利?這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)就是能否設(shè)計(jì)出一個(gè)絕對(duì)可靠的協(xié)議[3,4]。

        1 書(shū)中解答

        藍(lán)軍1先發(fā)送“擬于明日正午發(fā)起攻擊,請(qǐng)求協(xié)同作戰(zhàn)和確認(rèn)?!?/p>

        假定藍(lán)軍2收到了電文并發(fā)送確認(rèn)。

        然而現(xiàn)在藍(lán)軍1和藍(lán)軍2都不敢下定決心進(jìn)攻。因?yàn)樗{(lán)軍2不知道此確認(rèn)電文藍(lán)軍1是否收到。如未正確收到,則藍(lán)軍1不敢貿(mào)然進(jìn)攻。在此情況下,自己?jiǎn)畏矫姘l(fā)起進(jìn)攻就肯定要失敗。因此,必須要等待藍(lán)軍1發(fā)送“對(duì)確認(rèn)的確認(rèn)”。

        假定藍(lán)軍1接收到電文并發(fā)送“確認(rèn)的確認(rèn)”。但藍(lán)軍1同樣關(guān)心自己發(fā)出的確認(rèn)對(duì)方是否收到,因此還要等待藍(lán)軍2的“對(duì)確認(rèn)的確認(rèn)的確認(rèn)”。

        這樣無(wú)限循環(huán)下去,藍(lán)軍1和藍(lán)軍2都始終無(wú)法確定自己最后發(fā)出的電文對(duì)方是否收到。因此,在本例題給出的條件下,沒(méi)有一種協(xié)議可以使藍(lán)軍1和藍(lán)軍2能夠100%地確保勝利。

        2 協(xié)議描述

        上述協(xié)議的直觀描述如圖1所示。

        這個(gè)例子告訴我們,看似簡(jiǎn)單的協(xié)議,設(shè)計(jì)起來(lái)要考慮的問(wèn)題還是比較多的。

        圖1 無(wú)限循環(huán)協(xié)議圖

        3 問(wèn)題探討

        看完書(shū)中的解題方法和思路,我們有一些不同的看法,我們?cè)噲D設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)議,讓雙方能保障信息的可靠性。

        事先約定一個(gè)協(xié)議:只要有一方(A方)發(fā)送一個(gè)報(bào)文,末尾標(biāo)記1,記為A1。另一方(B方)收到并發(fā)送確認(rèn)報(bào)文,末尾標(biāo)記2,記為B2。同理,A接收到B2,發(fā)送A3。如此往返,直至A方發(fā)送A9,B發(fā)送B10。如此,雙方最多都能發(fā)送五次報(bào)文,如果雙方都能確認(rèn)另一方能發(fā)送至少一次報(bào)文,則默認(rèn)雙方都知道報(bào)文的信息。

        解題思路:假設(shè)B方可以發(fā)送B10,則可以確認(rèn)A方已經(jīng)發(fā)送A9,A能判斷出B至少發(fā)送一次報(bào)文,默認(rèn)雙方都知道這個(gè)事情。同時(shí)A發(fā)送A9,能確認(rèn)B發(fā)送B8的報(bào)文,則默認(rèn)雙方都知道報(bào)文的信息。

        假設(shè)B方可以發(fā)送B 8,則可以確認(rèn)A方已經(jīng)發(fā)送A7,A能判斷出B至少發(fā)送一次報(bào)文,默認(rèn)雙方都知道這個(gè)事情。同時(shí)A發(fā)送末尾標(biāo)記為A7,能確認(rèn)B發(fā)送過(guò)B6,則默認(rèn)雙方都知道報(bào)文的信息。

        假設(shè)B方可以發(fā)送B6,則可以確認(rèn)A方已經(jīng)發(fā)送A5,A能判斷出B至少發(fā)送一次報(bào)文,默認(rèn)雙方都知道這個(gè)事情。同時(shí)A發(fā)送A5,能確認(rèn)B發(fā)送B4,則默認(rèn)雙方都知道報(bào)文的信息。

        假設(shè)B方可以發(fā)送B4,則可以確認(rèn)A方已經(jīng)發(fā)送A3,A能判斷出B至少發(fā)送一次報(bào)文,默認(rèn)雙方都知道這個(gè)事情。同時(shí)A發(fā)送A3,能確認(rèn)B發(fā)送過(guò)B2,則默認(rèn)雙方都知道報(bào)文的信息。

        綜上所述能找到一些情況,使報(bào)文可靠傳輸。如B發(fā)送末尾標(biāo)記為10的報(bào)文,則報(bào)文的信息A、B都知道對(duì)方知曉。

        4 問(wèn)題分析

        以上解題過(guò)程貌似正確,但在一系列推導(dǎo)之后是不成立的,推導(dǎo)過(guò)程如表1所示。

        規(guī)定B發(fā)送B10則默認(rèn)雙方都知道報(bào)文的信息,則藍(lán)軍1和藍(lán)軍2攻打白軍。

        證明上述論述錯(cuò)誤,可使用反證法。

        若B發(fā)送B10,則A必須發(fā)送A9。即規(guī)定A發(fā)送A9時(shí)A必定會(huì)攻擊白軍。

        當(dāng)A發(fā)送A9時(shí),還有另外一種情況,即B發(fā)送B8,而B(niǎo)沒(méi)有收到A9。此時(shí)B沒(méi)有發(fā)送B10,B不會(huì)選擇出擊,而A選擇出擊,則戰(zhàn)爭(zhēng)失敗,以上推斷不正確。

        以B為研究對(duì)象:若B最多發(fā)送Bi,A最多發(fā)送An的可能情況,Bi與An對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。

        以A為研究對(duì)象:若A最多發(fā)送An,B最多發(fā)Bi的可能情況,如表3所列。

        由表2和表3可得:若選定一個(gè)An記為A發(fā)動(dòng)攻擊的標(biāo)志,則B無(wú)法找到唯一一個(gè)確定的標(biāo)志發(fā)動(dòng)攻擊。

        若選定一個(gè)Bi記為B發(fā)動(dòng)攻擊的標(biāo)志,則A無(wú)法找到唯一一個(gè)確定的標(biāo)志發(fā)動(dòng)攻擊。

        可得出結(jié)論,按照以上方法,無(wú)法找到一個(gè)協(xié)議使得雙方可靠地傳輸信息。

        5 方法改進(jìn)與分析

        A多次發(fā)送報(bào)文,則B至少應(yīng)能收到一次。若B一次都收不到,則無(wú)論什么協(xié)議都無(wú)法奏效。

        現(xiàn)假設(shè)A發(fā)送的報(bào)文,B至少能接收到一個(gè)報(bào)文。A發(fā)送的報(bào)文如下:

        “我會(huì)在明日正午發(fā)起攻擊,無(wú)論你有沒(méi)有收到這個(gè)報(bào)文我都會(huì)發(fā)起攻擊,這個(gè)報(bào)文我會(huì)發(fā)送多次,請(qǐng)協(xié)同作戰(zhàn)。”

        若B接收到A發(fā)送的報(bào)文。根據(jù)A發(fā)送的報(bào)文可以得出,A一定會(huì)在明天正午選擇進(jìn)攻。所以此時(shí)B沒(méi)有其他選擇,若A進(jìn)攻,B也只有進(jìn)攻。

        A已經(jīng)發(fā)送明日正午一定進(jìn)攻的報(bào)文,所以A也沒(méi)有其他選擇,A也會(huì)選擇進(jìn)攻。

        假設(shè)發(fā)送一次報(bào)文被對(duì)方收到的概率為a,則發(fā)送n次至少有一次被收到的概率為P=1-(1-a)^n。

        我們知道:a的值固定,當(dāng)逐漸變大時(shí),P逐漸趨向于1。

        通過(guò)上述分析可以看出,書(shū)中方案及我們?cè)O(shè)計(jì)的兩種改進(jìn)方案均無(wú)法做到100%可靠。由此可見(jiàn),在通信信道質(zhì)量沒(méi)有保證的情況下,設(shè)計(jì)出絕對(duì)可靠的通信協(xié)議是不可能的。但在實(shí)際生活中,n的值不可能趨向于無(wú)窮,所以無(wú)法找到完全可靠的協(xié)議。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        在《網(wǎng)絡(luò)原理》課程中,除了上述探討的藍(lán)、白軍進(jìn)攻問(wèn)題,TCP連接建立過(guò)程中的三次握手協(xié)議同樣存在可靠性問(wèn)題。三次握手協(xié)議指的是在發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段,服務(wù)器端和客戶(hù)端之間需要進(jìn)行三次交互:第一次握手:客戶(hù)端發(fā)送syn包(syn=j)到服務(wù)器,并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài),等待服務(wù)器確認(rèn);第二次握手:服務(wù)器收到syn包,必須確認(rèn)客戶(hù)的syn(ack=j+1),同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài);第三次握手:客戶(hù)端收到服務(wù)器的SYN+ACK包,向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1),此包發(fā)送完畢后客戶(hù)端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài),完成三次握手。連接建立后,客戶(hù)端和服務(wù)器就可以開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

        三次握手協(xié)議也存在一定的可靠性缺陷,但在實(shí)際應(yīng)用中,不能只顧可靠性而忽視可行性和工作效率。三次握手中,若其中某次握手失敗,也難以保障較好的可靠性。三次握手的設(shè)計(jì),就是放棄一定的可靠性,換取較大的通訊效率。

        參考文獻(xiàn)

        [1]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).(第四版)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

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        [3]熊桂喜,王小虎.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

        [4]王新偉.提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2013,9(21):4818-4820.

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