《網絡原理》課程中協議可靠性探討

崔杰++吳優++仲紅

摘 要：網絡可靠性分析在提高網絡可靠性、生存性以及網絡的優化設計中具有重要意義。隨著各種網絡規模的越來越大，網絡的可靠性也就顯得越來越重要。課堂中出現的藍、白軍進攻問題，涉及到網絡的可靠性協議。文章就半雙工通信的情況下，探討設計了一個協議，以便提供可靠的通信。

關鍵詞：可靠性；協議；通訊網絡；問題探究

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-0-02

0 引 言

占據東、西兩個山頂的藍軍1和藍軍2與駐扎在山地的白軍作戰。其力量對比是藍軍1或藍軍2單獨作戰不敵白軍，但藍軍1和藍軍2協同作戰可以戰勝白軍。現藍軍1擬于次日正午向白軍發起攻擊。于是用計算機發送報文給藍軍2，但通信線路很不好，電文出錯或丟失的可能性較大（沒有電話可用）。因此，要求收到電文的友軍必須送回一個確認電文。但此確認電文也容易出錯或丟失[1，2]。試問能否設計出一種協議使得藍軍1和藍軍2能夠實現協同作戰而一定（即100%而不是99.999...%）取得勝利？這個問題的本質就是能否設計出一個絕對可靠的協議[3，4]。

1 書中解答

藍軍1先發送“擬于明日正午發起攻擊，請求協同作戰和確認。”

假定藍軍2收到了電文并發送確認。

然而現在藍軍1和藍軍2都不敢下定決心進攻。因為藍軍2不知道此確認電文藍軍1是否收到。如未正確收到，則藍軍1不敢貿然進攻。在此情況下，自己單方面發起進攻就肯定要失敗。因此，必須要等待藍軍1發送“對確認的確認”。

假定藍軍1接收到電文并發送“確認的確認”。但藍軍1同樣關心自己發出的確認對方是否收到，因此還要等待藍軍2的“對確認的確認的確認”。

這樣無限循環下去，藍軍1和藍軍2都始終無法確定自己最后發出的電文對方是否收到。因此，在本例題給出的條件下，沒有一種協議可以使藍軍1和藍軍2能夠100%地確保勝利。

2 協議描述

上述協議的直觀描述如圖1所示。

這個例子告訴我們，看似簡單的協議，設計起來要考慮的問題還是比較多的。

圖1 無限循環協議圖

3 問題探討

看完書中的解題方法和思路，我們有一些不同的看法，我們試圖設計一個協議，讓雙方能保障信息的可靠性。

事先約定一個協議：只要有一方（A方）發送一個報文，末尾標記1，記為A1。另一方（B方）收到并發送確認報文，末尾標記2，記為B2。同理，A接收到B2，發送A3。如此往返，直至A方發送A9，B發送B10。如此，雙方最多都能發送五次報文，如果雙方都能確認另一方能發送至少一次報文，則默認雙方都知道報文的信息。

解題思路：假設B方可以發送B10，則可以確認A方已經發送A9，A能判斷出B至少發送一次報文，默認雙方都知道這個事情。同時A發送A9，能確認B發送B8的報文，則默認雙方都知道報文的信息。

假設B方可以發送B 8，則可以確認A方已經發送A7，A能判斷出B至少發送一次報文，默認雙方都知道這個事情。同時A發送末尾標記為A7，能確認B發送過B6，則默認雙方都知道報文的信息。

假設B方可以發送B6，則可以確認A方已經發送A5，A能判斷出B至少發送一次報文，默認雙方都知道這個事情。同時A發送A5，能確認B發送B4，則默認雙方都知道報文的信息。

假設B方可以發送B4，則可以確認A方已經發送A3，A能判斷出B至少發送一次報文，默認雙方都知道這個事情。同時A發送A3，能確認B發送過B2，則默認雙方都知道報文的信息。

綜上所述能找到一些情況，使報文可靠傳輸。如B發送末尾標記為10的報文，則報文的信息A、B都知道對方知曉。

4 問題分析

以上解題過程貌似正確，但在一系列推導之后是不成立的，推導過程如表1所示。

規定B發送B10則默認雙方都知道報文的信息，則藍軍1和藍軍2攻打白軍。

證明上述論述錯誤，可使用反證法。

若B發送B10，則A必須發送A9。即規定A發送A9時A必定會攻擊白軍。

當A發送A9時，還有另外一種情況，即B發送B8，而B沒有收到A9。此時B沒有發送B10，B不會選擇出擊，而A選擇出擊，則戰爭失敗，以上推斷不正確。

以B為研究對象：若B最多發送Bi，A最多發送An的可能情況，Bi與An對應關系如表2。

以A為研究對象：若A最多發送An，B最多發Bi的可能情況，如表3所列。

由表2和表3可得：若選定一個An記為A發動攻擊的標志，則B無法找到唯一一個確定的標志發動攻擊。

若選定一個Bi記為B發動攻擊的標志，則A無法找到唯一一個確定的標志發動攻擊。

可得出結論，按照以上方法，無法找到一個協議使得雙方可靠地傳輸信息。

5 方法改進與分析

A多次發送報文，則B至少應能收到一次。若B一次都收不到，則無論什么協議都無法奏效。

現假設A發送的報文，B至少能接收到一個報文。A發送的報文如下：

“我會在明日正午發起攻擊，無論你有沒有收到這個報文我都會發起攻擊，這個報文我會發送多次，請協同作戰。”

若B接收到A發送的報文。根據A發送的報文可以得出，A一定會在明天正午選擇進攻。所以此時B沒有其他選擇，若A進攻，B也只有進攻。

A已經發送明日正午一定進攻的報文，所以A也沒有其他選擇，A也會選擇進攻。

假設發送一次報文被對方收到的概率為a，則發送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，當逐漸變大時，P逐漸趨向于1。

通過上述分析可以看出，書中方案及我們設計的兩種改進方案均無法做到100%可靠。由此可見，在通信信道質量沒有保證的情況下，設計出絕對可靠的通信協議是不可能的。但在實際生活中，n的值不可能趨向于無窮，所以無法找到完全可靠的協議。

6 結 語

在《網絡原理》課程中，除了上述探討的藍、白軍進攻問題，TCP連接建立過程中的三次握手協議同樣存在可靠性問題。三次握手協議指的是在發送數據的準備階段，服務器端和客戶端之間需要進行三次交互：第一次握手：客戶端發送syn包（syn=j）到服務器，并進入SYN_SEND狀態，等待服務器確認；第二次握手：服務器收到syn包，必須確認客戶的syn（ack=j+1），同時自己也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態；第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK（ack=k+1），此包發送完畢后客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。連接建立后，客戶端和服務器就可以開始進行數據傳輸了。

三次握手協議也存在一定的可靠性缺陷，但在實際應用中，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。三次握手的設計，就是放棄一定的可靠性，換取較大的通訊效率。

參考文獻

[1]謝希仁.計算機網絡.（第四版）[M].北京： 電子工業出版社， 2006.

[2]彭澎.計算機網絡基本原理[M].武漢： 華中理工大學出版社， 1999.

[3]熊桂喜，王小虎.計算機網絡[M].北京：清華大學出版社，1998.

[4]王新偉.提高計算機網絡可靠性的方法研究[J].電腦知識與技術，2013，9（21）：4818-4820.