《网络原理》课程中协议可靠性探讨

崔杰++吴优++仲红

摘 要：网络可靠性分析在提高网络可靠性、生存性以及网络的优化设计中具有重要意义。随着各种网络规模的越来越大，网络的可靠性也就显得越来越重要。课堂中出现的蓝、白军进攻问题，涉及到网络的可靠性协议。文章就半双工通信的情况下，探讨设计了一个协议，以便提供可靠的通信。

关键词：可靠性；协议；通讯网络；问题探究

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-0-02

0 引 言

占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山地的白军作战。其力量对比是蓝军1或蓝军2单独作战不敌白军，但蓝军1和蓝军2协同作战可以战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送报文给蓝军2，但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可用）。因此，要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也容易出错或丢失[1，2]。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战而一定（即100%而不是99.999...%）取得胜利？这个问题的本质就是能否设计出一个绝对可靠的协议[3，4]。

1 书中解答

蓝军1先发送“拟于明日正午发起攻击，请求协同作战和确认。”

假定蓝军2收到了电文并发送确认。

然而现在蓝军1和蓝军2都不敢下定决心进攻。因为蓝军2不知道此确认电文蓝军1是否收到。如未正确收到，则蓝军1不敢贸然进攻。在此情况下，自己单方面发起进攻就肯定要失败。因此，必须要等待蓝军1发送“对确认的确认”。

假定蓝军1接收到电文并发送“确认的确认”。但蓝军1同样关心自己发出的确认对方是否收到，因此还要等待蓝军2的“对确认的确认的确认”。

这样无限循环下去，蓝军1和蓝军2都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否收到。因此，在本例题给出的条件下，没有一种协议可以使蓝军1和蓝军2能够100%地确保胜利。

2 协议描述

上述协议的直观描述如图1所示。

这个例子告诉我们，看似简单的协议，设计起来要考虑的问题还是比较多的。

图1 无限循环协议图

3 问题探讨

看完书中的解题方法和思路，我们有一些不同的看法，我们试图设计一个协议，让双方能保障信息的可靠性。

事先约定一个协议：只要有一方（A方）发送一个报文，末尾标记1，记为A1。另一方（B方）收到并发送确认报文，末尾标记2，记为B2。同理，A接收到B2，发送A3。如此往返，直至A方发送A9，B发送B10。如此，双方最多都能发送五次报文，如果双方都能确认另一方能发送至少一次报文，则默认双方都知道报文的信息。

解题思路：假设B方可以发送B10，则可以确认A方已经发送A9，A能判断出B至少发送一次报文，默认双方都知道这个事情。同时A发送A9，能确认B发送B8的报文，则默认双方都知道报文的信息。

假设B方可以发送B 8，则可以确认A方已经发送A7，A能判断出B至少发送一次报文，默认双方都知道这个事情。同时A发送末尾标记为A7，能确认B发送过B6，则默认双方都知道报文的信息。

假设B方可以发送B6，则可以确认A方已经发送A5，A能判断出B至少发送一次报文，默认双方都知道这个事情。同时A发送A5，能确认B发送B4，则默认双方都知道报文的信息。

假设B方可以发送B4，则可以确认A方已经发送A3，A能判断出B至少发送一次报文，默认双方都知道这个事情。同时A发送A3，能确认B发送过B2，则默认双方都知道报文的信息。

综上所述能找到一些情况，使报文可靠传输。如B发送末尾标记为10的报文，则报文的信息A、B都知道对方知晓。

4 问题分析

以上解题过程貌似正确，但在一系列推导之后是不成立的，推导过程如表1所示。

规定B发送B10则默认双方都知道报文的信息，则蓝军1和蓝军2攻打白军。

证明上述论述错误，可使用反证法。

若B发送B10，则A必须发送A9。即规定A发送A9时A必定会攻击白军。

当A发送A9时，还有另外一种情况，即B发送B8，而B没有收到A9。此时B没有发送B10，B不会选择出击，而A选择出击，则战争失败，以上推断不正确。

以B为研究对象：若B最多发送Bi，A最多发送An的可能情况，Bi与An对应关系如表2。

以A为研究对象：若A最多发送An，B最多发Bi的可能情况，如表3所列。

由表2和表3可得：若选定一个An记为A发动攻击的标志，则B无法找到唯一一个确定的标志发动攻击。

若选定一个Bi记为B发动攻击的标志，则A无法找到唯一一个确定的标志发动攻击。

可得出结论，按照以上方法，无法找到一个协议使得双方可靠地传输信息。

5 方法改进与分析

A多次发送报文，则B至少应能收到一次。若B一次都收不到，则无论什么协议都无法奏效。

现假设A发送的报文，B至少能接收到一个报文。A发送的报文如下：

“我会在明日正午发起攻击，无论你有没有收到这个报文我都会发起攻击，这个报文我会发送多次，请协同作战。”

若B接收到A发送的报文。根据A发送的报文可以得出，A一定会在明天正午选择进攻。所以此时B没有其他选择，若A进攻，B也只有进攻。

A已经发送明日正午一定进攻的报文，所以A也没有其他选择，A也会选择进攻。

假设发送一次报文被对方收到的概率为a，则发送n次至少有一次被收到的概率为P=1-（1-a）^n。

我们知道：a的值固定，当逐渐变大时，P逐渐趋向于1。

通过上述分析可以看出，书中方案及我们设计的两种改进方案均无法做到100%可靠。由此可见，在通信信道质量没有保证的情况下，设计出绝对可靠的通信协议是不可能的。但在实际生活中，n的值不可能趋向于无穷，所以无法找到完全可靠的协议。

6 结 语

在《网络原理》课程中，除了上述探讨的蓝、白军进攻问题，TCP连接建立过程中的三次握手协议同样存在可靠性问题。三次握手协议指的是在发送数据的准备阶段，服务器端和客户端之间需要进行三次交互：第一次握手：客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的syn（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ack=k+1），此包发送完毕后客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。

三次握手协议也存在一定的可靠性缺陷，但在实际应用中，不能只顾可靠性而忽视可行性和工作效率。三次握手中，若其中某次握手失败，也难以保障较好的可靠性。三次握手的设计，就是放弃一定的可靠性，换取较大的通讯效率。

参考文献

[1]谢希仁.计算机网络.（第四版）[M].北京： 电子工业出版社， 2006.

[2]彭澎.计算机网络基本原理[M].武汉： 华中理工大学出版社， 1999.

[3]熊桂喜，王小虎.计算机网络[M].北京：清华大学出版社，1998.

[4]王新伟.提高计算机网络可靠性的方法研究[J].电脑知识与技术，2013，9（21）：4818-4820.