首页 > 其他分享 >设计一个网络通信协议

设计一个网络通信协议

时间:2023-08-20 11:02:14浏览次数:64  
标签:网络通信 协议 需要 通信 消息 设计 描述

Author [email protected]

Date Aug. 19, 2023

Description 设计一个网络通信协议

大多数时候,并不需要进行协议设计,只需要使用成熟的协议就行了。但架不住少数时候的存在,所以就需要了解如何去设计一个协议。

实际上协议工程学是一门专门的学科,而且互联网络常见的协议都是很好的样例。IETF作为互联网络标准化协议组织,本来以为他们的协议设计规范就会比较权威。结果以design protocol为关键词去RFC Editor网站搜索,可以出来17个结果。但是RFC这个网站有时候相关的RFC如果不放宽限制就会错过。而且很多古老的协议也有可能已经失去了价值。所以得放宽一下搜索条件为design,这时候会有55条结果,太多不放图了。这个时候,不特定于具体协议的设计原则,可能只有RFC3117以及更古老的协议了。

image.png

emmm,没办法,还是求助于搜索引擎吧。以design protocol principle ietf为关键字,搜索出来了RFC5218RFC5704。好吧,看来协议设计原则还是需要特定于协议的。

算了算了,还是看slides吧。

选择通信模式和数据传送方式

通信的模式可以分为两类,一类是client-server,另一类是peer-peer。前者一般是client发起通信请求,后者响应通信请求。而后者则是谁都可以发起通信请求,另一端响应通信请求。

数据传输的模式可以分为unicast(one-to-one),multicast(one/more-to-more),broadcast(one/more-to-all)。这些可能用于通信的某一个阶段。例如IPv4 ARP采用broadcast查询下一跳的mac地址;IPv6通过将Solicited-node multicast地址与IPv6 Neighbor Discovery协议相结合,能够有效减少广播范围。正常的通信请求则是Unicast方式进行。

设立设计目标

所谓设立设计通信协议的目标,就是定义通信框架

  • fast是不是首要的选择?(UDP)
  • 是否需要可靠的交换,即需要对发送数据的确认(TCP)
  • 实体对端验证的重要性
  • 是否对通信进行加密。需要什么程度的授权。
  • 多少种类型的实体将会参与通信。是否需要一种互相通信的模式。
  • 是否具有连通性以及带宽的限制。
  • 是否需要维护通信信道,无连接的通信模式是否更加合适
  • 是否需要复杂错误处理

一个通信协议应该是:

  • 简单:就是遵循keep it simple and stupid(KISS)原则,不要使得简单任务复杂化;不要为做同一件事情提供两种方式(好像也不完全遵循这个吧,还不太理解)
  • 规模可扩展(scalable):评估每个server可以连接的client规模。平衡每个实体的职责(emmm,理解不了)
  • 高效:最小化命令开销,最小化数据流量。
  • 功能可扩展(extensible):协议要可演进,为后续的功能扩展留出空间,不要过度为了扩展而扩展。

选择消息格式

两种方式:面向文本的协议以及面向二进制的协议。

面向文本的协议需要所有的消息都是可读的。这样对于人类是可读可监控的,非常灵活易于扩展,易于调试。但是这样子也相当于是明文传输的,对于未授权用户也是可读的,而且编码问题也会变得复杂起来,同时可能会让消息极度膨胀。

面向二进制的协议是二进制数据结构块。结构化数据的更好的方式,非常适用于大且复杂的数据的传输,消息会比较小。但是难以阅读、调试或者测试。需要考虑数据在hosts以及网络中的表示形式,例如大小端问题。

设计消息结构:消息格式、字段、类型

设计消息是协议设计中一个非常重要的方面。将会影响到通信中的各个方面:规模可扩展性、高效性、简单性、功能可扩展性。

设计涉及到消息类型和消息结构。

消息类型对应通信的完全不同的方面,消息类型可以归类到command、data transfer、control三个分类内。每种分类可能都包含几种类型的消息类型。

  • Command消息用于定义通信实体所处的阶段:开始或者结束、描述通信阶段、状态改变、资源交换。
  • Data Transfer消息用于携带数据。基本都是作为响应方对请求方的命令进行响应。data一般是经过了分片分散在各个消息中,需要接收端根据协议进行组装,例如IPv4的分片。但是这种消息也不仅仅是传输消息,还包含了二进制数据类型、结构化数据的布局、数据大小、分片消息的偏移量、序号信息。
  • Control消息控制实体间的通信过程。描述协作关系(接收确认、请求重传)、取消或者打断数据传输、可用性监测等。

消息的结构一般分为header和body。

  • Header包含了结构化的字段,用于描述真实的数据,包括消息类型、command、body size、接收端信息、序号信息、重传数量等。
  • Body是真实要传输的数据,可以是command的参数或者data payload。
  • 一般Header的size是固定的,而body的size则要么固定要么取决于Header中指定的body size。

设计通信规则(sequences)

通信双方要知道先干啥后干啥。一般应该都是协议有限状态机(finite state machine,fsm)形式。定义了commands、data、control消息的顺序。

可以使用sequence diagram进行描述,也可以使用state diagram进行描述。例如TCP的三次握手协议以及四次挥手协议。

设计了协议就需要文档标准化。虽然应该描述的清晰、完整、易于理解,没有歧义、可维护。但这一步反而恰恰是最为困难的。因为涉及到多方博弈,想要让所有人都同意这个协议的设计,难。

文档化内容,不同标准化组织都有所不同。一般应该包括

  • Introduction。协议的目的、领域、环境、前提。
  • The communication model。参与方、关系、角色、泛化描述通信流。
  • Communication steps or procedures。每个阶段的描述、通信过程。
  • Message description。语义语法。
  • Sequence of commands and replies。通信规则的详尽描述,包含state diagrams,sequence diagrams,以及通信过程的详尽解释。

参考

  1. Protocol Design Principles
  2. Designing an Application-Level Communication Protocol

标签:网络通信,协议,需要,通信,消息,设计,描述
From: https://blog.51cto.com/basilguo/7159327

相关文章

  • 表设计规范
    规范①:设计规范化表,消除数据冗余数据库范式是确保数据库结构合理,满足各种查询需要、避免数据库操作异常的数据库设计方式。满足范式要求的表,称为规范化表,范式产生于20世纪70年代初,一般表设计满足前三范式就可以,在这里简单介绍一下前三范式先给大家看一下百度百科给出......
  • 设计模式分类
    博客地址:https://www.cnblogs.com/zylyehuo/......
  • 创意无限,Gamma引领PPT设计新时代
    在现代商务沟通中,演示文稿是传递信息和展示创意的重要手段之一。为了满足这一需求,Gamma应运而生,作为一款高效、精美、协同的PPT工具。它不仅能够设计出优雅精致的幻灯片,还支持模块化编辑和高效协同,是您的一键生成专业PPT的得力助手。本文将深入介绍Gamma的作用及其在PPT设计领域的......
  • 基于springboot的社区团购系统设计
    通过资料查找,调研分析,综合对比,归纳总结的方法,对社区团购系统的设计与实现做详细的方案,计划实现该系统所用的工具为,使用Java语言作为前端开发工具,MySQL作为数据库管理系统,JSP技术动态设计系统页面,HTML语言静态设计系统页面,Tomcat服务器进行系统的开发与测试,Struts2框架对系统的代码......
  • 基于SpringBoot的旅游网站的设计与实现
    拟解决的问题:(1)根据指导老师提供的原始材料和课题要求按照管理信息系统的生命周期开发方法和步骤,经过细致的系统分析、合理的系统设计,使用SpringBoot框架,选择可行的开发工具,实现旅游网站。本课题充分利用面向对象开发环境的可视化特点,合理的设计用户界面,按照数据库设计理念合理的......
  • 设计与声明
    让接口容易被正确使用,不易被误用任何接口如果要求客户记得做某些事情,就是有着“不正确使用”的倾向。设计class犹如typeC++就像在其他OOP语言一样,当你定义一个新class,也就定义了一个新type。身为C++程序员,你的许多时间主要用来扩张你的类型系统。这意味着你不只是c......
  • 读发布!设计与部署稳定的分布式系统(第2版)笔记33_混沌工程
    1. 康威定律1.1. 梅尔文·康威1.1.1. MelvinConway1.1.2. 1968年1.1.3. 在设计系统时,组织受制于其自身的沟通结构,这使得它设计的系统结构与沟通结构相一致。1.1.3.1. 社会学现象1.2. 要在系统内部或系统之间构建接口,两个人必须以某种方式沟通有关该接口的规范1.2.......
  • 设计模式-单例模式
    饿汉式/***饿汉式,类加载的时候就会初始化**问题:*1.通过反射可以破坏单例*2.通过反序列化破坏单例*3.通过Unsafe破坏单例,无法解决**@author:optimjie*@date:2023-08-1921:37*/publicclassSingleton1{privateSingleton1()......
  • AMBA2_AHB协议介绍
    1.概述AMBA架构的SoC,一般包括用于high-performance的systembus-AHB与low-power的peripheralbus-APB。Systembus负责core与DMAcontroller、on-chipmemory以及其他interface或需要highbandwidth的元件。而peripheralbus则用于连接off-chip外设,其协议相比AHB较为简单,与A......
  • FTP协议的历史及其工作原理
    FTP(文件传输协议)是一个非常古老的网络协议,它的历史可以追溯到1971年。当时,FTP最早是在ARPANET中使用的,跑在ARPANET的传输层协议NCP之上。而TCP/IP协议此时还未出现。直到1980年,RFC765才首次定义了基于TCP/IP的FTP操作标准。1985年,RFC959公布了FTP的第二个版本,这个版本比之前有了更......