网络协议工程第1章-概述

第１章概述内容提要要课程概述述1协议2协议工程程32课程名称称网络协议议工程网络：三三网（计计算机网网络、电电信网络络、CATV），分布布式系统统/操作系统统协议：规规定通信信双方交交换数据据的格式式以及有有关的同同步问题题。工程：用用工程化化的方法法来开发发协议3课程目标标为什么要要上这门门课？研讨目标标：协议开发发中常见见的设计计技术、、形式化化描述技技术和协协议工程程学的基基本理论论立足点：：基于最基基本的理理论，结结合最先先进的技技术，理理解最本本质的知知识。本课程包包括：阅读资料料、面授授教学、、课堂讨讨论、学学生讲授、习习题讨论论等环节。。希望通通过本课课程的学学习，不仅掌握握所涉及及的协议开发发知识，而而且锻炼炼一些研研究生必必备的科科研技能能。与协议有有关的课课程比较较多，如如：分布布式系统统、计算算机网络络、数据据通信等等。这些些课程往往往描述述的是一一些被广广泛接受受并被一一些国际际标准化化组织标标准化了了的协议议。它们们并不解解释：协议为什什么正确确工作、、协议的的设计过过程，协协议是不不是有缺缺陷。而这些些正是本本课程要要解决的的问题。。4课程目标标（续））内容要求求：对协议工工程学有有一个基基本认识识重点掌握握协议设设计技术术、形式式化描述述技术（（FSM，SDL）了解协议议验证技技术和一一致性测测试技术术锻炼的科科研技能能：独立解决决一个具具体科研研问题的的能力科研表达达与沟通通的能力力撰写科技技文章的的能力面对一个个并不熟熟悉的科科研领域域，可以以做到独独立查阅阅资料、、确定一一个具体体的研究究目标、、制定实实施计划划、最终终完成一一个相对对独立的的研究。。将已经掌掌握的科科研内容容，用精精练的语语言表达达出来，，通过与与其他人人讨论，，更深入入地掌握握此方面面知识。。在独立解解决了某某个科研研问题后后，将科科研成果果以学术术论文的的形式表表达出来来。争取取发表一一篇论文文。5授课内容容概述协议设计计形式化描描述技术术（FSM，PetriNet,SDL,LOTOS,ESTELLE）协议验证证协议一致致性测试试6国内相关关课程清华大学学：计算算机网络络中的形形式化方方法和协协议工程程学主要内容容：形式式化描述述方法、、一致性测测试技术术北京邮电电大学：：协议工工程与通通信软件件协议工程程的概念念协议模型型技术协议形式式化描述述技术协议验证证技术协议实现现和测试试技术MSC和SDL语言简介介通信软件件设计方方法与实实践7国内相关关课程（（Cont.））中国科技技大学软软件学院院：《通通信系统统软件开开发》东南大学学，河河海大学学研究生生课程：：《计算算机网络络协议工工程》云南大学学，华中中科技大大学，浙浙江理工工大学等等也开设设了类似似课程8国外相关关课程9先修课程程计算机网网络或数数据通信信操作系统统分布式系系统10参考书目目吴礼发著著，《网络协议议工程》,2011..4，电子工工业出版版社。GerardJ.Holzmann::《DesignandValidationofComputerProtocols》,,PrenticeHallAthttp:///cm../cm/cs/what/spin//Doc/Book91.html古天龙，，蔡国永永：《网络协议议的形式式化分析析与设计计》，电子工工业出版版社，2003.6龚正虎，，《计算机网网络协议议工程》，国防科科技大学学出版社社，1993.12R.Lai,,A..Jirachiefpattana：《CommunicationProtocolSpecificationandVerification》》,KluwerAcademicPublishers,199811内容提要要课程概述述1协议2协议工程程312协议定义义为网络中中互相通通信的对等实体体间进行数数据交换换而建立立的规则则、标准准或约定定，是计计算机网网络不可可缺少的的组成部部分，保保证实体体在计算算机网络络中有条条不紊地地交换数数据。实体(Entity)是指任何何可以发发送或接接收信息息的硬件件或软件件进程，，在大多多数情况况下，就就是一个个特定的的软件进进程。位于不同同系统的的同一层层次内交交互的实实体，就就构成了了对等实体体。转60页页13协议定义义（Cont..）英格兰国国家物理理实验室室NPL((NationalPhysicalLaboratory)的R.A..Scantlebury和K.A..Bartlett在一份备备忘录(AprotocolforuseintheNPLdatacommunicationsnetwork)中最早将将“协议(protocol))”一词用于于描述数数据通信信过程。。“协议是关关于分布布式系统统进行信信息交换换时的一一种约定定，协议议应按照照语言的的方式进进行定义义。”其于他们们的观点点：网络络协议就就是具有有规定文文法、语语法和语语义的语语言，其其中，文法给出了有有效信息息的精确确格式，，语法描述了数数据交换换的规则则，语义规定了可可交换信信息的词词汇及其其含义。。14协议定义义（Cont..）协议三要要素(从语言的的角度来来理解协协议)：语法语义同步

15协议定义义：语法法在语言学学中，语语法是指指语言组组成成分分(词、句等等)之间以什什么样的的关系结结合而构构成语句句或语言言，也即即是语言言的结构构方法和和构成规规则。网络协议议中的语语法的含含义？网络协议议中的语法体现现为数据据报文中中的控制制信息(通常在报报文的首首部)和各种控控制报文文的结构构、格式式，也即是是规定报报文的长长度，报报文中划划分多少少个域(Field))，每个域域的名称称、意义义、数据据类型、、长度等等。其中中，报文文中各个个域的类类型、长长度及相相互间的的位置、、顺序关关系则构构成了词法。16协议定义义：语义义网络协议议的语义义可以理理解为协协议数据据报文中中的控制制信息和和控制报报文所约约定的含含义，即即需要发发出何种种控制信信息，完完成何种种动作以以及做出出何种响响应。例如：报文首部部控制信信息中的的目的地地址信息息指明了了报文的的目的地地，接收收到此报报文的网网络结点点均将其其作为进进行路由由选择的的依据，，因而规规定在首首部控制制信息中中在给定定域给出出目标结结点地址址就是一一种语义义。为了实现现有连接接的传输输服务，，设计了了一套实实现连接接的控制制报文。。发起连连接方构构造一个个请求连连接的协协议控制制报文，，这个“请求连接接”就是该控控制报文文的语义义。收端端收到这这个控制制报文后后，根据据已知的的格式分分析规定定域中报报文类型型码就可可了解这这个“请求连接接”的语义，，从而作作出“允许连接接”或“拒绝连接接”的响应。。17协议定义义：语义义（Cont..）例如（续）：“允许连接接”报文和“拒绝连接接”报文的格格式和语语义也是是协议中中约定好好的，通通信双方方通过这这些约定定语义的的控制报报文按一一定时序序关系的的交换即即可实现现建立连连接的功功能和提提供有连连接服务务。其它的在在协议中中常使用用的“数据收到到确认”报文(ACK报文)、“出错通知知”报文、“紧急通知知”报文等等等均可看看成为具具有特定定语义的的网络协协议的语语句，即即协议的的组成部部分。18协议定义义：同步步简单地说说，同步步是指事事件实现现顺序的的详细说说明。具体来说说，同步步是指通通信过程程中各种种控制报报文传送送的顺序序关系，，例如“允许连接接”或“拒绝连接接”报文必须须是作为为请求连连接报文文的一种种响应来来发送，，“拆除连接接”报文也必必须在建建立连接接后的某某种条件件下发送送等等。。这种控制制报文发发送的时时序关系系，也决决定了通通信双方方所处的的通信状状态(发送状态态、接收收状态、、等待状状态等)的制约关关系，所所以常用用通信双双方的有有限状态态机的方方法来描描述网络络协议。。在有些文文献中，，也将这这种同步步关系视视为协议议语法的的一部分分。19协议定义义：进一一步延伸伸进一步延延伸为计计算机通通信协议议。协议是计算机网网络和分分布式系系统中各种通信实体体或进程间相互交换换信息时时必须遵遵守的一一组规则则或约定定。网络协议议工程中中的许多多技术和和方法均均可应用用到分布布式系统统中的进进程间通通信协议议的设计计活动当当中。20协议定义义：网络络体系结结构大量的研研制经验验表明，，对于非非常复杂杂的计算算机网络络协议，，其结构构应采用用层次式式的。在计算机机网络中中，将计算机网网络的各层及其协议的集合，称为网网络的体系结构构(architecture)。ISO的OSI//RM（开放系系统互连连/参考模型型）IBM的SNA（系统网网络体系系结构））DEC的DNA（分布式式网络体体系结构构）IETF的TCP//IP21协议标准准化Whatarestandards??Standardsaredocumentedagreementscontainingtechnicalspecificationstobeusedconsistentlyasrules,guidelines,ordefinitionsofcharacteristics,,toensurethatmaterials,products,,processesandservicesarefitfortheirpurposeInternationalStandardscontributetomakinglifesimpler,,andtoincreasingthereliabilityandeffectivenessofthegoodsandservicesweuseIndustry-widestandardizationisaconditionexistingwithinaparticularindustrialsectorwhenthelargemajorityofproductsorservicesconformtothesamestandards22协议标准准化（Cont.）WhyPushForStandardization?Theaimistofacilitatetrade,exchangeandtechnologytransferthroughEnhancedproductqualityandreliabilityatareasonableprice.Greatercompatibilityandinteroperabilityofgoodsandservices.Simplificationforimprovedusability.Increaseddistributionefficiency,,andeaseofmaintenance23协议标准准化（Cont.）Whatdoesastandardlooklike??-ISOexplainsthemajorcomponentsoftheirstandardsdocuments:Itcanbeanythingfromafour-documenttoa1000-tome,includingtwicetheweightofthestandarditselfininformativeannexes..Itmayspecifythetasksthatacertainrangeofequipmentmustbeabletoperform,ordescribeindetailanapparatusanditssafetyfeatures24协议标准准化（Cont.）Whatmakesupastandard??Itmaycontain:SymbolsDefinitionsDiagramsCodesTestmethods25协议标准准化（Cont.）OrganizationforStandardizationforProtocolsInternationalOrganizationforStandardization(ISO)国际电报报电话咨咨询委员员会(CCITT))InternationalTelecommunicationsUnion((ITU-T))InternetEngineeringTaskForce(IETF)InstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE))WorldWideWebConsortium(W3C)AssociationforComputingMachinery(ACM))AsynchronousTransferModeForum(ATMForum))AmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)26ISO是一个涉涉及范围围很广的的国际标标准开发发机构，，包括很很多政府府的或民民间的标标准研究究机构，，如美国国的国家家标准研研究所ANSI。成立于1947年。ISO下属多个个技术委委员会TC(TechnicalCommittees)，TC又由多个个分委员员会SC(Subcommittees)组成。每每个SC下有多个个工作组组WG(WorkingGroups)。例如，TC97主要负责责与计算算机有关关的标准准的制定定，TC97/SC6主要处理理电信领领域的标标准，TC97/SC6/WG1则主要负负责数据据链路协协议标准准。一个ISO标准从最最初的提提名到真真正发行行要经历历七个步步骤。27ISO((Cont.))ISO制定的很很多标准准是与另另一个标标准化组组织，国国际电工工技术委委员会IEC((InternationalElectrotechnicalCommission))，合作制制定的。。IEC关心的主主要是电电子和电电气工程程标准(器材、元元件以及及测量方方法的标标准化)。在信息息技术领领域，虽虽然IEC强调的是是硬件，，而ISO强调的是是软件，，但它们们的职能能在很多多地方有有所重叠叠。1987年由这两两个组织织联合成成立了联联合技术术委员会会JTC，而ISO的TC97同时宣告告解散。。代替旧旧的ISO的TC97组织是ISO//IECJTC1，而其其下属的的各分委委员会SC的名称仍仍用原来来TC97中的各分分委员会会的序号号。这个个委员会会负责信信息技术术领域文文档的开开发，这这些文档档最终可可能成为为ISO及IEC的标准。。28ISO（（Cont.））ISO制定的与与协议有有关的著著名标准准：OSI//RM（ISO7498），TC97/SC16制定，虽虽然没有有流行，，但其中中有很多多协议被被广泛使使用形式描述述语言LOTOS(LanguageofTemporalOrderingSpecifications)和Estelle，ISOTC97//SC21/WG1下的2个不同的的子工作作组分别别制定的的，它们们得到广广泛的应应用。一致性测测试序列列标准：：ISO9646-1((CCITTX.290))一般概念念ISO9646-2抽象测试试集(suite))规范ISO9646-3树表组合合记法TTCN(TreeandTabularCombinedNotation))ISO9646-4测试实现现ISO9646-5一致性认认证处理理对测试试实验室室及其客客户的要要求ISO9646-6测试实验验室的操操作29CCITTandITU-TCCITT(InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee,,国际电话话与电报报顾问委委员会)最开始主主要从通通信的角角度考虑虑一些标标准的制制定。随着科学学技术的的发展，，通信与与信息处处理的界界限变得得比较模模糊了。。于是，，通信与与信息处处理就都都成为CCITT与ISOTC97共同关心心的领域域。很多ISO制定的标标准，CCITT均有与之之相对应应的标准准。CCITT的建议书书X.200就是开放放系统互互连参考考模型，，它与ISO7498基本上是是相同的的。CCITT制定的著著名标准准：X.25形式描述述语言SDL((SpecificationandDescriptionLanguage))广泛用交交换系统统的描述述。30CCITTandITU-T((Cont.))ITU--T是国际电电信联盟盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）下属的的电信标标准部，，它的成成员主要要是各国国政府组组织和得得到许可可的私人人运营商商。成立于1993年3月1日，主要要任务是是制定电电话、电电报和数数据通信信接口的的技术建建议。它它取代了了原国际际电报电电话咨询询委员会会CCITT。人们仍然然常常遇遇到CCITT建议，例例如，CCITTX.25，虽然自自1993年起这些些建议都都打上了了ITU--T标记。ITU--T的实际工工作是在在研究组组SG(StudyGroup)完成的，，通常有有400人。为了了能够完完成工作作，研究究组又分分成了很很多工作作组WG(WorkingGroup)，然后又又再分为为专家小小组(ExpertTeam))，最后分分成特别别小组(AdHocGroup)。31ITU--TStandards::XSeriesDatanetworksandopensystemcommunicationsPublicdatanetworks--Interfaces::X.21-InterfacebetweenDataTerminalEquipment(DTE))andDataCircuit--terminatingEquipment(DCE))forsynchronousoperationonpublicdatanetworks..OSI--Modelandnotation::X.200--Informationtechnology––OpenSystemsInterconnection–BasicReferenceModel:Thebasicmodel..32ITU--TStandards::XSeries(Cont..)MessageHandlingSystems::X.400-Messagehandlingservices::MessagehandlingsystemandserviceoverviewDirectoryServices::X.500-Informationtechnology--OpenSystemsInterconnection-TheDirectory:Overviewofconcepts,,modelsandservicesSecurity:X.800--SecurityarchitectureforOpenSystemsInterconnectionforCCITTapplications.33ITU--TStandards::VSeriesDatacommunicationoverthetelephonenetworkInterworkingwithothernetworks:V.18-OperationalandinterworkingrequirementsforDCEsoperatinginthetexttelephonemode.Interfacesandvoice-bandmodems:V.33-14400bitspersecondmodemstandardizedforuseonpoint-to-point4-wireleasedtelephone-typecircuits.Errorcontrol:V.42-Error--correctingproceduresforDCEsusingasynchronous-to-synchronousconversion.34ITU--TStandards::QSeriesSwitchingandsignallingGeneralRecommendationsrelativetosignalingandswitchingsystems:Q.20-Comparativeadvantagesof""in--band"and"out--band"systems.Functionaldescriptionofthesignalingsystem:Q.251--GeneralDefinitionandfunctionofsignals:Q.254--Telephonesignals.35ITU--TStandards::QSeries(Cont..)SignallingSystemNo.7((SS##7)::Q.700--IntroductiontoCCITTSignallingSystemNo.7IntegratedServicesDigitalNetwork((ISDN)):Q.860--IntegratedServicesDigitalNetwork(ISDN)andBroadbandIntegratedServicesDigitalNetwork(B-ISDN))GenericAddressingandTransport(GAT))ProtocolQ.2010--Broadbandintegratedservicesdigitalnetworkoverview--Signalingcapabilityset1,release136IFIP国际信息息处理联联盟IFIP(InternationalFederationforInformationProcessing)，虽然不不直接参参与协议议的标准准化，但但它的主主要目的的之一是是作为CCITT和ISO之间沟通通的桥梁梁。IFIP成立于1960年，经常常组织一一些协议议形式化化描述与与验证方方面的国国际会议议，例如如，JointInternationalConferenceonFormalDescriptionTechniquesforDistributedSystemsandCommunicationProtocols(FORTE)andProtocolSpecification,TestingandVerification(PSTV)。37IETF因特网协协会ISOC因特网体体系结构构研究委员员会IAB因特网研研究指导导小组IRSG因特网研研究部IRTF因特网工工程部IETF因特网工工程指导导小组IESG领域领域…WGRGWGWGWG……RG…38IETF（Cont..）因特网在在制定其其标准上上很有特特色：面面向公众众。所有技术术文档都都可从因因特网上上免费下下载，而而且任何何人都可可以用电电子邮件件随时发发表对某某个文档档的意见见或建议议。这种种方式对对因特网网的迅速速发展影影响很大大。因特网标标准：RFC((RequestForComments)的意思就就是“请求评论论”。所有的的RFC文档都可可从因特特网上免免费下载载。并非所有有的RFC文档都是是因特网网标准，，其中只只有一小小部分最最后才能能变成标标准。39IETF（Cont..）因特网草草案建议标准准草案标准准因特网标标准历史的RFC实验的RFC提供信息息的RFC因特网草草案(InternetDraft))建议标准准(ProposedStandard))草案标准准(DraftStandard))因特网标标准(InternetStandard))40W3CWorldWideWebConsortiumpromotestheWebbyproducingspecificationsandreferencesoftware.W3Cisfundedbyindustrialmembersbutitsproductsarefreelyavailabletoall.TheConsortiumisrunbyMITLCSwithINRIAactingasEuropeanhostandKeioUniversityinAsia,,incollaborationwithCERNwheretheweboriginated.41IEEETheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers(电气和电电子工程程师协会会)istheworld''slargesttechnicalprofessionalsociety.Anon-profitorganization,IEEEpromotesthedevelopmentandapplicationofelectrotechnologyandalliedsciencesforthebenefitofhumanity,,theadvancementoftheprofession,andthewell-beingofit’smembers.FamousStandards:IEEE802series,,eg.802..342ACMAssociationforComputingMachinery(founded1947，(美国)计算机学学会)isaninternationalscientificandeducationalorganizationdedicatedtoadvancingtheart,science,engineering,andapplicationofinformationtechnology((其宗旨在在于不断断地推动动计算机机科学与与技术的的发展),servingbothprofessionalandpublicinterestsbyfosteringtheopeninterchangeofinformationandbypromotingthehighestprofessionalandethicalstandards..SinceitsinceptionACMhasprovideditsmembersandtheworldofcomputerscienceaforumforthesharingofknowledgeondevelopmentsandachievementsnecessarytothefruitfulinterchangeofideas.43ACM（（Cont.））OvertheyearsACMhasflourishedalongwiththeindustryitself,playingamajorroleinenrichingthequality,,formandfunctionofcomputerusage.ACMformsSpecialInterestGroups(SIGs)whichfocusonspecificareasofcomputerscience.SomeSIGswhichrelatetodatacommunicationsinclude:DataCommunication((SIGCOMM))Hypertext//Hypermedia((SIGLINK)Multimedia(SIGMM)44ATMForumTheAsynchronousTransferModeForumisaworldwideorganization,,aimedatpromotingATMwithintheindustryandtheendusercommunity.FormedinOctober1991,withfour((4))members,,theATMForummembershipcurrentlyincludesmorethan700companiesrepresentingallsectorsofthecommunicationsandcomputerindustries,,aswellasanumberofgovernmentagencies,researchorganizationsandusers..45ANSIFoundedin1918,,theAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI,美国国家家标准化化组织),isaprivate,not--for-profitmembershiporganizationthatcoordinatestheU.S..voluntaryconsensusstandardssystemandapprovesAmericanNationalStandards.ANSIconsistsofapproximately1,300nationalandinternationalcompanies,30governmentagencies,20institutionalmembers,,and250professional,technical,,trade,laborandconsumerorganizations.46ANSI（Cont..）ANSIactstoinsurethatasingleconsistentsetofconsensusbasedAmericanNationalStandardsaredevelopedbyANSI--accreditedstandardsdevelopers.Integraltothedevelopmentandapprovalprocessistherequirementthatallinterestsconcernedhavetheopportunitytoparticipateinthedevelopmentprocess..FamousStad.::ANSI.147Obtainingstandarddocuments:Standardsbodiesdistributetheirdocumentsinseveralfileformatsandtodifferentgroupsororganizations..Manystandardsmustbepurchasedbeforeyoumayimplementproductsbasedonthem.However,,thedocumentsarefree..Somestandardsbodiesrequirepaymentup-frontbeforeyouarepermittedaccesstothestandardsdocuments..48Obtainingstandarddocuments(Cont.))49Obtainingstandarddocuments(Cont.))DocumentFormats:Text/ASCII--mostpopularformat.Postscript-requiresapostscriptprinterorTeX/LaTeXtoview.WordforWindows-MicrosoftWindowseditor.HTML-browseabledocumentswithlinkstootherreferences.PDF--AdobeAcrobathyper-linkformat.50Obtainingstandarddocuments(Cont.))DocumentLanguages::Mostinternationalstandardsbodiesoffertheirdocumentswritteninpopularspokenlanguages,,including:EnglishFrenchSpanishNationallanguageoftheorganization’sorigin.51IndustryControlandAcceptanceCommonlyintoday’scomputerindustry,theacceptanceofproductsarefacilitatedbytheconformancetoandsupportofstandards.Mostproductsbecomeobsoleteiftheyareonlybasedonproprietaryspecificationsanddonotsupportstandards..Ifacompanymaintainscontroloverthemajorityofproductsbasedonaparticulartechnology,,thatcompanycanusuallydictatethedirectionoftheindustryandanystandardstofollow.52Timing::It’simportantforstandardsMITD.Clark‘s“apocalypse(启示)ofthetwoelephants”ThebestperiodforstandardizationisbetweenburstofresearchandburstofmarketingTheperiodisveryshortTCP//IPalreadyentrenchedbymid/lateeightiesOSI//RMisputupintheburstofmarketingofTCP/IP53Examples:OSI/RMProblemsTannenbaum:BadtechnologyBadtimingBadimplementationBadpolitics54BadtechnologyModelandprotocolflawedStandardizedbeforeimplementedDesignbycommitteew//oimplementationvs.designbyimplementors/researchers/engineersBoundariessomewhatarbitraryTopthreelayersneverquiteresolved

(application,presentation,session)Whysevenlayers??ManyfundamentalissuescanbeaddressedatmultiplelayersReliabilityFlowcontrolSecurityAddressing/naming55BadtimingMITD.Clark‘s“apocalypse(启示)ofthetwoelephants”Technologyactivityvs.timetostandardizationTCP//IPalreadyentrenchedbymid/lateeighties56BadimplementationsComplexityhuge&slowimplementations(考虑大而而全，要要全部实实现就苯苯拙且效效率低)Competition((BSDTCP/IP)wasgood,,free,,andeasytodeploy57BadpoliticsPushedbyEuropeanCommunityandU.S..governmentNegativeimageofgovernmentdictatingstandardsRemember“ClipperChip”58TCP//IP::FeaturesLayeringnotstrict-onlywhereappropriateCandefinenewabstractionsontopofanyexistingprotocolIP/UDPprovidessimple“sendapacket”svcEx:RPC,DNS,IPphone,etc.HourglassshapeIPcenterpiece,commondenominatorDesignandimplementationgohand--in--handIETFrequirestwoindependent,interoperableimplementationsbeforestandardizationThe“dogma（教义））”:Werejectkings,,presidents,,andvoting..Webelieveinroughconsensusandworkingcode.D.Clark59内容提要要课程概述述1协议2协议工程程360ProtocolEngineering：Why??网络服务务要求的的提高应用的多多样性网络系统统的多样样性导致在协议方面的体现复杂性分布性并发性异步性不稳定性多样性完整性正确性安全性可移植性标准化导致用直觉的工程方法不能保证协议的协议工程程(ProtocolEngineering))软件工程的经验61ProtocolEngineering:What?七十年代代未人们们开始用用形式化化的方法法描述通通信协议议。1981年，在软软件工程程思想的的基础上上，Piatkowski首先提出出了“协议工程程（PE：ProtocolEngineering）”的概念协议工程程学用形式化化方法描描述协议议设计和和维护中中的各个个过程，，它是以以协议软软件为研研究对象象的软件件工程，，而且建建立了一一套比一一般软件件工程方方法更为为严格、、更为数数学化的的理论和和方法。。集成化(Integrated)、形式化(Formal)的协议开开发过程程称为协议工程程。协议工工程的目目的是减减少协议议开发过过程中潜潜在的错错误，提提高协议议开发的的效率，，促进协协议标准准化的发发展。所谓“集成化”，就是指指协议描描述、验验证、实实现和测测试等技技术前后后衔接，，并在同同一个开开发系统统中完成成。在以以往的协协议开发发过程中中，各个个阶段并并不互相相衔接，，各个阶阶段的研研究人员员作完自自己的事事情就不不再管别别的事情情了。协协议设计计者凭自自己的经经验和智智慧设计计出协议议，用自自然语言言进行描描述，经经过他人人审定或或模拟之之后，就就予以公公布。其其他的人人只有在在感兴趣趣时才采采用某种种方法和和理论对对协议进进行验证证。协议议实现往往往根据据自己的的环境和和要求修修改协议议，协议议实现之之后不考考虑实现现与协议议规范是是否一致致。协议议的测试试往往由由协议实实现者自自己进行行，这实实际上是是一种程程序调试试。所谓“形式化”，就是指指用形式式描述技技术FDT((FormalDescriptionTechnique)贯穿协议议开发的的各个阶阶段。一一种形式式化描述述语言FDL((FormalDescriptionLanguage)以一种或或多种形形式化描描述技术术为基础础，有严严格的语语法和语语义定义义，抽象象于具体体的实现现，可以以符号执执行，可可以转换换、翻译译成程序序设计语语言。当当协议进进行形式式化描述述后，协协议的验验证、自自动实现现、测试试就可以以在一个个集成化化的协议议工程系系统中进进行了。。62ProtocolEngineering:Procedure非形式化化协议规规范形式化协协议规范范形式描述述与机器无无关的源源代码实现代码码(产品)转换实现产品测试试器测试序列列发生器器一致性测测试性能分析析模拟验证设计用户需求求说明63PEActivities:Design我们的定定义：根根据协议议的需求求说明构构造协议议的非形形式描述述文本(经过非形形式的验验证分析析)称为协议设计计；而将“协议的设设计、形形式描述述、验证证、实现现、测试试、运行行”这一全过过程称为为“协议开发发”，即协议议开发是是指协议议工程活活动的全全过程。。其它定义义：将协议设设计定义义为“从协议的的需求说说明到协协议的形形式描述述文本，，并经过过严格验验证和性性能分析析”这一过程程，或定定义为协协议工程程活动的的全过程程，即相相当于“协议开发发”。包括：协议环境境分析、协议的功功能设计计、协议议组织形形式的确确定、协协议元素素的构造造、协议议文本的的编制等等。64PEActivities:Design（Cont..）协议设计计质量的的好坏直直接关系系到开发发出来的的协议性性能、功功能是否否能满足足用户需需求的一一个重要要因素。。协议设设计阶段段的结果果是非形形式描述述协议文文本。协议设计计涉及到到很多技技术，如如差错控控制技术术、流量量控制技技术、连连接管理理技术、、路由选选择技术术等。协议设计计还必须须遵循一一些基本本原则，，如结构构化、模模块化等等。课程的重重点内容容Back65PEActivities:FormalDescrpt..通信系统统行为的的复杂性性增大了了行为描描述的难难度，人人们必须须借助一一种语言言或一种种技术来来准确地地描述系系统行为为。在过去，，人们习习惯使用用自然语语言进行行协议描描述（用用自然语语言写协协议的规规格说明明或规范范）优点是：：方便、、易懂致命缺点点是：不不严格、、不精确确、结构构不好、、没有描描述标准准和有二二义性且很难进进行协议议实现、、测试的的自动化化和协议议验证。。不同的人人对协议议描述的的理解不不一样导导致不同同的协议议实现之之间不能能实现互互连，甚甚至还会会得出错错误的协协议。解决办法法：形式式化技术术FDT((FormalDescriptionTechnique))66PEActivities:FormalDescrpt采用形式式描述技技术的最最终目的的是：为开发者者提供一一种分析析的方法法；作为对开开发结果果验证的的基础；；为设计人人员和应应用人员员提供交交流途径径；作为开发发文档能能在将来来再开发发时使用用。理想的形形式描述述技术应应该既能能描述系系统的行行为特征征，又能能进行操操作：在系统需需求分析析和设计计阶段，，它应该该是一种种描述语语言在系统实实现阶段段它应该该是一种种编程语语言。形式描述述技术是是将协议议工程各各阶段在在技术上上衔接起起来的纽纽带，因因此它对对协议工工程的发发展起决决定性作作用。67形式描述述模型有限状态态机FSM((FiniteStateMachine))Petri网(PetriNet))时态逻辑辑TL(TemporalLogic)通信系统统演算CCS((CalculusofCommunicationSystem)通信顺序序进程CSP((CommunicatingSequentialProcesses))形式文法法FG(FormalGrammar)形式描述述语言ISO制定的Estelle和LOTOSCCITT制定的SDL对象管理理组织OMG制定的统统一建模模语言UML课程的重重点内容容PEActivities:FormalDescrptBack68PEActivities:VV协议验证证(VerificationandValidation)技术和形形式描述述技术是是同步发发展的在进行协协议实现现之前还还要进行行以下二二项工作作：在语法和和语义方方面进行行验证；；进行计算算机模拟拟。协议的验验证主要要内容包包括：可达性分分析死锁和活活锁检测测协议的有有界性和和完整性性检查协议的动动作序列列检查通道溢出出检查等等69PEActivities:VV((Cont.))验证方法法主要有有两类：：模型检查查(ModelChecking))最常见方方法：可可达性分分析，它它包括状状态穷举举，状态态随机枚枚举，状状态概率率枚举等等方法重要问题题：状态态空间爆爆炸证明(Proving)试图用推推理演算算方法严严密地证证明协议议的各种种性质其他方法法：模拟（Simulation）通过一些些模拟试试验来测测试协议议的各种种性质Back70PEActiviti