协议工程之协议工程概论

网络协议工程尹洪胜2021年4月2第一章协议工程概论1.1概论协议：是某种活动或者行为所遵守的准那么或规那么。在计算机世界中，协议是计算机之间或者计算机与其它设备之间用来通讯的规那么或言语。协议工程学：是研讨协议设计，协议验证、协议实现、协议测试等技术的一门新的计算机学科。协议工程研讨目的：旨在减少协议开发中潜在地错误，提高协议开发效率，促进协议规范化地开展3第一章协议工程概论1.1.1早期的通讯及协议协议最早诞生在通讯系统中，协议设计的历史与通讯本身一样古老。为实现远间隔信息传送需求两个条件：〔1〕要有发送/接纳信号的安装——硬件〔2〕一套通讯规那么〔协议〕——软件4第一章协议工程概论早期的通讯系统〔1〕击鼓传令〔2〕烽火通讯〔3〕光通讯〔4〕电磁通讯1.1.2协议缺陷的教训1861年8月发生在克莱顿隧道中的事故，在1.5英里长的隧道两端，一天24小时有人值班。事故呵斥21人死亡，176人受伤5第一章协议工程概论通讯协议〔1〕列车允许从A——B运转。〔2〕当列车A进入后，A端向B端发“火车在隧道中〞音讯。〔3〕当火车在B端出现时，B端信号员向A端信号员发“隧道空〞音讯。〔4〕为平安起见，可以让A端信号员向B端信号员发“火车分开隧道？〞讯问音讯AB6第一章协议工程概论1.2协议及系统的相互作用1.2.1分层系统模型7第一章协议工程概论1.2.2系统的相互作用在n层协议中存在着多种相互作用〔1〕部分系统与通道系统之间相互作用〔2〕部分系统之间的相互作用〔3〕全局系统与外部环境之间相互作用在n层内，系统相互作用按照确定的规那么进展，这些系统作用规那么的总和就构成n层协议。8第一章协议工程概论1.2.3事件与活动部分系统(协议实体),是系统相互作用的主角,它的活动是由事件驱动的.对部分系统而言,存在两类事件:〔1〕内部事件部分系统内部产生的事件，如时钟超时〔2〕外部事件部分系统外部产生的事件。如收到一个效力恳求，通道收到一个报文。9第一章协议工程概论1.2.4协议及协议的描画基于上述系统相互作用的概念，给协议如下定义：对于n层全局系统，部分系统之间相互作用的规那么以及它们与外部环境和通道系统相互作用的规那么的总和就是n层协议。协议必需以某种方式描画〔文字、图形等〕，协议描画至少包括以下内容：〔1〕部分系统之间交换的报文确实切定义〔2〕各个部分系统在一个事件产生时进展什么样的活动。〔3〕各个部分系统怎样经过察看作用点运用通道系统提供的效力。〔4〕各个部分系统怎样经过察看作用点向外部提供效力。10第一章协议工程概论1.2.5OSI模型应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层接纳信息的进程发送信息的进程七层参考模型数据流的物理传输层间的逻辑通讯每一层执行功能并将信息送往下一层每一层执行功能并将信息送往上一层11第一章协议工程概论1应用层ApplicationLayer简称A层7表示层PresentationLayer简称P层5会话层SessionLayer简称S层4传输层TransportLayer简称T层3网络层NetworkLayer简称N层2链路层DatalinkLayer简称DL层1物理层PhysicalLayer简称PL层12第一章协议工程概论(1)协议实体(Protocolentity)协议实体简称实体，一个实体就是一个部分系统，n层实体记作(n)-entity.OSI模型各层实体分别记为:A-entity;P-entity;S-entity;T-entityN-entity;DL-entity;PL-entity13第一章协议工程概论(2)协议机〔protocolmachine)协议机是协议实体的代名词，缩写：PM；n层协议机记为〔n〕PM；OSI模型各层协议机记为APM，PPM，SPM，TPM，NPM，DLPM，PLPM14第一章协议工程概论(3)效力n层效力是n层全局系统一致行为的一种表达。n层效力向〔n+1〕层外部环境提供效力，外部环境运用n层效力，完成通讯义务。n层的效力记为〔n〕-service,OSI模型各层效力分别记为：A-Service，P-Service，S-Service，T-Service，N-service，DL-Service，PL-service15第一章协议工程概论(4)效力提供者〔serviceprovider〕n层效力的提供者就是n层的部分系统〔协议机〕(5)效力的运用者〔serviceuser〕n层效力的运用者就是(n+1)层的部分系统，但不一定是协议机，例如运用层效力的运用者不一定是协议机，n层效力的运用者称为n层用户。16第一章协议工程概论(6)效力访问〔SAP〕效力访问点〔ServiceAccessPoint〕是效力运用者和效力提供者的界面〔察看作用点〕，n层效力访问点〔n〕SAP，OSI模型各层的效力访问点分别记为：ASAP，PSAP，SSAP，TSAP，NSAP，DLSAP，PLSAP。(7)效力原语〔serviceprimitive〕效力原语是效力运用者和提供者相互作用的原子行动描画。所谓原子行动是不能部分执行的行动，要么完全执行，要么不执行。效力原语描画效力提供者和效力运用者一次原子交互作用的称号以及各参数的含义。一条效力原语的执行在访问点引起一个事件，这个事件是一种原子事件〔Atomicevent〕。17第一章协议工程概论(8)效力规范〔ServiceSpacification〕确切定义了效力运用者和效力提供者之间相互运用的规那么。〔例如：效力的执行序列等〕(9)地址〔Address〕地址就是效力访问点标识〔SAPidentifier〕，n层地址记为〔n〕－address，OSI模型层的地址分别记为：A－address;P－address;S－address;T－addressN－address;DL－address;PL－address18第一章协议工程概论(10)协议〔Protocol〕协议是一组n层实体层执行n层功能中相互通讯行为的规那么和格式。n层协议记为〔n〕－protocol，OSI各层协议分别记为：A－protocol;P－protocol;S－protocol;T－protocol;N－protocolDL－protocolPL－protocol19第一章协议工程概论(11)协议规范〔ProtocolSpecification〕协议规范用某种言语确切定义了实体之间通讯规那么和交换的报文的格式，以及实体利用低层效力的规那么(12)协议数据单元〔PDU〕协议数据单元〔ProtocolDataUnit〕是实体之间交换的报文。n层协议数据单元记作：〔n〕PDU，OSI模型各层的PDU分别记为：APDU，PPDU，SPDU，TPDU，NPDU，DLPDU，PLPDU20第一章协议工程概论(13)效力数据单元(SDU)效力数据单元〔ServiceDataUnit〕是效力提供者和效力运用者之间传送的数据单元，n层效力数据单元记作〔n〕SDU，OSI各层的SDU分别记作ASDU，PSDU，SSDU，TSDU，NSDU，DLSDU，PLSDU。(14)协议控制信息〔PCI)协议控制信息〔ProtocolControlInformation〕是实体本身产生的控制信息，它是PDU中一部分，n层协议控制信息记作〔n〕PCI21第一章协议工程概论APCI，PPCI，TPCI，SPCI，NPCI，DLPCI，PLPCI，(n-1〕SDU=(n)PDU=(n)SDU+(n)PCI22第一章协议工程概论1.3协议的开发过程协议的开发包括六个过程协议设计(PDU格式,协议机制,效力原语等设计)协议描画,用某种言语确切地描画协议元素协议的验证与性能分析,对所描画的协议验证其正确性,分析其性能;协议实现,根据描画的协议产生网络硬软件协议测试,对实现的协议进展测试协议维护,对网络软硬件进展维护23第一章协议工程概论N层全局系统是一个分布系统,它的行为完全由n层协议所支配,分布系统的复杂性就是协议的复杂性.复杂性表达在:(1)分布性:多个部分系统分布在不同的机器上.(2)并发性:各个部分系统并发任务(3)异步性:各个部分系统不能同时察看到事件产生(4)实时性:部分系统的活动有严厉的时序要求和时间要求。(5)通道系统的不稳定性24第一章协议工程概论协议开发困难:(1)网络软件规模大,开发周期长(2)潜在错误多,排除困难(3)协议规范化保证困难(4)软件一致性差(5)软件可维护性低由于上述缘由,协议开发过程急需求工程化,提高网络软件消费率，促进规范化的实现，提高网络软件的可靠性和可维护性。25第一章协议工程概论26第一章协议工程概论1.3协议工程的研讨内容1.3.1协议工程的定义分析一体化的、方式化的协议开发过程叫——协议工程。使协议开发一体化的、方式化的的实际和技术以及协议工程系统建造技术——协议开发技术〔协议技术或协议工程学〕27第一章协议工程概论一体化：协议的设计、验证、实现和测试，在技术上前后衔接，并在同一个开发系统中完成。方式化：用方式描画言语FDL〔FormalDescriptionLanguage〕衔接协议开发的各个阶段。协议的表示方式有：非方式描画文本；方式描画文本28第一章协议工程概论协议工程系统包括许多软件工具，包括许多协议表示。在协议工程中，协议的表示方式有：非方式描画文本：用自然言语和图表。方式描画文本：用FDL描画的协议，严密，无二意，可符号执行，可转换成程序设计言语。29第一章协议工程概论与机器无关的代码：是由方式描画文本翻译过来的程序。〔pascal,c等〕，是由于协议的笼统性。实现代码(ImplementationCode)：指协议实现后的最终代码。〔50%〕测试套具(TestSuit)：一组关于协议测试和测试数据的文件，它由协议的方式文本产生。测试套具是用另外一种言语描画的〔测试描画言语TTCN〕。转换(Transformation)系统:将协议的非方式化描画文本转换成方式描画文本。验证(Verification)系统：对协议进展验证检查，发现并修正潜在错误。30第一章协议工程概论性能分析〔PerformanceAnalysis〕:对协议性能进展分析评价，修正协议，提高性能。翻译〔Translation)系统：将方式描画文本翻译成源程序代码。实现〔Implementation〕系统：实现是详细操作系统所提供的程序开发环境。测试〔Test〕系统：测试套具在该系统中执行，对实现代码进展测试，分析结果，检测错误，将错误反响给实现系统，修正实现代码。测试套具生成〔TestSuitGeneration〕系统:根据协议的方式描画文件产生测试程序〔描画怎样测试〕和测试数据，该系统部分功能可由人工完成。31第一章协议工程概论一个完好的协议工程系统32第一章协议工程概论协议工程技术可归结为5个方面〔1〕协议设计技术(构造、综合、开发)〔2〕协议模型及方式描画技术〔3〕协议验证分析技术〔4〕协议实现技术〔5〕协议测试技术33第一章协议工程概论1.3.2协议设计技术协议设计不同于协议规范的制定，协议规范制定是设计出协议所必需完成的功能和应该提供的效力，然后求得在某个范围内的认可和一致协议规范是用自然言语描画的。协议设计要求有不同含义：〔1〕是指协议设计过程〔2〕亦指协议经过严厉验证和性能分析之后就完成了设计义务。34第一章协议工程概论无论哪种含义的协议设计，都涉及两个共同技术问题：〔1〕环境分析方法〔2〕协议设计方法n层全局系统就是N层协议设计环境，N层环境的分析包括四个内容：〔1〕n层实体实现哪些功能？〔2〕向〔n+1)层提供什么样效力〔3〕对n层言，〔n-1)层的全局系统被映射成通道，这个通道的特性是什么。〔4〕n层包括多少实体，它们采取什么方式35第一章协议工程概论1.3.3协议模型及方式描画技术协议的方式描画是指采用某种方式描画言语模型无二义地描画协议的各元素。包括语法，语义和时序。以便验证所设计协议的逻辑正确性和能否具有良好的性质。协议模型及方式描画技术涉及两个研讨课题〔1〕用什么数学模型和逻辑模型表示n层部分系统，通道系统，全局系统以及他们之间的相互作用。〔2〕设计基于一种或多种数学逻辑的方式描画言语〔FDL〕36第一章协议工程概论1.3.4协议验证和分析技术协议的正确性验证，试图在协议开发的前期最大限制地检测和纠正协议错误和缺陷。这些错误包括：死锁、活锁、不可执行。协议验证技术可分三类：〔1〕可达性分析〔2〕