（通信与信息系统专业论文）通信协议的实现与研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究通信协议的实现和研究摘要从古至今，如何建立一个在远距离上快速传输信息的系统，直是人们在不断探索和研究的问题。为了实现这一目的，一方面需要有发送和接收信号的硬件装置；同时还需要建立一套规则、标准或约定，用来规定信号的传送和接收方式以及所传送信号的意义，这就是协议。本论文主要是针对通信协议的实现进行研究的。首先简单介绍了通信协议的作用，说明它是通信设备及通信设备之间通信的必要条件。第一章简述了通信协议现实中的四种方法，和在协议实现中采用分层的作用与好处。第二章详细讲述了协议的构造过程，主要讨论了协议环境、协议功能和协议机制、协议元素及协议组织等内容。第三章主要介绍了协议的形式描述方法，包括有e s t e l l e 、l o t o s 及s d l ，因为随着形式化方法和技术的日趋完善，通信协议的开发从非形式描述过渡到形式化描述。第四章主要介绍了有限状态机在协议实现中的发展过程，同时提出了本论文协议实现的方案，目的是想提出了一个协议实现的设计模式。第五章用i s u p 协议来描述协议的实现过程，说明了在协议实现中，有限状态机在协议设计中的作用。关键词：s d li s u p 协议有限状态机消息i i北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究r e l i z a t i o na n dr e s e a r c h0 ft h et e l e c 0 呱仉n i c a t i o np r o t o c o la b s t r a c tt i l lt o d a y ，h o wt ob u i l dar a p i ds y s t e mt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nf r o md i s t a n c ei saq u e s t i o nw h i c hp e o p l ea r es t i l lp r o b ef o ra n dr e s e a r c h i no r d e rt oa r r i v et h eg o a l ，n o to n l yh a r d w a r ei sn e e d e d ，b u ta l s oar u l e ，s t a n d a r do ra s s u m e p s i ti sn e e d e d t h es t a n d a r d w h i c hc a nr e g u l a t eh o wt os e n do rr e c e i v et h es i g n a l sa n dt h em e a n i n go ft h es i g n a l si st h ep r o t o c 0 1 t h i sd o c u m e n ti sf o rh o wt or e a l i z ea n dr e s e a r c ht h et e l e c o m m u n i c a t i o n f i r s ti te x p l a i nt h ef u n c t i o no ft h ep r o t o c o la n ds h o wp r o t o c o li st h en e c e s s a r yc o n d i f l o nb e t w e e nt h et e l e c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i p t st h ef o u rm e t h o d so ft h et e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dt h ef u n c t i o na n db e n e f i tf o rt h el a y e r s t h es e c o n dc h a p t e re x p l a i n st h ep r o c e s so ft h ep r o t o c o la n dd i s c u s st h ep r o t o c o le n v i r o m e n t ，p r o t o c o lf u n c t i o n ，p r o t o c o lm e c h a n i s m ，p r o t o c o le l e m e n ta n dp r o t o c o lf o r m se t c t h et h i r dc h a p t e re x p l a i n st h em e t h o do fr e a l i z i n gt h ep r o t o c o lw h i c hi n c l u d e st h ed e s c r i p t i o no fp r o t o c o li n c l u d i n gt h ee s t e l l e ，l o t o s ，s d l t h ef o r t hc h a p t e re x p l a i n st h a tb yt h es p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，t h ei m p l a n m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o ni sa p p l i e dt h es p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g ef r o mn o n es p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e a n dt h el a s tc h a p t e ru s e si s u pp r o t o c o lt oe x p l a i nt h ef o n c t i o mo ft h ef m sd u r i n gt h er e a l i z a t i o no f t h et e l e c o m m u n i c a t i o n k e y - w o r d s ：s d l ，i s u p , p r o t o c o l ，f s m ，m e s s a g ei i i北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究独创性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名王主备叉日期：竺芏：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：导师签名：ii 级日期：塑：! ：三日期：2 型垒：i ：北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究1 1 协议定义第一章通信协议概述协议是某种活动或者行为所遵守的准则或规则。协议在人类社会和日常生活中经常用到。在通信世界中，协议是通信设备之间或通信设备与其它设备之间用来通信的规则或语言。如果从系统相互作用的概念来描述协议的定义，则可以这样来定义协议。对于n 层全局系统，局部系统之间的相互作用的规则以及它们与外部环境和通道系统相互作用的规则的总和就是n 层协议。1 2 通信协议作用协议最早诞生于通信系统中，协议设计的历史与通信本身一样古老。如何建立一个在远距离快速传输信息的系统，这是很久以来人们就不断探索和研究的问题。随着通信技术的发展，事实也证明一个好的通信协议能够给人们的生活或工作带来很大的方便与便利。1 3 通信协议分层实现要实现通信设备之间高度自动化数据通信，这样的协议实现一般都极其复杂。借鉴对复杂系统问题分析研究的思想，分层结构对于理解和设计通信协议有着重要的作用。1 3 1 分层结构的意义事实告诉我们，如果一个问题太大而不能解决时，我们必须将其分解成若干子问题，这些子问题应该是比较容易解决的，或者是先前已经解决了的。为了能更好地理解和解决通信协议设计中的问题，需要采用一些有效的思想、方法和技术，如：分层结构等。所谓分层，就是将完成通信全过程的所有功能划分成若干层，每一层对应一些独立的功能。从而将庞大复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题是比较容易研究和解决的。在通信协议中，可通过分层的方式来进行结构化，较抽象的功能可用较低层的结构来定义和实现。其中的每一层都隐藏了传输通道的某些不符合需要的特北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究性，从而将通道转化为一个更为理想的媒体。图1 。1 表示了协议的分层结构。第n + l 层第n 层第n 0 1 层图1 1 协议的分层结构从图中我们可以看出，n 层的所有协议功能形成了一个逻辑实体。在该模型中，它们被称为“对等实体”。在两个相邻层问的垂直边界称为“接口”，而在属于不同系统的两个实体间的水平边界称为“对等协议”。由于层间接口本身的应用细节可以简单地从环境中隐藏，所以在此系统中，只有对等协议需要建立标准。相邻两层间的接口被定义为“服务访问点”的集合，这些服务访问点由低层提供，供高层使用。进行交换的信息被各层用数据单元或数据包逐步加上格式。从执行序列来看，发送端将信息从其使用的高层逐步向下传递到物理层，然后通过实际的物理电路从一个系统传到另一个系统，之后由接收端在信息通过协议体系结构时逐步解释，最终到达接收端的最高层。通过上述分析，不难看出分层结构对于通信协议的理解和设计可带来如下的好处：( 1 )各层之间独立的。某一层并不知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易实现的小一些的问题。这样，整个问题的复杂度也就下降了。( 2 )灵活性好，适应性强。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，这层以上或以下的各层不受影响。因此容易扩充或改变协议。( 3 )结构上可分割。各层可以采用最使用的技术来实现。( 4 )通过将高层的工作与低层细节分开。分层次的设计可以更好地表示出协议的逻辑结构。北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究( 5 )易于实现和维护。也易于标准化。这样每一层的功能及其所提供的服务可以做精确的说明。1 3 2o s l 模型o s i 参考模型是国际标准化组织( i s o ) 在1 9 7 7 年提出的。为了满足计算机系统之间日益增长的通信需求，使不同厂家生产的、不同型号的计算机能相互通信。必须对它们的连接方式和通信规程作出统一的规定。于是在着手制定具体规范之前，需要先建立一个的结构模型，以此来定义通信的任务。o s i 模型就是根据这个需要制定的，成为了开放系统互连的基础。因此所谓“开放”，是指任意两个系统，遵照这个参考模型和相关标准可以相互连接的能力，所谓“开放”，就是可以和其它系统连接和通信的系统。o s i 参考模型的基本构造技术是分层，建立标准分层模型的第一步是制定分层原则。其基本的分层概念是：将通信的功能划分成很多层次，每一层只执行一部分功能，可以单独地进行开发、它的改变不会影响其它的层；每一层仅和其直接相邻的两个层打交道：它利用低一层所完成的功能( 而并不关心这些功能是怎样完成的) ，并且向高一层提供自己本身所完成的功能( 即服务) ：每一层不宜太大( 否则不便于开发和管理) ，又不能太小( 那样会使层次太多，增加处理上的开销) 。国际标准化组织研究的结果是建立一个七层的参考模型如图1 2 所示。应用层应用层表示层表示层会话层会话层运输层运输层网络层网络层链路层链路层物理层匀理层1物理传输媒体图1 2o s l 分层模型第一层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 是最低的一层，它和物理传输媒体有直接北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究的关系，它决定了设备之间的物理接口以及数字编织物传送的规则。第二层：数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ，功能是保证物理链路上数据的可靠传送。数据链路层负责数据块( 帧) 的传送，并进行必要的同步控制、差错控制_、和流量控制。第三层：网络层( n e t w o r kl a y e r ) ，网络层提供系统之间的连接，它负责将两个终端系统经过网络中的节点用数据链路连接起来，组成通信通路，实现两个终端系统之间的数据透明传送。第四层：运输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ，它利用低三层所提供的网络服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传送。第五层：会话层( s e s s i o n l a y e r ) ，基本功能是向两个表示层实体提供建立和使用连接的方法，也就是“会话”。第六层：表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) ，负责定义信息的表示方法，并向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务，以使两个系统用共同的语言来进行通信。第七层：应用层( a p p l i c a t i o n l a y e r ) ，是最高层，它直接向用户提供服务，它为用户进入o s i 环境提供了一个窗口。其中1 3 层又称为低层功能，4 - - 7 层称为高层功能。这样低层功能是保证系统之间路过网络的可靠信息传递，高层功能是一些面向应用的信息处理和通信。13 3 协议构造方法协议的实现需要一定的经验和技巧，而且它又是协议开发的重要步骤，但是目前人们只着重于熬个协议开发方法的研究，不注重协议构造方法的研究。然而，掌握一个好的方法，可使协议构造的思路清晰，有条理，问题考虑周全，能以最快的省力的途径获得协议文本初稿。有三种方法是大家经常应用的l 、上而下的实现方法该方法类似于软件的自上丽下的开发方法，它的起点是通信软件总体设计时所提出的要求。软件总体设计将一个软件系统划分成若干层，并对各层提出具体要求( 服务特性、工作模式、总的功能等) 。4北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究软件总体设计对n 层协议的要求0对n 层协议环境( 用户要求、通道性质、工作模式) 进行分析0定义n 层协议的服务原主和参数，确立服务原主时序根据环境分析，确定n 层协议应有哪些协议功能0将关系较密切的功能归成一类，形成协议模块0确立各协议功能的协议机制，并分析或模拟其性能0按协议模块，构造协议元素，确立各元素之间关系0确立协议的组织形式，并修改协议功能和协议元素l将各协议模块的协议元素综合成统一的协议元素0对协议进行系统完整的描述，形成协议文本初稿2 、下至上的实现方法该方法的构造过程和上述方法相反，它的起点是含混的，计算机通信的发展往往要求研制性能更好的协议，至于怎样好，没有具体要求，梦呓者说协议性能越高越好，服务能力越强越好。协议的性能取决于协议机制，因此该方法的第一步是研究新的协议机制。构造更好的协议0研制新的协议机制，模拟和分析性能上将多个实现新协议机制的协议功能组合成协议模块按协议模块构造协议元素，各元素之间关系0确立协议组织形式将各个协议模块的协议元素组合起来0分析并描述协议的服务特性和服务能力北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究0描述协议对低层协议服务的要求( 通道要求)对协议作完整描述，形成协议文本3 、由低( 易) 到高( 难) 的实现方法将用户要求和通道特性按难易程度排序。首先取最你的用户要求和最易的通道构造成一个功能最简单的协议，然后增加要求和通道难度，逐步构造一个完整的复杂协议。此方法类似于软件开发的快速原型法。4 、利用成熟协议的实现方法目前已有许多通信协议在运行，有的已相当成熟。利用一个成熟的协议或一个协议国际标准，构造一个新的符合指定环境的协议的方法是一条很好的捷径。6北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究第二章协议构造过程下面讨论n 层协议的构造过程。n 层协议模型如图一所示，说明n 层协议可有多个协议实体( a 和b 是其中两个) 。协议工作模式问题。u s e r l 和u s e r 2 为它们怎样分布，各起什么作用等，属于( n + 1 ) 层协议实体，称之为n 层协议的用户( 简称n 层用户) 。n 层协议实体利用( n 一1 ) 层协议提供的服务按照n 层协议通讯，这种通讯活动在两个( n 1 ) s a p 之间构成一个通道，称之为( n 一1 )层通道。n 层用户的要求、( n - - 1 ) 层通的性质以及n 层协议的工作模式构成n层协议的环境。n 层协议的构造从协议环境分析入手。( n + 1 )nu s e r lu s e r 22 1协议环境211 用户要求( n 1 ) 层通道图2 1n 层协议模型ns a p( n 1 ) s a pn 层用户对n 层协议提供的服务提出的要求归纳为以下几个方面。1 联接管理n 层用户可要求n 层协议提供有联接服务、无联接服务和永久联接服务，并要求n 层协议负责联接的建立、撤消、作废、复位、恢复等管理工作。联接建立过程中，网络资源的分配和管理，联接合法性和安全性检查，以及目标名和地址的转换工作也由n 层协议进行。北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究2 服务认可n 层用户可要求三种形式的服务：完全认可式、部分认可式、无认可式。完全认可式服务需要4 条服务原语。如图2 2- - r e q u e s ti n d i c a t i o n- - r e s p o n s e- - c o n f i r md a t a - c o n f i r md a t a r e q u e s td a t a - i n d i c a t i o nd a t a - r e s p o n s e图2 2 完全认可式服务部分认可式服务需3 条服务原语：如图2 - 3- - r e q u e s ti 1 1 m c a t i o n- - c o n f i r m图2 - 3 部分认可式服务无认可式服务只需要2 条服务原语：如图2 - 4- - r e q u e s ti n d i c a t i o n北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究图2 - 4 无认可式服务3 通讯方式用户通讯方式涉及单工、半双工、全双工，以及同步、异步二个方面。对于全双工通讯，n 层协议必须在( n ) s a p 上提供并发的收发服务，对于半双工通讯，n 层协议要管理“发信权”，握有“发信权”的用户可以发送数据报文。如果n 层用户进行应答式通讯( 同步) ，n 层协议可免除流控制功能。n 层用户的同步通讯或通过n 层协议提供的完全认可服务进行，或用户自己进行控制。对于异步通讯，发送数据的用户可向收方用户发出任意个数据报文，此时n 层协议必须施加流控制，否则报文将会丢失。4 数据形式用户数据可为多种形式，它们是：曲块数据n 层用户向n 层协议递交整块数据；b ) 流数据n 层用户向n 层协议递交安符流；c ) 批数据n 层用户向n 层协议递交大批数据块( 短时间内) ；d ) 优先数据n 层用户向n 层协议递交的数据有不同优先级别；曲中断数据n 层用户要求n 层协议旁路正常数据的传递，快速将特殊信息发送到对方，此信息叫中断数据；f ) 紧急数据同中断数据；蓟流外信息n 层用户向n 层协议递交的流数据中夹杂着要求n 层协议截获并作处理信息；h 1 编码信息n 层用户要求n 层协议先对信息编码，然后发送。5 数据长度n 层用户要求传送的块数据的长度以及批数据的数据量可能是任意的。数据块过长，n 层协议要分段发送。为了应付大宗量批数据的传送，n 层协议要加宽( n - - 1 ) 层通道的频带，要进行流控制和交通拥塞避免控制，要有足够的数据缓冲区。6 数据可靠性数据可靠性包括数据报文无c r c 错、报文顺序正确、报文不丢失不重复。n 层协议为了保证数据的可靠，必须进行c r c 校验和纠错、进行报文顺序控制、超时生发控制以及流控制。7 数据流通量与实时性n 层用户可向n 层协议提供出流通量和实时性要求，n 层协议要采取相应措满足用户要求。8 安全、保密性为了满足用户对安全、保密性要求，n 层协议可对用户数据加密和安全控制( 如口令、特权等) 。9 目标识别n 层用户可以三种形式向n 层协议说明自己的通讯目标：a ) 传地址说明目标的地址；b ) 传名字说明目标的名字；c ) 传参照值( 索引值)说明目标的参照( 索引值) 。n 层协议必须维持和管理一个地址一名字表或地址一索引表。2 1 2 通道性质n 层中任何两个协议实体( 如图一中的a 和b ) 通过( n 1 ) s a p 所形成的数据逻辑通路叫( n 1 ) 层通道。n 层协议实体a 和b 可用下述方法形成( n 一1 )层通道：i a 和b 建立并独占一条联接，此时( n - 1 ) 层应提供有联接服务：i i a 和b 和其它协议实体一起共享一条联接：斌a 和b 利用( n 1 ) 层提供的无联接服务进行通讯；i v 如果( n 1 ) 层为物理层，a 和b 可独占一条物理信道，或共享一条物理信道，图2 - 5 示出a 和b ，c 和d 独占一条联接，共享一条联接，以及利用无联接服务进行通讯时形成的( n 一1 ) 层通道情况。独占联接1 0北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究共享联接利用元联接图2 - 5 ( n 一1 ) 层通道的形成方式n 层协议使用( n 1 ) 层通道的性质对n 层协议的构成有重大影响，这些通道性质可归纳如下几个方面。1 通道形成方式2 n 层协议必须有一个负责和( n 1 ) 层服务访问点接口的模块，该模块的功能取决于通道形成方式。该模块要负责联接建立和形成工作，联接共享控制工作。如果是物理信道，要负责信道接口工作：如果物理信道共享，要负责信道共享控制工作。队列性质一般情况下，( n 一1 ) 层通道可看作队列通道，就是说一个数据报文从n 层源端协议实体发出之后要在n 层以下各层多次存贮转发，每个存贮转发处就存在一个队列。平均队列长度以及最大队列允许长度是队列的主要性质。队列长，那么数据报文在通道中的延时变大；如果队列长度达到最大允许长度，那么后续的数据报文将会丢失。通道队列性质严重地影响n 层协议的功能以及协议性能。如果( n 一1 ) 层通道为物理信道，那么此通道有时是非队列性质的。此时数据报文在通道中的延时是固定的，报文不会丢失，并且是有序的。3 r 订( r o u n dt r i pt i m e )r 1 _ r 定义为报文从n 层源端实体发出到该报文的认可信息回到该实体之间的时间，它包括目标实体收到报文之后，对报文进行处理然后发出认可信息的时间。r t t 是n 层协议的最重要参数之一。北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究4 参数的可靠性5 数据在通道中传送的可靠性包括报文的出错率、报文丢失率、报文重复率、报文顺序错误率。通道的形成方式与数据可靠性有一定关系。如果通道是利用( n 一1 ) 层有联接服务形成的，或是物理信道，那么报文的顺序不改变。如果通道利用( n 一1 ) 层的无联接服务形成的，报文的传递顺序无保障。通道可靠性n 层通道可靠性指通道故障( 如断联、复位等)6 报文最大长度通道所接收的最大报文长度，该参数影响n 层协议的报文分割，拼接等功能的施行。7 工作方式通道工作方式涉及单工、半双工、全双工以及同步、异步两个方面。n 层协议将根据工作方式提高通道利用率。8 其它性质( n 一1 ) 层通道的其它性质包括流通量、带宽等。2 1 3 工作模式n 层协议的工作模式涉及如下一些问题。1 点模式和多点模式n 层内任意两个协议实体( 如a 和b ) 利用一条( n 一1 ) 层通道通讯，协同完成指定协议功能，些模式为点一点模式。而两上以上协议实体利用多条通道相互通讯，协同执行一定任务，此模式为多点模式。图2 - 6 为点一点模式和多点模式n 层点一点模式北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究n 层- 多点模式图2 - 6 点一点模式和多点模式2 中转和路由有时候，n 层内两个协议实体不能找到或形成直接通道( 或是因为它们的协议不同，或是因为( n 一1 ) 层服务不同) ，此时它们的通讯必须通过中转实体进行( 图2 7 ) 。多个中转实体在n 层内形成一个逻辑网络，每个中转实体必须有路由功能，它们可不直接向n 层用户提供服务( 图2 7 中的c 就是这样) 。n 层n 层( n 一1 ) 层服务不同 和b 的协议不同图2 ，7 中转实体1 3北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究2 2 协议功能和协议机制n 层协议功能是指n 层协议应该做哪些事情，n 层协议机制指用什么方法、设施和算法去做这些事情。n 层协议功能应与n 层用户要求，( n 一1 ) 层通道性质和n 层协议工作模式一致，n 层协议机制应保证协议功能的真正有效地实行。对于具体某层协议来说，它的用户只会提出上节所列出的一部分要求，它对( n 一1 ) 层通道也会有明确的要求。协议的工作模式一般在软件总体设计时确定下来，例如：i s o 传输层为点一点平衡模式，网络层为多点模式，有路由功能。当n 层协议环境明确之后，n 层协议的功能就可以确定了，一般情况下，n 层协议功能为下述协议功能的一个子集。这些协议功能按a ，b ，c 分类，同类协议功能的关系较密切，实现时往往处于同一模块中。a 1 联接管理该功能负责n 层用户的联接建立、维护、撤消等管理工作。联接管理伴随着联接合理性检查，联接安全控制，资源分配，联接目标名字和地址的翻译等工作。a 2 多路管理多路管理是a 1 的扩充。a 3 无联接和广播管理现代通讯协议将无联接变成“准联接”，即对于每对源一目通讯，n 层协议设置了一些重要参数，保留一些历史数据，以便对无联接通讯进行其它控制( 如发送速率控制等) 。a 4 通讯方式管理对于半双工通讯，n 层协议要进行发信权管理，对于全双工通讯，n 层协议要使它的用户能在任意时刻递交s d u 和异步接收s d u 。b 1 s d u 和p d u 的发送和接收n 层协议接收n 层用户递交的s d u ，将之转换成p d u ，从( n 1 ) 层通道发送出去；反之，它接收( n 一1 ) 层通道的p d u ，抽出s d u ，将之转交给n 层用户。b 2 p d u 的装配拆卸n 层协议必须装配p d u ( 发送前) ，按照给定格式附上协议控制信息p c i ，对于接收后的p d u 要对之拆卸，拆出p c i 。b 3 s d u 的编码解码n 层协议可能要对s d u 进行编码、加密、压缩( 发送方) 或解密、复原( 接收方) 。1 4北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究b 4 c r c 校验s d u 或p d u 可能要进行c r c 校验和纠错。b 5 s d u 分段和合段如果s d u 长度大于( n 1 ) 层通道最大允许报文长度，s d u 必须分段发送，接收后要合段。b 6 s d u 拼接和分离如果s d u 长度很小，为了提高( n 1 ) 层通道利用率，多个s d u 可以拼接( c o n c a t e n a t i o n ) 成一个p d u 后发送，接收方将p d u 分离( s e p e r a t i o n ) 出多个s d u 来。b 7 p d u 分割和组合为了加大通讯流通量( 或带宽) ，n 层协议可建多个( n 1 ) 层通道。此时，一个p d u 可以分割( s p l i t t i n g ) 成多个( n - - 1 ) s d u ，并行地从多个通道分头，接收方将它们组合( r e c o m b i n i n g ) 成一个p d u 。c 1 顺序控制报文的编号有助于检测报文的丢失和重复。顺序控制包括p d u 顺序号的校对和管理以及重复p d u 的剔除等工作。c 2 超时重发控制对于丢失的p d u ，n 层协议要施行超时重发机制。c 3 端一端流控制在一段时间内，收方能够容纳和处理的p d u 个数总是有限的，为了限制过多的p d u 进入收方，n 层协议必须施行端一端流控制。最常用的端一端流控制机制是窗口机制。c 4 拥塞避免控制如果( n 1 ) 层通道为队列通道，该通道可能拥塞( 某个队列长度达到或接近最大允许长度) 。拥塞现象的发生将大大降低通道有效流通量，并使正常的端一端流控失灵。拥塞避免控制力图降价或消除拥塞现象，并获得最大有效流通量。c 5 发送速率控制当n 层用户递交大宗数据时，n 层协议( 发方) 将快速连续地向( n 1 )层通道发送一串p d u 。这可能产生一些不良后果，一方面，通道可能拥塞：另一方面，如果( n 一1 ) 层通道为物理信道，物理信道的收端硬件速度可能跟不上。为此，n 层协议要施行发送速率控制。控制p d u 之间的间隔时间。e 1 通道接口管理该功能负责通道的形成、通道状态监测等工作。北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究e 2 通道错误处理通道发生错误时( 联接断开、复位) ，该功能负责错误处理和恢复工作( 如重建联接等) 。e 3 通道共享控制、如果( n 一1 ) 层通道为共享的物理信道，那么n 层协议必须施行介质访问控制。如果多个n 层协议褓共享一条( n 一1 ) 层联接，不同p d u 的区分工作由n 层协议负责。f 1 其它协议功能n 层协议可能包括许多其它功能，如目标的名字地址管理、快速报文和中断报文的发送的接收、安全控制、测试统计等。2 3 协议元素协议由六种元素组成，它们是：服务原语和服务原语时序协议数据单元( p d u ) 和p d u 交换时序协议状态协议事件协议变量协议行动和谓词一般地说，每种协议功能都包括六种元素。有些协议功能由于不直接向用户提供服务( 如流控制) ，不包含服务原语。有些协议功能由于协议机制简单，可能不包括协议变量，没有专门的p d u 定义。但是多个协议功能组织成一个完整的协议之后，这六种元素缺少一个也不可以。2 31 服务原语和服务原语时序n 层协议的服务原语和原语参数详细准确地描述n 层协议和它的用户之间接口( 即s a p ) 。如上节所述，服务原语分完全认可式、部分认可式和无认可式三种，各种服务原语的各条服务原语的时序关系如图二所示。n 层协议和它的用户接口状态( 即s a p 状态) 和服务原语之间关系有确切定义，这个关系可以用服务状态转移表示。1 6北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究2 32p d u 和交换时序p d u 从语法和语义上详细准确地定义n 层协议实体之间的信息。除此之外，协议还必须描述p d u 交换的时序。例如：当一个协议实体收到c rp d u ( c o n n e c t i o nr e q u e s t ) 之后，它应该发出c ap d u ( c o n n e c t i o na c k n o w l e d g e m e n t ) 或d rp d u ( d i s c o n n e c tr e q u e s t ) 。这三个p d u 的交换时序是c r 一 c a 或c r 一 d r 。2 3 3 协议状态协议状态分局部状态和全局状态。局部状态为单个协议实体在某时刻的执行状态，全局状态为参与执行某种协议功能的所有协议实体( 包括( n 一1 ) 层通道) 状态之总和。( n 1 ) 层通道状态就是( n 1 ) 层协议的服务状态。2 3 4 协议事件协议事件分输入事件和输出事件两大类。n 层协议的输入事件由三部分组成：收到一个p d u ；收到n 层用户的一条服务原语；产生一个内部事件( 如时钟超时) 。n 层协议的输出事件由二部分组成：发出一个p d u ；向n 层用户发出一条服务原语。n 层协议必须罗列和定义每个协议事件。2 3 ，5 协议变量存贮协议运行的历史数据，运行参数的变量，以及协议机制本身所设置的变量，这些统称为协议变量。23 6 协议行动和谓词每种协议功能都由一组协议过程的执行来实现。协议过程是由协议事件驱动的，被驱动的过程执行一系列的操作，这些操作包括：产生输出事件；消除和设置定时时钟：-修改协议变量；-改变协议状态；协议行动由事件驱动，并受一定条件制约，描述协议行动条件的语句称之为谓词。这些约束条件包括参数，协议变量，协议运行环境等。事件驱动过程和事件驱动行动，其含义是等等效的。协议过程的描述必须说明过程的行动，并给出北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究行动谓词。2 4 协议组织、协议构造过程中，每种协议功能和协议机制可以单独设计，它的协议元素也可以单独构造。当各个协议功能的元素构造之后，下面的问题是怎样将它们组织成一个完整的协议。这个问题属于协议的组织问题。协议的组织对协议功能和机制有影响，因此将多个协议功能组合在一起时，可能要回过关来修改原有的协议元素。2 4 1 协议层次化就象o s i 模型将整个网络协议分成七层一样，n 层协议的众多功能可进一步分成多个子层。子层的划分可使复杂协议的结构变得清晰，有利于协议的设计、验证、实现和测试，但是，子层的划分可能降低协议性能。2 4 2 协议分类协议的复杂性是由于不同用户的不同要求和不同通道的不同要求造成的。如果将协议分成不同类别，每类协议只适用于一定的用户和一定通道，那么复杂协议就会变得简单。2 4 3 协议阶段化可将n 层协议分成多个运行阶段( p h a s e ) ，每个阶段只有一部分协议功能是有用的。协议的阶段化复杂协议变得简单。2 4 4 协议运行方式协议运行方式有三种：协议交替( p r o t o c o la l t e r n a t i v e )n 层内多个协议，或一个协议的多个类别，或一个协议的多个协议功能，交替活跃运行的方式。协议并发( p r o t o c o lc o n c u r r e n c y )n 层内多个协议，或一个协议的多个类别，或一个协议的多个协议功能，同时活跃，并发运行的方式。1 8北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究协议并行( p r o t o c o lp a r a l l i z m )n 层内多个协议，或一个协议的多个类别，或一个协议的多个协议功能，同时活跃，并行运行的方式。如果多个协议或一个协议的多个类别交替活跃，交替执行，那么n 层协议可在不同时间内适用不同用户和不同通道的协议环境。如果它们同时活跃，并发运行，那么n n 支协议可在同一霎时间内适用多种协议环境。如果它们还能并行运行，协议的性能就更好。2 5 协议文本协议构造的最后工作是用自然语言描述协议，以便于人们阅读理解。协议文本必须详细地表述用户要求( 或服务性质) 、通道性质( 或对协议服务要求) 、工作模式、协议功能、协议组织和协议的各种元素。协议文本最重要、最主要部分是协议元素描述。协议的各元素是有机联系的，它们之间的关系可表达为：在什么协议状态下，在什么输入事件驱动下调用什么协议过程，协议过程在什么条件下采取什么协议操作，输出什么事件或协议状态和变量。协议文本清晰表达这些关系。北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究第三章协议的形式描述语言形式描述具有严格的语法和语义定义，可以精确、完整地表述协议的功能、性能及行为等。本章对典型的协议形式描述语言e s t e l l e ，l o t o s t 和s d l 进行介绍。本章主要对s d l 形式描述语言进行详细的描述。3 1e s t e l l ee s t e l l e 是一种形式化、数学化，并且与具体实现相独立的描述技术。它具有良好的结构和定义，并且有很强的表达能力，可以完整、一致、简练，并且准确地描述分布、并行信息处理系统。在e s t e l l e 中，一个系统被理解成是由许多相互通信的模块( m o d u i e ) 分层嵌套而构成的，模块之间通过通道( c h a n n e i s ) 进行通信，即通道将一个模块的输出与另一个模块的队形连接起来。每个模块内部相当于一个有限状态机，有限状态机的每个迁移或转换都由某些输入所触发，状态迁移过程中可能会产生输出。这里的输入对应于模块所收到的消息，而输出则对应于模块向其它模块所发送的消息。用e s t e l l e 来描述协议规格，具有如下的基本特点：( 1 ) 基于扩展的有限状态机( e f s m ) ，专为描述协议而设计；( 2 )e s t e l l e 是p a s c a l 语言的扩充。用e s t e l l e 描述的协议容易转换成p a s c a l 或c 代码，因此它是一种面向协议实现的形式描述语言( f d l h( 3 ) 模块实例可通过初始化语句动态产生。如果协议实现后模块实例对应于一个进程或任务，那么网络进程或任务也是动态产生的；( 4 ) 模块之间的通信方式为异步通信：( 5 ) e s t e l l e 对并发、不确定性、超时、异步通信状态转换有较强的表达能力，但对递归、共享通道、同步通信、协议性质的表示还缺少有力的手段；( 6 ) 从e s t e l l e 描述中易于提取出协议的f s m 模型或p e t r i 网模型，但不容易提取出t l 或c c s 模型。用e s t e l l e 来描述一个协议，最重要的工作就是构造协议的模块结构和通信机制，主要包括：系统中模块的层次构成、模块的类别、通道和交互点的定义、交互点队列的属性，以及模块和通道之间的连接等。2 0北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究3 2l o t o $l o t o s ( l a n g u a g eo f t e m p o r a lo r d e r i n gs p e c i f i c a t i o n ) 的基本思想是：外部可观察到的系统行为由一系列的交互作用组成，通过对这些交互作用的时间关系进行定义，从而描述接个系统。在定义这些交互作用的时间关系时，不是采用时序逻辑的方式，而是基于过程代数( p r o c e s sa l g e b r a i c ) 的方法。l o t o s 具有如下基本特点：( 1 ) l o t o s 是基于进程代数c s s 和多类代数( m a n y s o r t e da l g e b r a ) 的f d l ，是一种为适应协议工程、分布处理和并行处理技术的要求而产生的语言：( 2 ) 进程通信为同步通信：( 3 ) l o t o s 不是面向协议实现的语言。例如：它只是在抽象数据类型定义中给出协议内部操作的性质说明，而没有给出操作怎样实施的说明。从而，在将l o t o s 描述的协议转变成程序设计语言代码时需要做许多工作：( 4 ) 用l o t o s 描述的协议很容易转换成c s s 或c s p 模型，也比较容易转换成t l ，f s m 或p e tr i 网模型；( 5 ) l o t o s 的不足之处体现在以下几个方面：无异步通信机制，无清晰的记录型数据结构的描述手段，无常量描述手段，可读性差等。3 3s d l331 概述规范说明和描述语言( s d l ：s p e c i f i c a t i o n aa n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种应用较广的形式化描述语言，由原来c c i t t ( 国际电报电话咨询委员会) 现i t u t ( 国际电信联盟电信标准局) 制定形成z 1 0 0 建议，第一版形成于1 9 7 6年，1 9 8 0 一1 9 9 2 年又推出了多个版本。1 9 9 9 年1 1 月i t u t 推出了s d l 一2 0 0 0版，该版本在面向对象的数据方面做了扩展；为了使s d l 语言更简炼，合并了部分特性。i t u tz 1 0 0 建议中给出的s d l 是一种形式化语言，该语言基于扩展的有限状态自动机( e f s m ) 模型，特别适合于描述软件系统的离散过程。s d l 即适用于通信软件概要设计阶段，也适用于详细设计阶段。由于已有工具支持s d l 到c 语言或c + + 语言的翻译，即代码自动生成，使得s d l 语言在通信软件设计中得到越来越多的应用。如果在设计阶段采用s d l 语言，则在概要设计阶段需要设计出s d l 系统图( 含功能块划分) ，给出必要的信号( 消息) 定义，设计必北京邮电大学硕士学位论文通信协议的实现与研究要的进程类和功能志类，明确各功能块的功能等。概要设计完成后，系统功能已划分清楚，系统结构也已确定。详细设计的任务就是细化各功能模块的功能，详细设计系统行为，并用形式化语言来描述设计结果。详细设计分功能模块进行，一般将功能模块分解成多个有限状态自动机( f s m ) ，先画出状态机的状态转移图，然后用s d l 语言来描述这状态机。一个状态机对应s d l 的一个进程，进程间的消息交互情况可用m s c 来描述。对于一些复杂的算法，可以定义过程来实现。33 2 结构的定义用s d l 来描述协议时，一个s d l 规格可以分成如下几个部分：结构( s t r u c t u r e ) 、行为( b e h a v i o r ) 和通信( c o m m u n i c a t i o n ) 。其中，结构是指由系统( s y s t e m ) 、块( b l o c k ) 、进程( p r o c e s s ) 和过程( p r o c e d u r e ) 所组成的层次结构：行为构造部分则是以s d l 流程图的形式来表示各进程的行为；通信部分是指各对象( 包括系统、块、进程等) 之间通过通道使用信号来进行交互。s d l 规格将一个系统划分成如下几个主要的层次结构：系统、块、进程和过程。对系统进行划分有如下的好处：隐藏信息，即将不重要的细节看成一个整体，等待下层