第1章 协议工程概论.ppt

网络协议工程 南京邮电大学计算机学院 2 44 概念回顾 实体 entity 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合 在协议的控制下 两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务 要实现本层协议 还需要使用下层所提供的服务 3 44 网络协议工程 协议开发方法学 协议的开发过程包括协议设计与描述 协议验证与分析 协议实现 协议测试等几个主要阶段 一体化 Integrated 形式化 Formal 的协议开发过程叫做协议工程 使协议开发一体化 形式化的理论和技术叫做协议工程技术或协议开发技术 协议工程的作用是减少协议开发中潜在的错误 提高协议开发效率 促进协议标准化的发展 4 44 推荐教材与参考书 教材 龚正虎 计算机网络协议工程 长沙 国防科技大学出版社 1993参考书 GerardJ Holzmann DesignandValidationofComputerProtocols PrenticeHall 1990古天龙 蔡国永 网络协议的形式化分析与设计 电子工业出版社 2003年网络协议工程吴礼发电子工业出版社2011 04出版 5 44 第1章协议工程概论 1 1协议及系统的相互作用1 2协议开发过程1 3协议工程的研究内容1 4协议开发工具 6 44 1 1协议及系统的相互作用 1 1 1分层嵌套系统模型1 1 2系统的相互作用1 1 3事件与活动1 1 4协议及协议的描述1 1 5OSI模型 7 44 1 1 1分层嵌套系统模型 计算机网络以及分布计算机系统可抽象成一个分层嵌套的系统模型 第n层的全局系统由多个分布的局部系统组成 而这些局部系统由一个或多个信道系统耦合起来 n层的各个局部系统以及信道系统本身又可看做 n 1 层的全局系统 8 44 1 1 1分层嵌套系统模型 模型图 9 44 1 1 1分层嵌套系统模型 局部系统主机 进程或任务 程序模块 外设 部件 OSI模型中的实体或协议机通道系统网络及其应用全局系统由通道系统耦合起来的各个局部系统在协议支持下协同工作而形成全局系统 全局系统的行为是局部系统和通道系统全体行为的总和 外部环境N层全局系统构成 n 1 层的外部环境 观察作用点是全局系统和外部环境的接口 10 44 1 1 2系统的相互作用 在n层全局系统内存在多种系统之间的相互作用 交互作用 即 局部系统与通道系统之间的相互作用局部系统之间的相互作用全局系统与外部环境之间的相互作用在n层内 系统相互作用按照确定规则进行 这些系统作用规则的总和构成n层协议 n层全局系统行为完全受n层协议制约 11 44 1 1 3事件与活动 局部系统是系统相互作用的主角 其活动由事件驱动 分为 内部事件 局部系统内部产生的事件 如时钟超时 外部事件 局部系统外部产生的事件 可能由外部环境引起 如收到一个服务请求 可能由通道系统产生 如收到一个报文 通道系统故障 可能由其它原因引起 如网络管理员的干预等 注 局部系统的活动按协议规定执行 局部系统也称为协议机 12 44 1 1 4协议与协议的描述 基于上述系统相互作用的概念 给协议下的定义如下 定义 对于n层全局系统 局部系统之间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 13 44 1 1 4协议与协议的描述 协议必须以某种方式 文字的 图形的 描述 协议的描述至少应包括以下内容 1局部系统之间交换的报文的确切定义2各局部系统在一个事件产生时进行什么样的活动 3各局部系统怎样通过观察作用点使用通道系统提供的服务 4各局部系统怎样通过观察作用点向外部环境提供服务 14 44 1 1 5OSI模型 国际标准化组织ISO定义的开放系统互连参考模型OSI RM 简称OSI模型 OSI模型在功能上将计算机网络分成七层 应用层 Applicationlayer A层表示层 Presentationlayer P层会话层 Sessionlayer S层传输层 Transportlayer T层网络层 Networklayer N层数据链路层 DataLinklayer DL层物理层 Physicallayer PL层 15 44 1 1 5OSI模型 OSI模型是一个分层嵌套的系统模型 T层与N层之间关系的结构图 16 44 1 1 5OSI模型 常用名词术语 协议实体 协议机服务 服务提供者 服务使用者 服务访问点 服务原语 服务规范地址协议 协议规范 协议数据单元 服务数据单元 协议控制信息 17 44 1 1 5OSI模型 常用名词术语的解释 协议实体 protocolentity 简称实体 一个实体就是一个局部系统 n层实体记作 n entity OSI模型各层实体分别记作A entity P entity等 协议机 protocolmachine 协议机即协议实体 缩写为PMOSI模型各层协议机记作APM PPM等 18 44 1 1 5OSI模型 服务 Service n层服务是n层全局系统行为的一种体现 n层服务向外部环境提供服务 外部环境使用n层服务 并可通过n层服务观察n层全局系统的行为 n层服务记作 n service 如A Service P Service S Service等 服务提供者 Serviceprovider n层服务的提供者就是n层的局部系统 协议机 19 44 1 1 5OSI模型 服务使用者 Serviceuser n层服务的使用者是 n 1 层的局部系统 但不一定是协议机 n层服务的使用者简称n层用户 服务访问点 SAP 是服务使用者和服务提供者的接口 观察作用点 n层服务访问点记作 n SAP 20 44 1 1 5OSI模型 服务原语 Serviceprimitive 服务原语是服务使用者和服务提供者相互作用的原子行动的描述 原子行动是不可部分执行的行动 要么完全执行 要么不执行 服务原语描述服务提供者和服务使用者一次原子交互作用的名称以及各参数的含义 服务规范 Servicespecification 确切定义了服务使用者和服务提供者之间相互作用的规则 例如 服务原语的执行序列等 21 44 1 1 5OSI模型 地址 address 地址就是服务访问点标识 n层地址标记为 n addressOSI模型各层的地址分别记作A Address P Address等 协议 protocol 协议是一组n层实体在执行n层功能中相互通讯行为的规则和格式 语法和语义 协议规范 protocolspecification 协议规范用某种语言确切定义了实体之间通讯规则和交换的报文的格式 以及实体利用低层服务的规则 22 44 1 1 5OSI模型 协议数据单元 PDU 协议数据单元是实体之间交换的报文 n层协议数据单元记作 n PDU服务数据单元 SDU 服务数据单元是服务提供者和服务使用者之间传递的数据单元 n层服务数据单元记作 n SDU协议控制信息 PCI 协议控制信息是实体本身产生的控制信息 是PDU中的一部分 n层协议控制信息记作 n PCI 23 44 1 1 5OSI模型 n 1 SDU n PDU n SDU n PCISDU PDU和PCI的关系 24 44 1 2协议开发过程 协议的开发包括六个过程 协议设计 对PDU格式 协议机制 服务原语等的设计协议描述 用某种语言确切地描述协议元素协议验证与性能分析 对所描述的协议验证其正确性 分析其性能协议实现 根据描述的协议产生网络硬 软件协议测试 对实现的协议进行测试协议维护 对网络硬 软件进行维护 25 44 1 2协议开发过程 协议的复杂性体现在 分布性多个局部系统分布在不同的机器上并发性各个局部系统并发工作异步性各个局部系统不能同时观察到时间的产生实时性局部系统的活动有严格的时序要求和时间要求通道系统的不稳定性通道系统本身可能不稳定 产生错误 26 44 1 2协议开发过程 协议开发的困难 网络软件规模大 开发周期长潜在错误多 排除困难协议标准化难以保证软件移植性差软件可维性低 27 44 1 2协议开发过程 因此 协议的开发过程急需工程化 以便提高网络软件的开发效率 促进标准化的实现 提高网络软件的可靠性和可维护性 28 44 1 3协议工程的研究内容 1协议工程的定义2协议设计技术3协议模型及形式描述技术4协议验证分析技术5协议实现技术6协议测试技术 29 44 1 3 1协议工程的定义 协议工程 一体化 形式化的协议开发过程 协议工程环境由协议开发中所需要的各种开发 管理 维护工具 以及协议的不同表示工具构成 协议工程技术或协议开发技术使协议开发一体化 形式化的理论和技术 以及协议工程系统构建技术 一体化 系统化形式化 用形式语言FDL连接协议开发的各个阶段 30 44 1 3 1协议工程的定义 协议的表示形式 非形式描述文本 InformalSpecification 用自然语言和图表表述的协议 易读易懂 但不严密 有多义性 形式描述文本 FormalSpecification 用FDL描述的协议 严密 无二义性 可符号执行 可转换成程序设计语言程序 与机器无关的源程序代码实现代码测试集 31 44 1 3 1协议工程的定义 协议工程系统包括多个子系统 每个子系统由多个软件工具构成 这些子系统包括 转换 Transformation 系统验证 Verification Validation 系统性能分析 PerformanceAnalysis 系统翻译 Translation 系统实现 Implementation 系统测试 Test 系统测试集生成 TestSuiteGeneration 系统协议工程的目的 提高协议开发的自动化程度 32 44 1 3 1协议工程的定义 一个完整的协议工程系统 33 44 1 3 1协议工程的定义 协议工程技术可归结为五个方面 1协议设计 构造 综合 开发 技术2协议模型及形式描述技术3协议验证分析技术4协议实现技术5协议测试技术本课程不讨论软件工具的具体细节 而是围绕上述五个方面的技术进行讨论 34 44 1 3 2协议设计技术 整个协议开发过程就是协议设计过程 一个协议只有经过实现 运行 测试 证明是可用的 正确的 才算完成了设计任务 协议设计涉及两个技术问题 环境分析方法协议设计方法 35 44 1 3 2协议设计技术 环境分析包含的内容从总体结构看 n层实体包含哪些功能 总体结构对其提出什么要求向 n 1 层实体提供什么服务 对n层来说 n 1 层的全局系统映射成通道系统 这个通道系统有什么特性n层包括多少实体 采取什么工作模式环境分析是设计的基础 好的设计方法是提高协议设计质量和效率的保证 除了借鉴程序设计方法的概念 如结构化 模块化 到协议设计中 协议设计还有许多独特方法 如生成规则等 36 44 1 3 3协议模型及形式描述技术 形式描述技术涉及两个研究课题 1使用什么数学模型或逻辑模型表示n层局部系统 通道系统 全局系统以及它们之间的相互作用 以获得抽象的协议模型 2设计基于一种或多种数学逻辑模型的形式描述语言 FDL 模型必须充分反映n层全局系统的特性 如分布性 并发性 异步性 实时性 通道的不稳定性 FDL是使协议工程各阶段在技术上衔接起来的纽带 对协议工程的发展起决定性作用 37 44 1 3 3协议模型及形式描述技术 模型 有限状态机 FSM FiniteStateMachine Petri网 PN PetriNet 时态逻辑 TL TemporalLogic 通信系统演算 CCS CalculasofCommunicationSystem 形式文法 FG FormalGrammar 过程语言 PL ProceduralLanguage 上述数学模型和逻辑模型已用来表示协议模型 但这些模型都有一定的局限性 必须改进才能在协议工程中得到较好的应用 38 44 1 3 3协议模型及形式描述技术 已提出多种基于不同数学模型的FDL 如 国际标准化组织ISO的ESTELLE LOTOSITU T CCITT 的SDL MSC等 39 44 1 3 4协议验证分析技术 协议验证的目的 协议的正确性验证试图在协议开发的前期最大限度地检测和纠正协议错误和缺陷 包括死锁 deadlock 活锁 livelock 不可执行的行动 协议外部性能不符合服务要求等 协议验证技术可以分为三类 可达性分析 最常用 包括状态穷举 状态随机枚举 状态概率枚举等 逻辑证明 用推理演算方法严密地证明协议各种性质 采用的推理演算技术主要来自时态逻辑 谓词逻辑 代数演算等数学领域 模拟 仿真 主要分析协议性能 如吞吐率 时延 40 44 1 3 4协议验证分析技术 协议性能分析旨在改善协议机制 提高执行效率 可用数学分析方法和模拟方法进行 两者都基于队列理论和概率论 41 44 1 3 5协议实现技术 协议实现的自动化是协议工程的主要目标之一 协议标准化程度越高 协议越抽象 协议实现者要处理的技术问题就越多 现实可用的技术 协议实现的半自动化技术 这种技术将协议的实现分为两步 第一步利用翻译程序将协议形式描述文本变成程序设计语言的与机器无关的源代码第二步处理协议未说明的技术问题 如缓冲区 内存 分配管理 用手工编写余下的代码 42 44 1 3 6协议测试技术 协议一致性测试旨在检验所实现的协