協(xié)議開發(fā)理論與方法.ppt

協(xié)議開發(fā)的理論與方法,羅軍舟 東南大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程系 ,2,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),計算機(jī)學(xué)科發(fā)展的一個特征： 應(yīng)用驅(qū)動 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)： 應(yīng)用和工程技術(shù)科學(xué) 理論和方法： 體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議，協(xié)議開發(fā),3,協(xié)議研究,Routing QoS Multicast Admission Control & Congestion Control Switching Middleware ,4,協(xié)議發(fā)展,IBM SNA、ISO OSI/RM和DoD TCP/IP等著名體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議已發(fā)揮了不可估量的作用； SNA是協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的開拓者； OSI/RM是協(xié)議的指路燈塔； TCP/IP是目前盛行的實事上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)； XTP、VMTP、Delta-t和NETBLT的出現(xiàn)，將使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入一個高性能的時代。,5,協(xié)議工程,隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求的提高，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性在協(xié)議方面體現(xiàn)出空間分布性、并發(fā)性、異步性、不穩(wěn)定性和多樣性，高質(zhì)量的通信協(xié)議再也不可能靠工程直覺方法來設(shè)計了； 協(xié)議工程（Protocol Engineering）用形式化的方法來描述在協(xié)議設(shè)計和維護(hù)中的各個活動，建立一套嚴(yán)格的協(xié)議設(shè)計方法，使協(xié)議開發(fā)的整個過程一體化、系統(tǒng)化和形式化，從而保證協(xié)議的完整性、正確性、安全性和可移植性。,6,協(xié)議開發(fā)主要活動間的關(guān)系,7,完整的語法和語義定義； 體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)和協(xié)議的可表達(dá)性； 協(xié)議重要特性的可分析性； 支持復(fù)雜協(xié)議的管理； 支持逐步求精的方法； 支持實現(xiàn)獨立性； 支持協(xié)議生命期的各環(huán)節(jié)（描述、驗證、實現(xiàn)、一致性測試、）； 支持自動設(shè)計、驗證、實現(xiàn)和維護(hù)方法。,形式描述技術(shù)FDT的特征,8,狀態(tài)變遷模型 有限狀態(tài)機(jī)FSM 通信有限狀態(tài)機(jī)CFSM Petri網(wǎng) 程序設(shè)計語言模型 抽象程序 CCS，CSP 時態(tài)邏輯,FDT種類,9,進(jìn)程代數(shù)（Process Algebra）：用代數(shù)的方法來研究協(xié)議，它有一套完善的等價理論，如果與網(wǎng)論相結(jié)合，可以用一套完善的分析技術(shù)，提供一個結(jié)構(gòu)清晰的模型。進(jìn)程代數(shù)與隨機(jī)模型相結(jié)合（如馬爾可夫模型），被應(yīng)用到協(xié)議的性能評價。 混合模型（如擴(kuò)展的FSM）：擴(kuò)展的FSM過于復(fù)雜并且缺乏形式語義，分析功能較弱。,FDT種類,10,國際標(biāo)準(zhǔn) FDTSDL,SDL (Specification and Description Language)：FSM + extensions 1976年由CCITT(ITU)頒布 ，一種基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)變遷和抽象數(shù)據(jù)類型的混合技術(shù)，被電信公司廣泛用于描述電子分組交換系統(tǒng)，最近已發(fā)布了SDL-2000的新版本 。,11,國際標(biāo)準(zhǔn) FDT LOTOS,LOTOS (Language Of Temporal Ordering Specification)：CCS+ADT 80年代ISO制訂OSI參考模型時發(fā)布，1988年確立了最后的國際標(biāo)準(zhǔn)文本。 LOTOS提供形式語義，保證描述不存在二義性，便于分析和一致性測試?yán)碚摰难芯?。LOTOS有二個組成部分，一部分基于過程代數(shù)，另一部分是基于ACT ONE的抽象數(shù)據(jù)類型。,12,FDT的國際標(biāo)準(zhǔn)Estelle,Estelle(Extended State Transition Model Language)：EFSM + extended Pascal Estelle也是基于擴(kuò)展的狀態(tài)變遷模型，但使用PASCAL語法和數(shù)據(jù)類型，它有一個形式化的獨立于實現(xiàn)的語義。 Estelle標(biāo)準(zhǔn)頒布以后， 一直到1994年，Estelle研究小組主要致力工具包的研制，1996年以后， Estelle標(biāo)準(zhǔn)又被改進(jìn)了50多處，不過直到現(xiàn)在也沒有見到Estelle 的升級版本。,13,FDT與UML的結(jié)合,近年來UML (Unified Modeling Language) 被應(yīng)用到協(xié)議開發(fā)中。 UML簡介 UML統(tǒng)一各種面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計方法的差異。1995年10月發(fā)布了第一個版本，現(xiàn)在UML2.0已經(jīng)推出。如今UML已成為一個流行的、標(biāo)準(zhǔn)化的、通用目的面向?qū)ο蟮目梢暬Ｐ驼Z言，許多大的軟件開發(fā)組織開始用它進(jìn)行系統(tǒng)建模。,14,FDT與UML的結(jié)合,UML用于協(xié)議開發(fā)的優(yōu)勢 當(dāng)今的形式化的協(xié)議開發(fā)技術(shù)缺少可視化； 不支持協(xié)議開發(fā)的整個生命周期； 而上述兩點正是UML的優(yōu)勢所在。 UML用于協(xié)議開發(fā)的不足 UML缺少定義復(fù)雜通信系統(tǒng)協(xié)議的形式化語義，不能直接用它來開發(fā)協(xié)議，必須給UML增加一些語義功能。,15,FDT與UML相結(jié)合 BDL,BDL (Behavioural Description Language) 一個能夠描述異步并發(fā)行為的語言BDL（把UML的面向?qū)ο蠹夹g(shù)引入到形式化的協(xié)議驗證中）； 利用BDL可以一致性的操縱包含序列或協(xié)同圖的UML行為視圖，并且不同UML行為視圖可以相互轉(zhuǎn)換； 在BDL中，用事件的偏序集合來表示對象間的相互交互，用對象間的一些基本的交互來描述整個系統(tǒng)的行為。,16,FDT與UML相結(jié)合GPDL,GPDL (Graphical Protocol Description Language ) 一個圖形化的協(xié)議設(shè)計語言，描述協(xié)議的結(jié)構(gòu)和行為； GPDL的重要性在于把UML的圖形引入到了協(xié)議設(shè)計中，使之可視化； GPDL包含兩部分：一是圖和文本，圖的結(jié)構(gòu)使協(xié)議設(shè)計形象化，當(dāng)圖形不能表示時，就用文字說明；另一部分是GAEL (Generic Action Extension Language)用來表達(dá)協(xié)議的語義信息，以彌補(bǔ)UML的不足。,17,FDT與UML相結(jié)合GPDL,GPDL主要用于協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)，用GPDL描述的協(xié)議可以比較容易地轉(zhuǎn)換成SDL標(biāo)準(zhǔn)。,18,在三種主要的國際標(biāo)準(zhǔn)FDT中，SDL與UML結(jié)合的是較容易的，因為 SDL是基于狀態(tài)變遷技術(shù)的，而狀態(tài) 圖（state diagram）正是UML建模的5種圖之一；一個狀態(tài)圖就是一個狀態(tài)機(jī) ； SDL具有抽象數(shù)據(jù)類型，與UML的面向?qū)ο蠹夹g(shù)吻合。,SDL-2000,19,SDL-2000,SDL-2000是SDL-96和UML技術(shù)有機(jī)結(jié)合的版本， SDL-2000 = SDL-96 + UML,20,基于Petri網(wǎng)的FDT,Petri網(wǎng)理論是在并發(fā)的概念上建立起來的，它直觀地表示了非確定性，可以用于表達(dá)不同抽象級上的系統(tǒng)概念。 Petri網(wǎng)有一套成熟的數(shù)學(xué)理論工具，建立了許多分析技術(shù)，包括可達(dá)性分析、不變量分析(使用線性代數(shù)方法)、保持特性的變換(包括化簡)、構(gòu)造理論、形式語言理論、同步距離和網(wǎng)的分解和等價等。,21,基于Petri網(wǎng)的FDT,近幾年人們的注意力集中在如何將代數(shù)的抽象數(shù)據(jù)類型，融合在高級網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，能夠大大地提高描述協(xié)議和服務(wù)所用的高級Petri網(wǎng)系統(tǒng)的表示能力。,22,基于Petri網(wǎng)的FDT,三種標(biāo)準(zhǔn)的FDT只支持協(xié)議工程的一至二個活動 Estelle是一種過程語言，可以描述協(xié)議細(xì)節(jié)，用它描述的協(xié)議僅便于實現(xiàn)； LOTOS描述協(xié)議實體的外部行為，不關(guān)心實體內(nèi)部變化，描述的協(xié)議僅便于驗證； SDL是一種混合式的FDT，缺乏形式語義，缺乏分析技術(shù)。SDL-2000也只是吸收了UML的一些概念、方法，增加了面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計功能，使之更好用，并沒有從本質(zhì)上提升SDL的分析能力 。,23,基于Petri網(wǎng)的FDT,Petri網(wǎng)具有異步特性并發(fā)，決定了它的主要應(yīng)用方向是分布式系統(tǒng) 根據(jù)外延公理，變遷的發(fā)生完全由它的外延決定，與系統(tǒng)全局狀態(tài)無關(guān)。因而網(wǎng)系統(tǒng)是異步并發(fā)的“自由王國”，沒有主宰全局的中央控制，這很適合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議和服務(wù)的特點 。,24,基于Petri網(wǎng)的FDT,Petri網(wǎng)的形式基礎(chǔ)使它與其它并發(fā)模型建立了連接，這有益于分布式系統(tǒng)的描述和分析。 Petri網(wǎng)用直觀的圖形表示形式，與物理系統(tǒng)相近，學(xué)習(xí)和理解這種語言相對容易。 Petri網(wǎng)最大的優(yōu)點是具備一套嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論，各種技術(shù)極有利于驗證和分析。,25,基于Petri網(wǎng)的FDT,Petri網(wǎng)表現(xiàn)出面向?qū)ο蠹夹g(shù)的各個特性，將是一種優(yōu)良的可用圖形表示的面向?qū)ο笳Z言。 為適應(yīng)不同規(guī)范及驗證的需求，從基本Petri網(wǎng)模型衍化出許多擴(kuò)展模型系統(tǒng)，目前主要有：謂詞/動作Petri網(wǎng)、時間Petri網(wǎng)(TPN)、帶時態(tài)邏輯的Petri網(wǎng)、顏色Petri網(wǎng)(CPN)、面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(OOPN)、隨機(jī)Petri網(wǎng)(SPN)、數(shù)字Petri網(wǎng)(NPN)等。,26,協(xié)議開發(fā)面臨的挑戰(zhàn),支持協(xié)議工程整個生命期的FDT？ 協(xié)議的描述？ 支持協(xié)議開發(fā)的工具？,27,基于Petri網(wǎng)的協(xié)議開發(fā)的問題,自然語言描述的協(xié)議系統(tǒng)到Petri網(wǎng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的計算機(jī)輔助工具的開發(fā)，中間語言、一般模型、轉(zhuǎn)換算法和規(guī)則的建立。 協(xié)議Petri網(wǎng)描述