網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程尹洪勝2021年4月2第一章協(xié)議工程概論1.1概論協(xié)議：是某種活動或者行為所遵守的準(zhǔn)那么或規(guī)那么。在計算機世界中，協(xié)議是計算機之間或者計算機與其它設(shè)備之間用來通訊的規(guī)那么或言語。協(xié)議工程學(xué)：是研討協(xié)議設(shè)計，協(xié)議驗證、協(xié)議實現(xiàn)、協(xié)議測試等技術(shù)的一門新的計算機學(xué)科。協(xié)議工程研討目的：旨在減少協(xié)議開發(fā)中潛在地錯誤，提高協(xié)議開發(fā)效率，促進協(xié)議規(guī)范化地開展3第一章協(xié)議工程概論1.1.1早期的通訊及協(xié)議協(xié)議最早誕生在通訊系統(tǒng)中，協(xié)議設(shè)計的歷史與通訊本身一樣古老。為實現(xiàn)遠間隔信息傳送需求兩個條件：〔1〕要有發(fā)送/接納信號的安裝——硬件〔2〕一套通訊規(guī)那么〔協(xié)議〕——軟件4第一章協(xié)議工程概論早期的通訊系統(tǒng)〔1〕擊鼓傳令〔2〕烽火通訊〔3〕光通訊〔4〕電磁通訊1.1.2協(xié)議缺陷的教訓(xùn)1861年8月發(fā)生在克萊頓隧道中的事故，在1.5英里長的隧道兩端，一天24小時有人值班。事故呵斥21人死亡，176人受傷5第一章協(xié)議工程概論通訊協(xié)議〔1〕列車允許從A——B運轉(zhuǎn)。〔2〕當(dāng)列車A進入后，A端向B端發(fā)“火車在隧道中〞音訊。〔3〕當(dāng)火車在B端出現(xiàn)時，B端信號員向A端信號員發(fā)“隧道空〞音訊。〔4〕為平安起見，可以讓A端信號員向B端信號員發(fā)“火車分開隧道？〞訊問音訊AB6第一章協(xié)議工程概論1.2協(xié)議及系統(tǒng)的相互作用1.2.1分層系統(tǒng)模型7第一章協(xié)議工程概論1.2.2系統(tǒng)的相互作用在n層協(xié)議中存在著多種相互作用〔1〕部分系統(tǒng)與通道系統(tǒng)之間相互作用〔2〕部分系統(tǒng)之間的相互作用〔3〕全局系統(tǒng)與外部環(huán)境之間相互作用在n層內(nèi)，系統(tǒng)相互作用按照確定的規(guī)那么進展，這些系統(tǒng)作用規(guī)那么的總和就構(gòu)成n層協(xié)議。8第一章協(xié)議工程概論1.2.3事件與活動部分系統(tǒng)(協(xié)議實體),是系統(tǒng)相互作用的主角,它的活動是由事件驅(qū)動的.對部分系統(tǒng)而言,存在兩類事件:〔1〕內(nèi)部事件部分系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的事件，如時鐘超時〔2〕外部事件部分系統(tǒng)外部產(chǎn)生的事件。如收到一個效力懇求，通道收到一個報文。9第一章協(xié)議工程概論1.2.4協(xié)議及協(xié)議的描畫基于上述系統(tǒng)相互作用的概念，給協(xié)議如下定義：對于n層全局系統(tǒng)，部分系統(tǒng)之間相互作用的規(guī)那么以及它們與外部環(huán)境和通道系統(tǒng)相互作用的規(guī)那么的總和就是n層協(xié)議。協(xié)議必需以某種方式描畫〔文字、圖形等〕，協(xié)議描畫至少包括以下內(nèi)容：〔1〕部分系統(tǒng)之間交換的報文確實切定義〔2〕各個部分系統(tǒng)在一個事件產(chǎn)生時進展什么樣的活動。〔3〕各個部分系統(tǒng)怎樣經(jīng)過察看作用點運用通道系統(tǒng)提供的效力。〔4〕各個部分系統(tǒng)怎樣經(jīng)過察看作用點向外部提供效力。10第一章協(xié)議工程概論1.2.5OSI模型應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層接納信息的進程發(fā)送信息的進程七層參考模型數(shù)據(jù)流的物理傳輸層間的邏輯通訊每一層執(zhí)行功能并將信息送往下一層每一層執(zhí)行功能并將信息送往上一層11第一章協(xié)議工程概論1應(yīng)用層ApplicationLayer簡稱A層7表示層PresentationLayer簡稱P層5會話層SessionLayer簡稱S層4傳輸層TransportLayer簡稱T層3網(wǎng)絡(luò)層NetworkLayer簡稱N層2鏈路層DatalinkLayer簡稱DL層1物理層PhysicalLayer簡稱PL層12第一章協(xié)議工程概論(1)協(xié)議實體(Protocolentity)協(xié)議實體簡稱實體，一個實體就是一個部分系統(tǒng)，n層實體記作(n)-entity.OSI模型各層實體分別記為:A-entity;P-entity;S-entity;T-entityN-entity;DL-entity;PL-entity13第一章協(xié)議工程概論(2)協(xié)議機〔protocolmachine)協(xié)議機是協(xié)議實體的代名詞，縮寫：PM；n層協(xié)議機記為〔n〕PM；OSI模型各層協(xié)議機記為APM，PPM，SPM，TPM，NPM，DLPM，PLPM14第一章協(xié)議工程概論(3)效力n層效力是n層全局系統(tǒng)一致行為的一種表達。n層效力向〔n+1〕層外部環(huán)境提供效力，外部環(huán)境運用n層效力，完成通訊義務(wù)。n層的效力記為〔n〕-service,OSI模型各層效力分別記為：A-Service，P-Service，S-Service，T-Service，N-service，DL-Service，PL-service15第一章協(xié)議工程概論(4)效力提供者〔serviceprovider〕n層效力的提供者就是n層的部分系統(tǒng)〔協(xié)議機〕(5)效力的運用者〔serviceuser〕n層效力的運用者就是(n+1)層的部分系統(tǒng)，但不一定是協(xié)議機，例如運用層效力的運用者不一定是協(xié)議機，n層效力的運用者稱為n層用戶。16第一章協(xié)議工程概論(6)效力訪問〔SAP〕效力訪問點〔ServiceAccessPoint〕是效力運用者和效力提供者的界面〔察看作用點〕，n層效力訪問點〔n〕SAP，OSI模型各層的效力訪問點分別記為：ASAP，PSAP，SSAP，TSAP，NSAP，DLSAP，PLSAP。(7)效力原語〔serviceprimitive〕效力原語是效力運用者和提供者相互作用的原子行動描畫。所謂原子行動是不能部分執(zhí)行的行動，要么完全執(zhí)行，要么不執(zhí)行。效力原語描畫效力提供者和效力運用者一次原子交互作用的稱號以及各參數(shù)的含義。一條效力原語的執(zhí)行在訪問點引起一個事件，這個事件是一種原子事件〔Atomicevent〕。17第一章協(xié)議工程概論(8)效力規(guī)范〔ServiceSpacification〕確切定義了效力運用者和效力提供者之間相互運用的規(guī)那么。〔例如：效力的執(zhí)行序列等〕(9)地址〔Address〕地址就是效力訪問點標(biāo)識〔SAPidentifier〕，n層地址記為〔n〕－address，OSI模型層的地址分別記為：A－address;P－address;S－address;T－addressN－address;DL－address;PL－address18第一章協(xié)議工程概論(10)協(xié)議〔Protocol〕協(xié)議是一組n層實體層執(zhí)行n層功能中相互通訊行為的規(guī)那么和格式。n層協(xié)議記為〔n〕－protocol，OSI各層協(xié)議分別記為：A－protocol;P－protocol;S－protocol;T－protocol;N－protocolDL－protocolPL－protocol19第一章協(xié)議工程概論(11)協(xié)議規(guī)范〔ProtocolSpecification〕協(xié)議規(guī)范用某種言語確切定義了實體之間通訊規(guī)那么和交換的報文的格式，以及實體利用低層效力的規(guī)那么(12)協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔PDU〕協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔ProtocolDataUnit〕是實體之間交換的報文。n層協(xié)議數(shù)據(jù)單元記作：〔n〕PDU，OSI模型各層的PDU分別記為：APDU，PPDU，SPDU，TPDU，NPDU，DLPDU，PLPDU20第一章協(xié)議工程概論(13)效力數(shù)據(jù)單元(SDU)效力數(shù)據(jù)單元〔ServiceDataUnit〕是效力提供者和效力運用者之間傳送的數(shù)據(jù)單元，n層效力數(shù)據(jù)單元記作〔n〕SDU，OSI各層的SDU分別記作ASDU，PSDU，SSDU，TSDU，NSDU，DLSDU，PLSDU。(14)協(xié)議控制信息〔PCI)協(xié)議控制信息〔ProtocolControlInformation〕是實體本身產(chǎn)生的控制信息，它是PDU中一部分，n層協(xié)議控制信息記作〔n〕PCI21第一章協(xié)議工程概論APCI，PPCI，TPCI，SPCI，NPCI，DLPCI，PLPCI，(n-1〕SDU=(n)PDU=(n)SDU+(n)PCI22第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議的開發(fā)過程協(xié)議的開發(fā)包括六個過程協(xié)議設(shè)計(PDU格式,協(xié)議機制,效力原語等設(shè)計)協(xié)議描畫,用某種言語確切地描畫協(xié)議元素協(xié)議的驗證與性能分析,對所描畫的協(xié)議驗證其正確性,分析其性能;協(xié)議實現(xiàn),根據(jù)描畫的協(xié)議產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)硬軟件協(xié)議測試,對實現(xiàn)的協(xié)議進展測試協(xié)議維護,對網(wǎng)絡(luò)軟硬件進展維護23第一章協(xié)議工程概論N層全局系統(tǒng)是一個分布系統(tǒng),它的行為完全由n層協(xié)議所支配,分布系統(tǒng)的復(fù)雜性就是協(xié)議的復(fù)雜性.復(fù)雜性表達在:(1)分布性:多個部分系統(tǒng)分布在不同的機器上.(2)并發(fā)性:各個部分系統(tǒng)并發(fā)任務(wù)(3)異步性:各個部分系統(tǒng)不能同時察看到事件產(chǎn)生(4)實時性:部分系統(tǒng)的活動有嚴(yán)厲的時序要求和時間要求。(5)通道系統(tǒng)的不穩(wěn)定性24第一章協(xié)議工程概論協(xié)議開發(fā)困難:(1)網(wǎng)絡(luò)軟件規(guī)模大,開發(fā)周期長(2)潛在錯誤多,排除困難(3)協(xié)議規(guī)范化保證困難(4)軟件一致性差(5)軟件可維護性低由于上述緣由,協(xié)議開發(fā)過程急需求工程化,提高網(wǎng)絡(luò)軟件消費率，促進規(guī)范化的實現(xiàn)，提高網(wǎng)絡(luò)軟件的可靠性和可維護性。25第一章協(xié)議工程概論26第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議工程的研討內(nèi)容1.3.1協(xié)議工程的定義分析一體化的、方式化的協(xié)議開發(fā)過程叫——協(xié)議工程。使協(xié)議開發(fā)一體化的、方式化的的實際和技術(shù)以及協(xié)議工程系統(tǒng)建造技術(shù)——協(xié)議開發(fā)技術(shù)〔協(xié)議技術(shù)或協(xié)議工程學(xué)〕27第一章協(xié)議工程概論一體化：協(xié)議的設(shè)計、驗證、實現(xiàn)和測試，在技術(shù)上前后銜接，并在同一個開發(fā)系統(tǒng)中完成。方式化：用方式描畫言語FDL〔FormalDescriptionLanguage〕銜接協(xié)議開發(fā)的各個階段。協(xié)議的表示方式有：非方式描畫文本；方式描畫文本28第一章協(xié)議工程概論協(xié)議工程系統(tǒng)包括許多軟件工具，包括許多協(xié)議表示。在協(xié)議工程中，協(xié)議的表示方式有：非方式描畫文本：用自然言語和圖表。方式描畫文本：用FDL描畫的協(xié)議，嚴(yán)密，無二意，可符號執(zhí)行，可轉(zhuǎn)換成程序設(shè)計言語。29第一章協(xié)議工程概論與機器無關(guān)的代碼：是由方式描畫文本翻譯過來的程序。〔pascal,c等〕，是由于協(xié)議的籠統(tǒng)性。實現(xiàn)代碼(ImplementationCode)：指協(xié)議實現(xiàn)后的最終代碼。〔50%〕測試套具(TestSuit)：一組關(guān)于協(xié)議測試和測試數(shù)據(jù)的文件，它由協(xié)議的方式文本產(chǎn)生。測試套具是用另外一種言語描畫的〔測試描畫言語TTCN〕。轉(zhuǎn)換(Transformation)系統(tǒng):將協(xié)議的非方式化描畫文本轉(zhuǎn)換成方式描畫文本。驗證(Verification)系統(tǒng)：對協(xié)議進展驗證檢查，發(fā)現(xiàn)并修正潛在錯誤。30第一章協(xié)議工程概論性能分析〔PerformanceAnalysis〕:對協(xié)議性能進展分析評價，修正協(xié)議，提高性能。翻譯〔Translation)系統(tǒng)：將方式描畫文本翻譯成源程序代碼。實現(xiàn)〔Implementation〕系統(tǒng)：實現(xiàn)是詳細操作系統(tǒng)所提供的程序開發(fā)環(huán)境。測試〔Test〕系統(tǒng)：測試套具在該系統(tǒng)中執(zhí)行，對實現(xiàn)代碼進展測試，分析結(jié)果，檢測錯誤，將錯誤反響給實現(xiàn)系統(tǒng)，修正實現(xiàn)代碼。測試套具生成〔TestSuitGeneration〕系統(tǒng):根據(jù)協(xié)議的方式描畫文件產(chǎn)生測試程序〔描畫怎樣測試〕和測試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)部分功能可由人工完成。31第一章協(xié)議工程概論一個完好的協(xié)議工程系統(tǒng)32第一章協(xié)議工程概論協(xié)議工程技術(shù)可歸結(jié)為5個方面〔1〕協(xié)議設(shè)計技術(shù)(構(gòu)造、綜合、開發(fā))〔2〕協(xié)議模型及方式描畫技術(shù)〔3〕協(xié)議驗證分析技術(shù)〔4〕協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)〔5〕協(xié)議測試技術(shù)33第一章協(xié)議工程概論1.3.2協(xié)議設(shè)計技術(shù)協(xié)議設(shè)計不同于協(xié)議規(guī)范的制定，協(xié)議規(guī)范制定是設(shè)計出協(xié)議所必需完成的功能和應(yīng)該提供的效力，然后求得在某個范圍內(nèi)的認(rèn)可和一致協(xié)議規(guī)范是用自然言語描畫的。協(xié)議設(shè)計要求有不同含義：〔1〕是指協(xié)議設(shè)計過程〔2〕亦指協(xié)議經(jīng)過嚴(yán)厲驗證和性能分析之后就完成了設(shè)計義務(wù)。34第一章協(xié)議工程概論無論哪種含義的協(xié)議設(shè)計，都涉及兩個共同技術(shù)問題：〔1〕環(huán)境分析方法〔2〕協(xié)議設(shè)計方法n層全局系統(tǒng)就是N層協(xié)議設(shè)計環(huán)境，N層環(huán)境的分析包括四個內(nèi)容：〔1〕n層實體實現(xiàn)哪些功能？〔2〕向〔n+1)層提供什么樣效力〔3〕對n層言，〔n-1)層的全局系統(tǒng)被映射成通道，這個通道的特性是什么。〔4〕n層包括多少實體，它們采取什么方式35第一章協(xié)議工程概論1.3.3協(xié)議模型及方式描畫技術(shù)協(xié)議的方式描畫是指采用某種方式描畫言語模型無二義地描畫協(xié)議的各元素。包括語法，語義和時序。以便驗證所設(shè)計協(xié)議的邏輯正確性和能否具有良好的性質(zhì)。協(xié)議模型及方式描畫技術(shù)涉及兩個研討課題〔1〕用什么數(shù)學(xué)模型和邏輯模型表示n層部分系統(tǒng)，通道系統(tǒng)，全局系統(tǒng)以及他們之間的相互作用。〔2〕設(shè)計基于一種或多種數(shù)學(xué)邏輯的方式描畫言語〔FDL〕36第一章協(xié)議工程概論1.3.4協(xié)議驗證和分析技術(shù)協(xié)議的正確性驗證，試圖在協(xié)議開發(fā)的前期最大限制地檢測和糾正協(xié)議錯誤和缺陷。這些錯誤包括：死鎖、活鎖、不可執(zhí)行。協(xié)議驗證技術(shù)可分三類：〔1〕可達性分析〔2〕