協(xié)議開(kāi)發(fā)的理論與方法

1、1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)n計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展的一個(gè)特征：應(yīng)用驅(qū)動(dòng)n計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)用和工程技術(shù)科學(xué)n理論和方法：體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議，2協(xié)議研究協(xié)議研究nRoutingnQoSnMulticastnAdmission Control & Congestion ControlnSwitchingnMiddlewaren3協(xié)議發(fā)展協(xié)議發(fā)展nIBM 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；nSNA是協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)拓者；nOSI/RM是協(xié)議的指路燈塔；nTCP/IP是目前盛行的實(shí)事上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；nXTP、VMTP、Delta-t和NETBLT的出現(xiàn)，將

2、使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入一個(gè)高性能的時(shí)代。 4協(xié)議工程協(xié)議工程n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(jué)方法來(lái)設(shè)計(jì)了；n協(xié)議工程（Protocol Engineering）用形式化的方法來(lái)描述在協(xié)議設(shè)計(jì)和維護(hù)中的各個(gè)活動(dòng)，建立一套嚴(yán)格的協(xié)議設(shè)計(jì)方法，使協(xié)議開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)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。 5協(xié)議開(kāi)發(fā)主要活動(dòng)間的關(guān)系協(xié)議開(kāi)發(fā)主要活動(dòng)間的關(guān)系6n完整的語(yǔ)法和語(yǔ)義定義； n體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)和協(xié)議的可表達(dá)性； n協(xié)議重要特性的可分析性；n支持復(fù)雜協(xié)議的管理；n支

3、持逐步求精的方法；n支持實(shí)現(xiàn)獨(dú)立性；n支持協(xié)議生命期的各環(huán)節(jié)（描述、驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)、一致性測(cè)試、）；n支持自動(dòng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)方法。形式描述技術(shù)形式描述技術(shù)FDT的特征的特征7n狀態(tài)變遷模型n有限狀態(tài)機(jī)FSMn通信有限狀態(tài)機(jī)CFSMnPetri網(wǎng) n程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言模型n抽象程序nCCS，CSPn時(shí)態(tài)邏輯FDT種類種類8n進(jìn)程代數(shù)（Process Algebra）：用代數(shù)的方法來(lái)研究協(xié)議，它有一套完善的等價(jià)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(gè)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(píng)價(jià)。n混合模型（如擴(kuò)展的FSM）：擴(kuò)展的FSM過(guò)于復(fù)雜

4、并且缺乏形式語(yǔ)義，分析功能較弱。FDT種類種類9國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) FDTSDLnSDL (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 。10國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) FDT LOTOSnLOTOS (Language Of Temporal Ordering Specification)：CCS+ADT n80年代ISO制訂OSI參考模型時(shí)發(fā)布，1988年確立了最后的國(guó)際

5、標(biāo)準(zhǔn)文本。n LOTOS提供形式語(yǔ)義，保證描述不存在二義性，便于分析和一致性測(cè)試?yán)碚摰难芯?。LOTOS有二個(gè)組成部分，一部分基于過(guò)程代數(shù)，另一部分是基于ACT ONE的抽象數(shù)據(jù)類型。 11FDT的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EstellenEstelle(Extended State Transition Model Language)：EFSM + extended Pascal nEstelle也是基于擴(kuò)展的狀態(tài)變遷模型，但使用PASCAL語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類型，它有一個(gè)形式化的獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)義。 nEstelle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，

6、 Estelle標(biāo)準(zhǔn)又被改進(jìn)了50多處，不過(guò)直到現(xiàn)在也沒(méi)有見(jiàn)到Estelle 的升級(jí)版本。 12FDT與與UML的結(jié)合的結(jié)合 近年來(lái)UML (Unified Modeling Language) 被應(yīng)用到協(xié)議開(kāi)發(fā)中。nUML簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 UML統(tǒng)一各種面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)方法的差異。1995年10月發(fā)布了第一個(gè)版本，現(xiàn)在UML2.0已經(jīng)推出。如今UML已成為一個(gè)流行的、標(biāo)準(zhǔn)化的、通用目的面向?qū)ο蟮目梢暬Ｐ驼Z(yǔ)言，許多大的軟件開(kāi)發(fā)組織開(kāi)始用它進(jìn)行系統(tǒng)建模。 13FDT與與UML的結(jié)合的結(jié)合nUML用于協(xié)議開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì) n當(dāng)今的形式化的協(xié)議開(kāi)發(fā)技術(shù)缺少可視化； n不支持協(xié)議開(kāi)發(fā)的整個(gè)生命周期； 而上述兩點(diǎn)

7、正是UML的優(yōu)勢(shì)所在。nUML用于協(xié)議開(kāi)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(yǔ)義，不能直接用它來(lái)開(kāi)發(fā)協(xié)議，必須給UML增加一些語(yǔ)義功能。14FDT與與UML相結(jié)合相結(jié)合 BDLnBDL (Behavioural Description Language)n一個(gè)能夠描述異步并發(fā)行為的語(yǔ)言BDL（把UML的面向?qū)ο蠹夹g(shù)引入到形式化的協(xié)議驗(yàn)證中）；n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；n在BDL中，用事件的偏序集合來(lái)表示對(duì)象間的相互交互，用對(duì)象間的一些基本的交互來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的行為。 15FDT與與UML相結(jié)合相結(jié)合GPDLnG

8、PDL (Graphical Protocol Description Language )n一個(gè)圖形化的協(xié)議設(shè)計(jì)語(yǔ)言，描述協(xié)議的結(jié)構(gòu)和行為； nGPDL的重要性在于把UML的圖形引入到了協(xié)議設(shè)計(jì)中，使之可視化；nGPDL包含兩部分：一是圖和文本，圖的結(jié)構(gòu)使協(xié)議設(shè)計(jì)形象化，當(dāng)圖形不能表示時(shí)，就用文字說(shuō)明；另一部分是GAEL (Generic Action Extension Language)用來(lái)表達(dá)協(xié)議的語(yǔ)義信息，以彌補(bǔ)UML的不足。 16FDT與與UML相結(jié)合相結(jié)合GPDL GPDL主要用于協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)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)。 17 在三種主要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)F

9、DT中，SDL與UML結(jié)合的是較容易的，因?yàn)閚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(gè)狀態(tài)圖就是一個(gè)狀態(tài)機(jī) ；nSDL具有抽象數(shù)據(jù)類型，與UML的面向?qū)ο蠹夹g(shù)吻合。 SDL-200018SDL-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 19基于基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)的FDT Petri網(wǎng)理論是在并發(fā)的概念上建立起來(lái)的，它直觀地表示了非確定性，可以用于表達(dá)不同抽象級(jí)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

10、(使用線性代數(shù)方法)、保持特性的變換(包括化簡(jiǎn))、構(gòu)造理論、形式語(yǔ)言理論、同步距離和網(wǎng)的分解和等價(jià)等。20基于基于Petri網(wǎng)的網(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(jí)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(jí)Petri網(wǎng)系統(tǒng)的表示能力。 21基于基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)的FDT n三種標(biāo)準(zhǔn)的FDT只支持協(xié)議工程的一至二個(gè)活動(dòng) nEstelle是一種過(guò)程語(yǔ)言，可以描述協(xié)議細(xì)節(jié)，用它描述的協(xié)議僅便于實(shí)現(xiàn)；nLOTOS描述協(xié)議實(shí)體的外部行為，不關(guān)心實(shí)體內(nèi)部變化，描述的協(xié)議僅便于驗(yàn)證；nSDL是一種混合式的FDT，缺乏形式語(yǔ)義，缺乏分析技術(shù)。SDL-2000也只是吸

11、收了UML的一些概念、方法，增加了面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)功能，使之更好用，并沒(méi)有從本質(zhì)上提升SDL的分析能力 。22基于基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)的FDTnPetri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(wú)關(guān)。因而網(wǎng)系統(tǒng)是異步并發(fā)的“自由王國(guó)”，沒(méi)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(diǎn) 。 23基于基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)的FDTnPetri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。nPetri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(yǔ)言相對(duì)容易。nPetri網(wǎng)最

12、大的優(yōu)點(diǎn)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(yàn)證和分析。24基于基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)的FDTnPetri網(wǎng)表現(xiàn)出面向?qū)ο蠹夹g(shù)的各個(gè)網(wǎng)表現(xiàn)出面向?qū)ο蠹夹g(shù)的各個(gè)特性，將是一種優(yōu)良的可用圖形表示特性，將是一種優(yōu)良的可用圖形表示的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。 為適應(yīng)不同規(guī)范及驗(yàn)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(dòng)作Petri網(wǎng)、時(shí)間Petri網(wǎng)(TPN)、帶時(shí)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。 25協(xié)議開(kāi)發(fā)面臨的挑戰(zhàn)協(xié)議開(kāi)發(fā)面臨的挑戰(zhàn)n支持協(xié)議工程整個(gè)生命期的FDT？n協(xié)議的描述？n支持協(xié)議開(kāi)發(fā)的工具？26基于基于Petri網(wǎng)的協(xié)議開(kāi)發(fā)的問(wèn)題網(wǎng)的協(xié)議開(kāi)發(fā)的問(wèn)題n自然語(yǔ)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(jì)算機(jī)輔助工具的開(kāi)發(fā)，中間語(yǔ)言、一般模型、轉(zhuǎn)換算法和規(guī)則的建立。n協(xié)議Petri網(wǎng)描述到協(xié)議實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化，建立Petr