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1、协议开发的理论与方法协议开发的理论与方法罗军舟东南大学计算机科学与工程系1计算机网络n计算机学科发展的一个特征： 应用驱动n计算机网络： 应用和工程技术科学n理论和方法：体系结构与协议，协议开发协议开发2协议研究nRoutingnQoSnMulticastnAdmission Control & Congestion ControlnSwitchingnMiddlewaren3协议发展nIBM SNA、ISO OSI/RM和DoD TCP/IP等 著名体系结构和协议已发挥了不可估量的 作用；nSNA是协议体系结构的开拓者；nOSI/RM是协议的指路灯塔；nTCP/IP是目前盛行的实事上的工业标
2、准；nXTP、VMTP、Delta-t和NETBLT的出现， 将使计算机网络进入一个高性能的时代。 4协议工程n随着网络服务要求的提高，网络系统的复 杂性在协议方面体现出空间分布性、并发 性、异步性、不稳定性和多样性，高质量 的通信协议再也不可能靠工程直觉方法来 设计了；n协议工程（Protocol Engineering）用形式 化的方法来描述在协议设计和维护中的各 个活动，建立一套严格的协议设计方法， 使协议开发的整个过程一体化、系统化和 形式化，从而保证协议的完整性、正确性 、安全性和可移植性。 5协议开发主要活动间的关系6n完整的语法和语义定义； n体系结构、服务和协议的可表达性； n
3、协议重要特性的可分析性；n支持复杂协议的管理；n支持逐步求精的方法；n支持实现独立性；n支持协议生命期的各环节（描述、验证、 实现、一致性测试、）；n支持自动设计、验证、实现和维护方法。形式描述技术FDT的特征7n状态变迁模型n有限状态机FSMn通信有限状态机CFSMnPetri网 n程序设计语言模型n抽象程序nCCS，CSPn时态逻辑FDT种类8n进程代数（Process Algebra）：用代数 的方法来研究协议，它有一套完善的等价 理论，如果与网论相结合，可以用一套完 善的分析技术，提供一个结构清晰的模型 。进程代数与随机模型相结合（如马尔可 夫模型），被应用到协议的性能评价。n混合模型
4、（如扩展的FSM）：扩展的FSM过 于复杂并且缺乏形式语义，分析功能较弱 。FDT种类9国际标准 FDTSDLnSDL (Specification and DescriptionLanguage)：FSM + extensions 1976年由CCITT(ITU)颁布 ，一种基 于扩展状态变迁和抽象数据类型的混 合技术，被电信公司广泛用于描述电 子分组交换系统，最近已发布了SDL- 2000的新版本 。10国际标准 FDT LOTOSnLOTOS (Language Of Temporal Ordering Specification)： CCS+ADT n80年代ISO制订OSI参考模型时
5、发布， 1988年确立了最后的国际标准文本。n LOTOS提供形式语义，保证描述不存在 二义性，便于分析和一致性测试理论的研 究。LOTOS有二个组成部分，一部分基于 过程代数，另一部分是基于ACT ONE的抽 象数据类型。 11FDT的国际标准EstellenEstelle(Extended State TransitionModel Language)：EFSM + extended Pascal nEstelle也是基于扩展的状态变迁模型，但使用 PASCAL语法和数据类型，它有一个形式化的 独立于实现的语义。 nEstelle标准颁布以后， 一直到1994年， Estelle研究小组主
6、要致力工具包的研制，1996 年以后， Estelle标准又被改进了50多处，不 过直到现在也没有见到Estelle 的升级版本。 12FDT与UML的结合 近年来UML (Unified Modeling Language) 被应用到协议开发中。nUML简介UML统一各种面向对象分析和设计方法 的差异。1995年10月发布了第一个版本，现 在UML2.0已经推出。如今UML已成为一个 流行的、标准化的、通用目的面向对象的可 视化模型语言，许多大的软件开发组织开始 用它进行系统建模。 13FDT与UML的结合nUML用于协议开发的优势 n当今的形式化的协议开发技术缺少可 视化； n不支持协议开
7、发的整个生命周期；而上述两点正是UML的优势所在。nUML用于协议开发的不足 UML缺少定义复杂通信系统协议的形 式化语义，不能直接用它来开发协议， 必须给UML增加一些语义功能。14FDT与UML相结合 BDLnBDL (Behavioural Description Language)n一个能够描述异步并发行为的语言BDL （把UML的面向对象技术引入到形式化的协 议验证中）；n利用BDL可以一致性的操纵包含序列或 协同图的UML行为视图，并且不同UML行为 视图可以相互转换；n在BDL中，用事件的偏序集合来表示对 象间的相互交互，用对象间的一些基本的交 互来描述整个系统的行为。 15FD
8、T与UML相结合GPDLnGPDL (Graphical Protocol Description Language )n一个图形化的协议设计语言，描述协 议的结构和行为； nGPDL的重要性在于把UML的图形引入 到了协议设计中，使之可视化；nGPDL包含两部分：一是图和文本，图 的结构使协议设计形象化，当图形不能表 示时，就用文字说明；另一部分是GAEL (Generic Action Extension Language)用来 表达协议的语义信息，以弥补UML的不足 。 16FDT与UML相结合GPDLGPDL主要用于协议的设计和实现， 用GPDL描述的协议可以比较容易地转换 成SDL标
9、准。17在三种主要的国际标准FDT中，SDL与 UML结合的是较容易的，因为nSDL是基于状态变迁技术的，而状态 图（state diagram）正是UML建模的5种 图之一；一个状态图就是一个状态机 ；nSDL具有抽象数据类型，与UML的面向对 象技术吻合。 SDL-200018SDL-2000SDL-2000是SDL-96和UML技术有机结合 的版本， SDL-2000 = SDL-96 + UML 19基于Petri网的FDT Petri网理论是在并发的概念上建立起 来的，它直观地表示了非确定性，可以用 于表达不同抽象级上的系统概念。Petri网有一套成熟的数学理论工具， 建立了许多分析
10、技术，包括可达性分析、 不变量分析(使用线性代数方法)、保持特 性的变换(包括化简)、构造理论、形式语 言理论、同步距离和网的分解和等价等。20基于Petri网的FDT近几年人们的注意力集中在如何 将代数的抽象数据类型，融合在高级 网结构中，能够大大地提高描述协议 和服务所用的高级Petri网系统的表示 能力。 21基于Petri网的FDT n三种标准的FDT只支持协议工程的一 至二个活动 nEstelle是一种过程语言，可以描述协 议细节，用它描述的协议仅便于实现；nLOTOS描述协议实体的外部行为，不 关心实体内部变化，描述的协议仅便于验 证；nSDL是一种混合式的FDT，缺乏形式语 义，
11、缺乏分析技术。SDL-2000也只是吸收 了UML的一些概念、方法，增加了面向对 象的可视化设计功能，使之更好用，并没 有从本质上提升SDL的分析能力 。22基于Petri网的FDTnPetri网具有异步特性并发，决定了它 的主要应用方向是分布式系统根据外延公理，变迁的发生完全由它的外 延决定，与系统全局状态无关。因而网系 统是异步并发的“自由王国”，没有主宰全 局的中央控制，这很适合网络体系结构、 协议和服务的特点 。 23基于Petri网的FDTnPetri网的形式基础使它与其它并发模 型建立了连接，这有益于分布式系统 的描述和分析。nPetri网用直观的图形表示形式，与物 理系统相近，学
12、习和理解这种语言相 对容易。nPetri网最大的优点是具备一套严密的 数学理论，各种技术极有利于验证和 分析。24基于Petri网的FDTnPetri网表现出面向对象技术的各个 特性，将是一种优良的可用图形表示 的面向对象语言。为适应不同规范及验证的需求，从基本 Petri网模型衍化出许多扩展模型系统，目前 主要有：谓词/动作Petri网、时间Petri网 (TPN)、带时态逻辑的Petri网、颜色Petri网 (CPN)、面向对象Petri网(OOPN)、随机Petri 网(SPN)、数字Petri网(NPN)等。 25协议开发面临的挑战n支持协议工程整个生命期 的FDT？n协议的描述？n支持协议开发的工具？26基于Petri网的协议开发的问题n自然语言描述的协议系统到Petri网系统的转 换，相应的计算机辅助工具的开发，中间语 言、一般模型、转换算法和规则的建立。n协议Petri网描述到协议实现的自动化，建立 Petri网编译系统，实现网系统到目标代码转 换的算法和模型。nPetri网节点和可达状态的爆炸，包括适当的 高级网系统和分层网系统建立、网系统的合 成和化简和协议工程工作站的建立。n所建立的Petri网模型支持协议描述、协议验 证、协议实现、性能分析、一致性测试等协 议工程各个活动。27感谢各位领导和专家！ 请提出宝贵意见！Questions & Answers28
