协议开发的理论与方法

1. 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 jluo@seu.edu.cn

2. 计算机网络 • 计算机学科发展的一个特征： 应用驱动 • 计算机网络： 应用和工程→技术→科学 • 理论和方法： 体系结构与协议，协议开发

3. 协议研究 • Routing • QoS • Multicast • Admission Control & Congestion Control • Switching • Middleware • ………

4. 协议发展 • IBM 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； • SNA是协议体系结构的开拓者； • OSI/RM是协议的指路灯塔； • TCP/IP是目前盛行的实事上的工业标准； • XTP、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。

5. 协议工程 • 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； • 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。

6. 协议开发主要活动间的关系

7. 形式描述技术FDT的特征 • 完整的语法和语义定义； • 体系结构、服务和协议的可表达性； • 协议重要特性的可分析性； • 支持复杂协议的管理； • 支持逐步求精的方法； • 支持实现独立性； • 支持协议生命期的各环节（描述、验证、实现、一致性测试、……）； • 支持自动设计、验证、实现和维护方法。

8. FDT种类 • 状态变迁模型 • 有限状态机FSM • 通信有限状态机CFSM • Petri网 • 程序设计语言模型 • 抽象程序 • CCS，CSP • 时态逻辑

9. FDT种类 • 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。 • 混合模型（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。

10. 国际标准 FDT－SDL • SDL (Specification and Description Language)：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 。

11. 国际标准 FDT－ LOTOS • LOTOS (Language Of Temporal Ordering Specification)：CCS+ADT • 80年代ISO制订OSI参考模型时发布，1988年确立了最后的国际标准文本。 • 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。

12. FDT的国际标准－Estelle • Estelle(Extended State Transition Model Language)：EFSM + extended Pascal • Estelle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。 • Estelle标准颁布以后， 一直到1994年，Estelle研究小组主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。

13. FDT与UML的结合 近年来UML (Unified Modeling Language) 被应用到协议开发中。 • UML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。

14. FDT与UML的结合 • UML用于协议开发的优势 • 当今的形式化的协议开发技术缺少可视化； • 不支持协议开发的整个生命周期； 而上述两点正是UML的优势所在。 • UML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。

15. FDT与UML相结合— BDL • BDL (Behavioural Description Language) • 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）； • 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； • 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。

16. FDT与UML相结合—GPDL • GPDL (Graphical Protocol Description Language ) • 一个图形化的协议设计语言，描述协议的结构和行为； • GPDL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； • GPDL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。

17. FDT与UML相结合—GPDL GPDL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标准。

18. SDL-2000 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 • SDL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 ； • SDL具有抽象数据类型，与UML的面向对象技术吻合。

19. SDL-2000 SDL-2000是SDL-96和UML技术有机结合的版本， SDL-2000 = SDL-96 + UML

20. 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。

21. 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。

22. 基于Petri网的FDT • 三种标准的FDT只支持协议工程的一至二个活动 • Estelle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； • LOTOS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； • SDL是一种混合式的FDT，缺乏形式语义，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 。

23. 基于Petri网的FDT • Petri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 。

24. 基于Petri网的FDT • Petri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。 • Petri网用直观的图形表示形式，与物理系统相近，学习和理解这种语言相对容易。 • Petri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。

25. 基于Petri网的FDT • Petri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。

26. 协议开发面临的挑战 • 支持协议工程整个生命期的FDT？ • 协议的描述？ • 支持协议开发的工具？

27. 基于Petri网的协议开发的问题 • 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。 • 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。 • Petri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。 • 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。

28. 感谢各位领导和专家！请提出宝贵意见！ Questions & Answers