協(xié)議工程之協(xié)議工程概論課件

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程尹洪勝2011年4月協(xié)議工程之協(xié)議工程概論課件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)則或規(guī)則。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)備之間用來通信的規(guī)則或語言。協(xié)議工程學(xué)：是研究協(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)議工程研究目的：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(jìn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化地發(fā)展2第一章協(xié)議工程概論1.1概論3第一章協(xié)議工程概論1.1.1早期的通信及協(xié)議協(xié)議最早誕生在通信系統(tǒng)中，協(xié)議設(shè)計的歷史與通信本身一樣古老。為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳遞需要兩個條件：（1）要有發(fā)送/接收信號的裝置——硬件（2）一套通信規(guī)則（協(xié)議）——軟件3第一章協(xié)議工程概論1.1.1早期的通信及協(xié)議4第一章協(xié)議工程概論早期的通信系統(tǒng)（1）擊鼓傳令（2）烽火通信（3）光通信（4）電磁通信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。事故造成21人死亡，176人受傷4第一章協(xié)議工程概論早期的通信系統(tǒng)5第一章協(xié)議工程概論通信協(xié)議（1）列車允許從A——B運行。（2）當(dāng)列車A進(jìn)入后，A端向B端發(fā)“火車在隧道中”消息。（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”消息。（4）為安全起見，可以讓A端信號員向B端信號員發(fā)“火車離開隧道？”詢問消息AB5第一章協(xié)議工程概論通信協(xié)議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6第一章協(xié)議工程概論1.2協(xié)議及系統(tǒng)的相互作用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）局部系統(tǒng)與通道系統(tǒng)之間相互作用（2）局部系統(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)則進(jìn)行，這些系統(tǒng)作用規(guī)則的總和就構(gòu)成n層協(xié)議。7第一章協(xié)議工程概論1.2.2系統(tǒng)的相互作用8第一章協(xié)議工程概論1.2.3事件與活動局部系統(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.對局部系統(tǒng)而言,存在兩類事件:（1）內(nèi)部事件局部系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的事件，如時鐘超時（2）外部事件局部系統(tǒng)外部產(chǎn)生的事件。如收到一個服務(wù)請求，通道收到一個報文。8第一章協(xié)議工程概論1.2.3事件與活動9第一章協(xié)議工程概論1.2.4協(xié)議及協(xié)議的描述基于上述系統(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)，局部系統(tǒng)之間相互作用的規(guī)則以及它們與外部環(huán)境和通道系統(tǒng)相互作用的規(guī)則的總和就是n層協(xié)議。協(xié)議必須以某種方式描述（文字、圖形等），協(xié)議描述至少包括以下內(nèi)容：（1）局部系統(tǒng)之間交換的報文的確切定義（2）各個局部系統(tǒng)在一個事件產(chǎn)生時進(jìn)行什么樣的活動。（3）各個局部系統(tǒng)怎樣通過觀察作用點使用通道系統(tǒng)提供的服務(wù)。（4）各個局部系統(tǒng)怎樣通過觀察作用點向外部提供服務(wù)。9第一章協(xié)議工程概論1.2.4協(xié)議及協(xié)議的描述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)層鏈路層物理層接收信息的進(jìn)程發(fā)送信息的進(jìn)程七層參考模型數(shù)據(jù)流的物理傳輸層間的邏輯通信每一層執(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10第一章協(xié)議工程概論1.2.5OSI模型應(yīng)用層表示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11第一章協(xié)議工程概論1應(yīng)用層ApplicationL12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，一個實體就是一個局部系統(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-entity

12第一章協(xié)議工程概論(1)協(xié)議實體(Protocol13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，PLPM13第一章協(xié)議工程概論(2)協(xié)議機（protocolm14第一章協(xié)議工程概論(3)服務(wù)n層服務(wù)是n層全局系統(tǒng)統(tǒng)一行為的一種體現(xiàn)。n層服務(wù)向（n+1）層外部環(huán)境提供服務(wù)，外部環(huán)境使用n層服務(wù)，完成通訊任務(wù)。n層的服務(wù)記為（n）-service,OSI模型各層服務(wù)分別記為：A-Service，P-Service，S-Service，T-Service，N-service，DL-Service，PL-service14第一章協(xié)議工程概論(3)服務(wù)15第一章協(xié)議工程概論(4)服務(wù)提供者（serviceprovider）n層服務(wù)的提供者就是n層的局部系統(tǒng)（協(xié)議機）(5)服務(wù)的使用者（serviceuser）n層服務(wù)的使用者就是(n+1)層的局部系統(tǒng)，但不一定是協(xié)議機，例如應(yīng)用層服務(wù)的使用者不一定是協(xié)議機，n層服務(wù)的使用者稱為n層用戶。

15第一章協(xié)議工程概論(4)服務(wù)提供者（service16第一章協(xié)議工程概論(6)服務(wù)訪問（SAP）服務(wù)訪問點（ServiceAccessPoint）是服務(wù)使用者和服務(wù)提供者的界面（觀察作用點），n層服務(wù)訪問點（n）SAP，OSI模型各層的服務(wù)訪問點分別記為：ASAP，PSAP，SSAP，TSAP，NSAP，DLSAP，PLSAP。(7)服務(wù)原語（serviceprimitive）服務(wù)原語是服務(wù)使用者和提供者相互作用的原子行動描述。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。服務(wù)原語描述服務(wù)提供者和服務(wù)使用者一次原子交互作用的名稱以及各參數(shù)的含義。一條服務(wù)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）。

16第一章協(xié)議工程概論(6)服務(wù)訪問（SAP）17第一章協(xié)議工程概論(8)服務(wù)規(guī)范（ServiceSpacification）確切定義了服務(wù)使用者和服務(wù)提供者之間相互使用的規(guī)則。（例如：服務(wù)的執(zhí)行序列等）(9)地址（Address）地址就是服務(wù)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－address17第一章協(xié)議工程概論(8)服務(wù)規(guī)范（ServiceS18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層功能中相互通信行為的規(guī)則和格式。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－protocol18第一章協(xié)議工程概論(10)協(xié)議（Protocol）19第一章協(xié)議工程概論(11)協(xié)議規(guī)范（ProtocolSpecification）協(xié)議規(guī)范用某種語言確切定義了實體之間通信規(guī)則和交換的報文的格式，以及實體利用低層服務(wù)的規(guī)則(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，PLPDU19第一章協(xié)議工程概論(11)協(xié)議規(guī)范（Protocol20第一章協(xié)議工程概論(13)服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ServiceDataUnit）是服務(wù)提供者和服務(wù)使用者之間傳遞的數(shù)據(jù)單元，n層服務(wù)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）PCI

20第一章協(xié)議工程概論(13)服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)21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)PCI21第一章協(xié)議工程概論APCI，PPCI，TPCI，SP22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,服務(wù)原語等設(shè)計)協(xié)議描述,用某種語言確切地描述協(xié)議元素協(xié)議的驗證與性能分析,對所描述的協(xié)議驗證其正確性,分析其性能;協(xié)議實現(xiàn),根據(jù)描述的協(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(jìn)行測試協(xié)議維護(hù),對網(wǎng)絡(luò)軟硬件進(jìn)行維護(hù)22第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議的開發(fā)過程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)雜性體現(xiàn)在:(1)分布性:多個局部系統(tǒng)分布在不同的機器上.(2)并發(fā)性:各個局部系統(tǒng)并發(fā)工作(3)異步性:各個局部系統(tǒng)不能同時觀察到事件產(chǎn)生(4)實時性:局部系統(tǒng)的活動有嚴(yán)格的時序要求和時間要求。(5)通道系統(tǒng)的不穩(wěn)定性23第一章協(xié)議工程概論N層全局系統(tǒng)是一個分布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)議標(biāo)準(zhǔn)化保障困難(4)軟件一致性差(5)軟件可維護(hù)性低由于上述原因,協(xié)議開發(fā)過程急需要工程化,提高網(wǎng)絡(luò)軟件生產(chǎn)率，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)，提高網(wǎng)絡(luò)軟件的可靠性和可維護(hù)性。24第一章協(xié)議工程概論協(xié)議開發(fā)困難:25第一章協(xié)議工程概論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)議工程的研究內(nèi)容1.3.1協(xié)議工程的定義剖析一體化的、形式化的協(xié)議開發(fā)過程叫——協(xié)議工程。使協(xié)議開發(fā)一體化的、形式化的的理論和技術(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)）26第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議工程的研究內(nèi)容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。形式化：用形式描述語言FDL（FormalDescriptionLanguage）連接協(xié)議開發(fā)的各個階段。協(xié)議的表示形式有：非形式描述文本；形式描述文本27第一章協(xié)議工程概論一體化：協(xié)議的設(shè)計、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)議的表示形式有：非形式描述文本：用自然語言和圖表。形式描述文本：用FDL描述的協(xié)議，嚴(yán)密，無二意，可符號執(zhí)行，可轉(zhuǎn)換成程序設(shè)計語言。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29第一章協(xié)議工程概論與機器無關(guān)的代碼：是由形式描述文本翻譯過來的程序。（pascal,c等），是因為協(xié)議的抽象性。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)議的形式文本產(chǎn)生。測試套具是用另外一種語言描述的（測試描述語言TTCN）。轉(zhuǎn)換(Transformation)系統(tǒng):將協(xié)議的非形式化描述文本轉(zhuǎn)換成形式描述文本。驗證(Verification)系統(tǒng)：對協(xié)議進(jìn)行驗證檢查，發(fā)現(xiàn)并修改潛在錯誤。29第一章協(xié)議工程概論與機器無關(guān)的代碼：是由形式描述文本30第一章協(xié)議工程概論性能分析（PerformanceAnalysis）:對協(xié)議性能進(jìn)行分析評價，修改協(xié)議，提高性能。翻譯（Translation)系統(tǒng)：將形式描述文本翻譯成源程序代碼。實現(xiàn)（Implementation）系統(tǒng)：實現(xiàn)是具體操作系統(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(jìn)行測試，分析結(jié)果，檢測錯誤，將錯誤反饋給實現(xiàn)系統(tǒng)，修改實現(xiàn)代碼。測試套具生成（TestSuitGeneration）系統(tǒng):根據(jù)協(xié)議的形式描述文件產(chǎn)生測試程序（描述怎樣測試）和測試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)部分功能可由人工完成。30第一章協(xié)議工程概論性能分析（Performance31第一章協(xié)議工程概論一個完整的協(xié)議工程系統(tǒng)31第一章協(xié)議工程概論一個完整的協(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)議模型及形式描述技術(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)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)議標(biāo)準(zhǔn)的制定，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定是設(shè)計出協(xié)議所必須完成的功能和應(yīng)該提供的服務(wù)，然后求得在某個范圍內(nèi)的認(rèn)可和統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是用自然語言描述的。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)格驗證和性能分析之后就完成了設(shè)計任務(wù)。33第一章協(xié)議工程概論1.3.2協(xié)議設(shè)計技術(shù)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)層提供什么樣服務(wù)（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35第一章協(xié)議工程概論1.3.3協(xié)議模型及形式描述技術(shù)協(xié)議的形式描述是指采用某種形式描述語言模型無二義地描述協(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)議的邏輯正確性和是否具有良好的性質(zhì)。

協(xié)議模型及形式描述技術(shù)涉及兩個研究課題（1）用什么數(shù)學(xué)模型和邏輯模型表示n層局部系統(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)邏輯的形式描述語言（FDL）35第一章協(xié)議工程概論1.3.3協(xié)議模型及形式描述技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)的前期最大限度地檢測和糾正協(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(dá)性分析（2）邏輯證明（3）模擬驗證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)37第一章協(xié)議工程概論協(xié)議性能分析主要的性能指標(biāo)包括：吞吐量和時延。性能分析的目的旨在改善協(xié)議機制，提高執(zhí)行效率，可用數(shù)據(jù)分析方法和模擬方法來執(zhí)行。37第一章協(xié)議工程概論協(xié)議性能分析38第一章協(xié)議工程概論1.3.5協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)協(xié)議實現(xiàn)是抽取面向?qū)崿F(xiàn)的協(xié)議功能描述，把所設(shè)計的協(xié)議用程序語言或硬件方式變成可執(zhí)行代碼，它與實現(xiàn)環(huán)境，例如計算機操作系統(tǒng)，通信媒體以及編程工具直接相關(guān)。

38第一章協(xié)議工程概論1.3.5協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)39第一章協(xié)議工程概論1.3.6協(xié)議測試技術(shù)協(xié)議測試分為一致性測試和綜合測試兩大部分。一致性測試驗證用協(xié)議實現(xiàn)得到的軟件代碼是否和協(xié)議設(shè)計中所要求的功能相一致，綜合測試網(wǎng)絡(luò)各部分是否按照協(xié)議規(guī)定協(xié)調(diào)工作。一致性測試和綜合測試都必須在分布式環(huán)境或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行。這一點不同于軟件設(shè)計。39第一章協(xié)議工程概論1.3.6協(xié)議測試技術(shù)40第一章協(xié)議工程概論1.4協(xié)議開發(fā)工具協(xié)議開發(fā)工具分為三類（1）協(xié)議設(shè)計工具（2）協(xié)議實現(xiàn)工具（3）協(xié)議測試工具1.4.1協(xié)議設(shè)計工具協(xié)議設(shè)計工具包括：文本生成、靜態(tài)分析、性能分析、文本轉(zhuǎn)換工具五種40第一章協(xié)議工程概論1.4協(xié)議開發(fā)工具41第一章協(xié)議工程概論1.4.2協(xié)議實現(xiàn)工具協(xié)議實現(xiàn)工具主要由各種翻譯程序和子程序庫組成，它向協(xié)議實現(xiàn)者提供一組半自動化工具。這類工具包括翻譯程序，協(xié)議數(shù)據(jù)單元支撐程序，子程序庫三種。41第一章協(xié)議工程概論1.4.2協(xié)議實現(xiàn)工具42第一章協(xié)議工程概論1.4.3協(xié)議測試工具協(xié)議測試工具包括測試系統(tǒng)本身，以及分析工具和測試套具42第一章協(xié)議工程概論1.4.3協(xié)議測試工具ThankYou!ThankYou!生活中的辛苦阻撓不了我對生活的熱愛。12月-2212月-22Friday,December30,2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。10:39:4910:39:4910:3912/30/202210:39:49AM做一枚螺絲釘，那里需要那里上。12月-2210:39:4910:39Dec-2230-Dec-22日復(fù)一日的努力只為成就美好的明天。10:39:4910:39:4910:39Friday,December30,2022安全放在第一位，防微杜漸。12月-2212月-2210:39:4910:39:49December30,2022加強自身建設(shè)，增強個人的休養(yǎng)。2022年12月30日10:39上午12月-2212月-22精益求精，追求卓越，因為相信而偉大。30十二月202210:39:49上午10:39:4912月-22讓自己更加強大，更加專業(yè)，這才能讓自己更好。十二月2210:39上午12月-2210:39December30,2022這些年的努力就為了得到相應(yīng)的回報。2022/12/3010:39:4910:39:4930December2022科學(xué)，你是國力的靈魂；同時又是社會發(fā)展的標(biāo)志。10:39:49上午10:39上午10:39:4912月-22每天都是美好的一天，新的一天開啟。12月-2212月-2210:3910:39:4910:39:49Dec-22相信命運，讓自己成長，慢慢的長大。2022/12/3010:39:49Friday,December30,2022愛情，親情，友情，讓人無法割舍。12月-222022/12/3010:39:4912月-22謝謝大家！生活中的辛苦阻撓不了我對生活的熱愛。12月-2212月-22網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工程尹洪勝2011年4月協(xié)議工程之協(xié)議工程概論課件46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)則或規(guī)則。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)備之間用來通信的規(guī)則或語言。協(xié)議工程學(xué)：是研究協(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)議工程研究目的：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(jìn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化地發(fā)展2第一章協(xié)議工程概論1.1概論47第一章協(xié)議工程概論1.1.1早期的通信及協(xié)議協(xié)議最早誕生在通信系統(tǒng)中，協(xié)議設(shè)計的歷史與通信本身一樣古老。為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳遞需要兩個條件：（1）要有發(fā)送/接收信號的裝置——硬件（2）一套通信規(guī)則（協(xié)議）——軟件3第一章協(xié)議工程概論1.1.1早期的通信及協(xié)議48第一章協(xié)議工程概論早期的通信系統(tǒng)（1）擊鼓傳令（2）烽火通信（3）光通信（4）電磁通信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。事故造成21人死亡，176人受傷4第一章協(xié)議工程概論早期的通信系統(tǒng)49第一章協(xié)議工程概論通信協(xié)議（1）列車允許從A——B運行。（2）當(dāng)列車A進(jìn)入后，A端向B端發(fā)“火車在隧道中”消息。（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”消息。（4）為安全起見，可以讓A端信號員向B端信號員發(fā)“火車離開隧道？”詢問消息AB5第一章協(xié)議工程概論通信協(xié)議AB50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6第一章協(xié)議工程概論1.2協(xié)議及系統(tǒng)的相互作用51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）局部系統(tǒng)與通道系統(tǒng)之間相互作用（2）局部系統(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)則進(jìn)行，這些系統(tǒng)作用規(guī)則的總和就構(gòu)成n層協(xié)議。7第一章協(xié)議工程概論1.2.2系統(tǒng)的相互作用52第一章協(xié)議工程概論1.2.3事件與活動局部系統(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.對局部系統(tǒng)而言,存在兩類事件:（1）內(nèi)部事件局部系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的事件，如時鐘超時（2）外部事件局部系統(tǒng)外部產(chǎn)生的事件。如收到一個服務(wù)請求，通道收到一個報文。8第一章協(xié)議工程概論1.2.3事件與活動53第一章協(xié)議工程概論1.2.4協(xié)議及協(xié)議的描述基于上述系統(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)，局部系統(tǒng)之間相互作用的規(guī)則以及它們與外部環(huán)境和通道系統(tǒng)相互作用的規(guī)則的總和就是n層協(xié)議。協(xié)議必須以某種方式描述（文字、圖形等），協(xié)議描述至少包括以下內(nèi)容：（1）局部系統(tǒng)之間交換的報文的確切定義（2）各個局部系統(tǒng)在一個事件產(chǎn)生時進(jìn)行什么樣的活動。（3）各個局部系統(tǒng)怎樣通過觀察作用點使用通道系統(tǒng)提供的服務(wù)。（4）各個局部系統(tǒng)怎樣通過觀察作用點向外部提供服務(wù)。9第一章協(xié)議工程概論1.2.4協(xié)議及協(xié)議的描述54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)層鏈路層物理層接收信息的進(jìn)程發(fā)送信息的進(jìn)程七層參考模型數(shù)據(jù)流的物理傳輸層間的邏輯通信每一層執(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10第一章協(xié)議工程概論1.2.5OSI模型應(yīng)用層表示55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11第一章協(xié)議工程概論1應(yīng)用層ApplicationL56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，一個實體就是一個局部系統(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-entity

12第一章協(xié)議工程概論(1)協(xié)議實體(Protocol57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，PLPM13第一章協(xié)議工程概論(2)協(xié)議機（protocolm58第一章協(xié)議工程概論(3)服務(wù)n層服務(wù)是n層全局系統(tǒng)統(tǒng)一行為的一種體現(xiàn)。n層服務(wù)向（n+1）層外部環(huán)境提供服務(wù)，外部環(huán)境使用n層服務(wù)，完成通訊任務(wù)。n層的服務(wù)記為（n）-service,OSI模型各層服務(wù)分別記為：A-Service，P-Service，S-Service，T-Service，N-service，DL-Service，PL-service14第一章協(xié)議工程概論(3)服務(wù)59第一章協(xié)議工程概論(4)服務(wù)提供者（serviceprovider）n層服務(wù)的提供者就是n層的局部系統(tǒng)（協(xié)議機）(5)服務(wù)的使用者（serviceuser）n層服務(wù)的使用者就是(n+1)層的局部系統(tǒng)，但不一定是協(xié)議機，例如應(yīng)用層服務(wù)的使用者不一定是協(xié)議機，n層服務(wù)的使用者稱為n層用戶。

15第一章協(xié)議工程概論(4)服務(wù)提供者（service60第一章協(xié)議工程概論(6)服務(wù)訪問（SAP）服務(wù)訪問點（ServiceAccessPoint）是服務(wù)使用者和服務(wù)提供者的界面（觀察作用點），n層服務(wù)訪問點（n）SAP，OSI模型各層的服務(wù)訪問點分別記為：ASAP，PSAP，SSAP，TSAP，NSAP，DLSAP，PLSAP。(7)服務(wù)原語（serviceprimitive）服務(wù)原語是服務(wù)使用者和提供者相互作用的原子行動描述。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。服務(wù)原語描述服務(wù)提供者和服務(wù)使用者一次原子交互作用的名稱以及各參數(shù)的含義。一條服務(wù)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）。

16第一章協(xié)議工程概論(6)服務(wù)訪問（SAP）61第一章協(xié)議工程概論(8)服務(wù)規(guī)范（ServiceSpacification）確切定義了服務(wù)使用者和服務(wù)提供者之間相互使用的規(guī)則。（例如：服務(wù)的執(zhí)行序列等）(9)地址（Address）地址就是服務(wù)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－address17第一章協(xié)議工程概論(8)服務(wù)規(guī)范（ServiceS62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層功能中相互通信行為的規(guī)則和格式。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－protocol18第一章協(xié)議工程概論(10)協(xié)議（Protocol）63第一章協(xié)議工程概論(11)協(xié)議規(guī)范（ProtocolSpecification）協(xié)議規(guī)范用某種語言確切定義了實體之間通信規(guī)則和交換的報文的格式，以及實體利用低層服務(wù)的規(guī)則(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，PLPDU19第一章協(xié)議工程概論(11)協(xié)議規(guī)范（Protocol64第一章協(xié)議工程概論(13)服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ServiceDataUnit）是服務(wù)提供者和服務(wù)使用者之間傳遞的數(shù)據(jù)單元，n層服務(wù)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）PCI

20第一章協(xié)議工程概論(13)服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)65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)PCI21第一章協(xié)議工程概論APCI，PPCI，TPCI，SP66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,服務(wù)原語等設(shè)計)協(xié)議描述,用某種語言確切地描述協(xié)議元素協(xié)議的驗證與性能分析,對所描述的協(xié)議驗證其正確性,分析其性能;協(xié)議實現(xiàn),根據(jù)描述的協(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(jìn)行測試協(xié)議維護(hù),對網(wǎng)絡(luò)軟硬件進(jìn)行維護(hù)22第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議的開發(fā)過程67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)雜性體現(xiàn)在:(1)分布性:多個局部系統(tǒng)分布在不同的機器上.(2)并發(fā)性:各個局部系統(tǒng)并發(fā)工作(3)異步性:各個局部系統(tǒng)不能同時觀察到事件產(chǎn)生(4)實時性:局部系統(tǒng)的活動有嚴(yán)格的時序要求和時間要求。(5)通道系統(tǒng)的不穩(wěn)定性23第一章協(xié)議工程概論N層全局系統(tǒng)是一個分布68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)議標(biāo)準(zhǔn)化保障困難(4)軟件一致性差(5)軟件可維護(hù)性低由于上述原因,協(xié)議開發(fā)過程急需要工程化,提高網(wǎng)絡(luò)軟件生產(chǎn)率，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)，提高網(wǎng)絡(luò)軟件的可靠性和可維護(hù)性。24第一章協(xié)議工程概論協(xié)議開發(fā)困難:69第一章協(xié)議工程概論25第一章協(xié)議工程概論70第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議工程的研究內(nèi)容1.3.1協(xié)議工程的定義剖析一體化的、形式化的協(xié)議開發(fā)過程叫——協(xié)議工程。使協(xié)議開發(fā)一體化的、形式化的的理論和技術(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)）26第一章協(xié)議工程概論1.3協(xié)議工程的研究內(nèi)容71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。形式化：用形式描述語言FDL（FormalDescriptionLanguage）連接協(xié)議開發(fā)的各個階段。協(xié)議的表示形式有：非形式描述文本；形式描述文本27第一章協(xié)議工程概論一體化：協(xié)議的設(shè)計、72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)議的表示形式有：非形式描述文本：用自然語言和圖表。形式描述文本：用FDL描述的協(xié)議，嚴(yán)密，無二意，可符號執(zhí)行，可轉(zhuǎn)換成程序設(shè)計語言。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73第一章協(xié)議工程概論與機器無關(guān)的代碼：是由形式描述文本翻譯過來的程序。（pascal,c等），是因為協(xié)議的抽象性。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)議的形式文本產(chǎn)生。測試套具是用另外一種語言描述的（測試描述語言TTCN）。轉(zhuǎn)換(Transformation)系統(tǒng):將協(xié)議的非形式化描述文本轉(zhuǎn)換成形式描述文本。驗證(Verification)系統(tǒng)：對協(xié)議進(jìn)行驗證檢查，發(fā)現(xiàn)并修改潛在錯誤。29第一章協(xié)議工程概論與機器無關(guān)的代碼：是由形式描述文本74第一章協(xié)議工程概論性能分析（PerformanceAnalysis）:對協(xié)議性能進(jìn)行分析評價，修改協(xié)議，提高性能。翻譯（Translation)系統(tǒng)：將形式描述文本翻譯成源程序代碼。實現(xiàn)（Implementation）系統(tǒng)：實現(xiàn)是具體操作系統(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(jìn)行測試，分析結(jié)果，檢測錯誤，將錯誤反饋給實現(xiàn)系統(tǒng)，修改實現(xiàn)代碼。測試套具生成（TestSuitGeneration）系統(tǒng):根據(jù)協(xié)議的形式描述文件產(chǎn)生測試程序（描述怎樣測試）和測試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)部分功能可由人工完成。30第一章協(xié)議工程概論性能分析（Performance75第一章協(xié)議工程概論一個完整的協(xié)議工程系統(tǒng)31第一章協(xié)議工程概論一個完整的協(xié)議工程系統(tǒng)76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)議模型及形式描述技術(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)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77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)議標(biāo)準(zhǔn)的制定，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定是設(shè)計出協(xié)議所必須完成的功能和應(yīng)該提供的服務(wù)，然后求得在某個范圍內(nèi)的認(rèn)可和統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是用自然語言描述的。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)格驗證和性能分析之后就完成了設(shè)計任務(wù)。33第一章協(xié)議工程概論1.3.2協(xié)議設(shè)計技術(shù)78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)層提供什么樣服務(wù)（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79第一章協(xié)議工程概論1.3.3協(xié)議模型及形式描述技術(shù)協(xié)議的形式描述是指采用某種形式描述語言模型無二義地描述協(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)議的邏輯正確性和是否具有良好的性質(zhì)。

協(xié)議模型及形式描述技術(shù)涉及兩個研究課題（1）用什么數(shù)學(xué)模型和邏輯模型表示n層局部系統(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)邏輯的形式描述語言（FDL）35第一章協(xié)議工程概論1.3.3協(xié)議模型及形式描述技80第一章協(xié)