22通信软件及通信协议2

二、协议工程概述内容协议工程协议的开发过程协议工程学产生的背景(1)通信协议标准一般是用自然语言描述的，这些通信协议常常采用非形式化的方法设计和实现，并且也获得了成功。用自然语言描述的协议不仅冗长、不规则，而且常常存在二义性和不完整性，这些协议说明（protocolspecification）中的错误使得随后的协议实现（protocolimplementation）常常互不兼容。非形式化的协议设计和实现使得协议的验证和测试工作很困难，随着各种通信协议的日益增多，其内容的庞大和复杂，上述问题就越来越突出，越来越严重了协议工程学产生的背景(2)如何设计出功能上正确可靠，逻辑上一致完整，易于有效实现的通信协议，并且使其整个设计和实现的过程更加规范化和自动化，已经成为一个十分重要的富有挑战性的研究课题。由于绝大部分通信协议是用计算机软件实现的，人们从七十年代末开始使用形式化的方法描述通信协议。随后软件工程的思想被引入到协议的研究中来。1981年有T.F.Piatkowski第一次提出“协议工程学”这个概念。近二十年来，“协议工程学”取得了许多有益的成果，逐步形成了较系统的研究体系。协议工程研究的内容协议工程学的研究范围包括：协议说明，协议验证，协议综合，协议转换，协议性能分析，协议自动实现和协议测试。–协议说明主要是对协议的形式化说明–协议验证主要用于验证协议说明中的语法和语义的正确性–协议自动实现是指直接编译协议说明，产生协议实现的主体部分–协议综合是在根据协议服务说明进行协议设计的过程中保证协议正确性的方法研究–协议转换主要研究如何实现不同协议的两个进程间的互操作问题，对于研究不同网络之间的互通信有着重要的意义–协议测试主要是对协议实现的各方面进行测试协议工程一体化、形式化的协议开发过程叫做协议工程。“一体化”——协议的设计、验证、实现和测试。在技术上前后衔接，并在同一个开发系统中完成。“形式化”——用形式描述语言连接协议开发的各个阶段。协议被一种形式化语言描述之后，协议的自动化实现、协议的自动化验证、协议的自动化测试便可在协议工程系统中进行了。内容协议工程协议的开发过程协议开发过程主要包括以下六个阶段：协议分析与设计协议描述协议验证与性能分析协议实现协议测试协议维护1、协议分析与设计协议环境分析–N层实体实现哪些功能–它向n+1层提供什么服务–n-1层的全局系统映射成的通道系统的特性–N层包括多少实体，它们采取什么工作方式协议设计–协议结构–协议机制–协议元素–协议文本N+1层nSAPN层(n-1)SAPN-1层N+1层nSAPN层(n-1)SAPN-1层N层协议协议环境分析2、协议描述自然语言（非形式化语言）表达能力强，可读性好，但描述不准确，存在二义性，协议实现复杂、低效。形式化描述语言有严格的语法及语义定义，避免二义性，更准确、简明地描述系统特征。协议形式描述语言：ESTELLE、LOTOS、SDL程序设计语言便于协议实现，但可读性差，表述协议并发性、不确定性及其它协议性质时能力较差。3、协议验证与性能分析对协议本身正确性进行校验的过程称为协议验证，有非形式化验证和形式化验证两种方式。协议验证的目的是在协议开发早期检测和纠正协议错误与缺陷，如避免死锁、活锁、不可执行行为、协议外部性能不符合服务要求等问题。协议性能主要包括：吞吐量、时延，协议性能分析的目的是改善协议机制，提高执行效率。4、协议实现协议实现的自动化是协议工程的主要目的之一。协议实现完全自动化几乎是不可能的。协议实现的半自动化:–第一步利用翻译程序将协议的形式描述文本变成程序设计语言，形成与机器代码无关的源代码––第二步处理协议未说明的技术问题，用手工编写最终形成执行代码5、协议测试一致性测试检测所实现的协议实体与协议规格的符合程度。互操作性测试检测不同的协议实现之间是否成功可靠地进行通信交互。性能测试测定协议实现的性能特性，如响应时间、延迟时间等，并以此对系统性能作出评价。6、协议维护协议维护是对已运行的协议的修改和补充，它有可能包括协议设计、协议验证和分析、协议实现和协议测试等。性能分析实现代码测试形式化规格翻译系统机器无关源代码实现非形式化规格转换系统测试用例验证测试用例生成协议开发过程协议开发工具协议设计工具–文本生成工具–静态分析工具–动态分析工具–性能分析工具–文本转换工具协议实现工具–翻译程序–ASN.1支撑程序–子程序库协议测试工具–测试系统–分析工具–测试集选择工具开发工具举例瑞典TeleLogicAB公司的TeleLogicTau：–SDL编辑器–SDL仿真器–SDL验证器–代码自动生成器–MSC编辑器–TTCNSuite三、协议分析与设计内容协议分析协议设计协议构造协议构造过程协议环境分析协议功能分析协议结构形式确定协议机制设计协议元素构造协议分析协议设计什么是协议环境N层N+1层nSAPN-1层(n-1)SAPN层N+1层nSAPN-1层(n-1)SAPN层协议N层用户要求N-1层通道性质N层工作模式Slide4协议环境分析——n层用户要求连接管理广播与组播服务确认方式通信方式数据形式、数据长度、数据可靠性、数据实时性服务质量(QoS)要求连接管理面向连接服务交换型连接服务、永久型连接服务举例：PSTN、N-ISDN、B-ISDN、PSPDN（虚电路）无连接服务举例：IP、PSPDN（数据报）ISDN交换机ISDN交换机NNI(No.7ISUP)PRIBRI(2B+D)标准的用户网络接口端到端的数字连接综合的业务Q.931网络层Q.921数据链路层物理层(30B+D)广播与组播服务确认方式(n+1)层n层data-confirmdata-indicationdata-response(n)SAP无确认服务(n)SAP(n)SAP(n+1)层n层(n+1)层n层部分确认服务data-indicationdata-requestdata-confirmdata-requestdata-request完全确认服务data-indication通信方式单工／半双工／全双工–管理“发信权”（半双工）–提供并发的收发服务（全双工）同步／异步数据形式块数据流数据批数据优先数据。。。高层高层控制面用户面ATM协议参考模型管理面面管理层管理ATM适配层（AAL）ATM层物理层ATM的AAL1协议数据长度分段N-1层通道带宽流量控制拥塞控制数据缓冲区Slide15北京邮电大学计算机科学与技术学院通信技术中心卞佳丽数据可靠性无CRC错——CRC校验和纠错报文顺序正确——报文顺序控制报文不丢失、不重复——超时重发控制流控制数据实时性面向连接的服务对信息不作处理固定长度信息单元无差错控制服务质量（QOS）要求安全性要求——用户数据加密性能要求——如：maxCTDpeaktopeakCDV可靠性要求——如：CLRACBD协议实体A和B（C和D）建立并独占一条连接协议环境分析——（n-1）层通道性质（1）通道形成方式——独占方式ACBDA和B与C和D协议实体共享一条连接通道形成方式——共享方式ACBDA和B、C和D利用下层提供的无连接服务进行通信通道形成方式——无连接方式队列性质–平均队列长度–最大队列允许长度RTT（RoundTripTime）数据的可靠性通道可靠性信息传送单元的最大长度通道工作方式–单工／半双工／全双工–同步／异步协议环境分析——（n-1）层通道性质（2）协议环境分析—n层协议实体的工作模式（1）点—点模式/多点模式An层B点到点方式BAn层C多点方式…协议环境分析—n层协议实体的工作模式（2）主从模式和平衡模式命令主站响应主/次站次站主/次站次站命令响应协议环境分析—n层协议实体的工作模式（3）中转和路由CAn层BA和B的协议不同CAn层B（n-1）层的服务不同协议功能分析连接控制通信方式管理数据发送/接收管理数据安全与可靠性寻址通道管理其他功能协议功能分析——连接控制连接的建立、维护及释放的管理连接的合法性检查连接安全性控制QoS协商资源管理协议功能分析——通信方式管理半双工通讯n层协议要进行“发信权”管理全双工通讯n层协议要具有并发的收发功能协议功能分析——数据发送/接收管理PDU的封装/解封装SDU分段/重组SDU拼接/分离PDU分割/组合nSDUnPDU(n-1)SDUnPDU(n-1)SDUnPCInPCInSDUPDU的封装/解封装nPCI1DATA1nPCIkDATAkSDU分段/重组nSDUnPDU1nPDUk分段重组SDU分段/重组nSDUnPCI1DATA1nPCIkDATAknPDU1nPDUkSDU拼接/分离nSDU1nSDU2nSDUinPCInPDU拼接SDU拼接/分离nSDU1nSDU2nSDUinPDUnPCI分离分割PDU分割/组合N层nPDUN-1层(n-1)SDU1(n-1)SDUi(n-1)SDU1(n-1)SDUiPDU分割/组合N层nPDUN-1层Slide38协议功能分析——数据安全与可靠性加密解密校验和–奇偶校验–累加和校验–CRC校验纠错顺序控制重发控制流量控制拥塞控制Slide39协议功能分析——寻址地址翻译路由选择–静态、动态Slide40协议功能分析——通道管理通道接口管理–通道的形成–通道状态监视通道故障处理通道共享控制