网络协议设计与开发1要点课件.ppt

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1、网络协议设计与开发,康军长安大学信息工程学院,内容提要,课时：20课时授课+10课时上机主要内容：网络协议工程方法网络协议开发技术参考资料：吴礼发著,网络协议工程,电子工业出版社,2011TCP/IP详解 卷2TCP/IP详解 卷3http:/,前 言,一、设么叫协议？例如：人与人之间人与物之间物与物之间协议是多个对象之间为了实现某个共同目标而制定的、需要共同遵守的、关于各自行为方式的时序化的约定。,用系统的观点看协议系统是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分。,系统包含：输入、系统部件（关联、状态）、输出遵循协议的

2、对象构成的总体形成了一个系统。在上述系统中，各个对象之间根据协议内容，按照一定时序关系改变各自的状态（事件），在某一时刻各个对象呈现出不同的确定性的状态，这样的系统称之为“离散事件系统”。例如：数字电路系统（组合+时序逻辑电路）,例如：一个简单的串行奇偶检测电路,电路中包括T触发器，输入、输出，状态；在上述系统中有没有协议？,奇偶检测系统是由T触发器构成，T触发器是由基本门电路构成，所以上述系统是由若干基本门电路按照确定的连接方式构成，各个单元之间按照已知的方式协调工作从而形成上述系统。,一些结论：协议定义了系统内各组成单元的功能集合以及它们之间的关联方式。系统按照协议运行时，表现为系统状态的

3、时序性变化（即状态变迁）在已学的技术中，可以用状态图或状态表的方式描述系统按照协议的运行情况。设计协议就是设计一种离散事件系统！,二、如何设计协议？协议工程：按照系统化、规范化、可度量化等工程原则和方法去进行协议的设计。什么叫系统化？为什么要系统化？系统化：把协议看做是一种离散事件系统系统化有利于合理简化问题，并找到分析问题的科学方法。什么叫规范化？为什么要规范化？规范化：按照标准化的步骤进行协议设计规范化有利于保证协议的正确性、提高设计效率什么叫可度量化？为什么要可度量化？可度量化就是对协议的正确性和性能进行量化可度量化有利于确定性的比较优劣,三、本课程的目标学习如何合理的设计计算机网络协议

4、。网络的协议模型（通用模板）网络协议应该包含的内容网络协议的设计方法网络协议性能的保证机制网络协议的描述方式网络协议的测试方法网络协议的验证方法,第一讲 基本概念,一、网络协议：为计算机网络中对等实体进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议是由语法、语义和同步（时序关系）三个要素组成：实体(Entity)是指任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程，在大多数情况下，就是一个特定的软件进程。位于不同系统的同一层次内交互的实体，就构成了对等实体。,协议定义：语法,在语言学中，语法是指语言组成成分(词、句等)之间以什么样的关系结合而构成语句或语言，也即是语言的结构方法和构成规则。网络协议中

5、的语法的含义？网络协议中的语法体现为数据报文中的控制信息(通常在报文的首部)和各种控制报文的结构、格式，也即是规定报文的长度，报文中划分多少个域(Field)，每个域的名称、意义、数据类型、长度等。其中，报文中各个域的类型、长度及相互间的位置、顺序关系则构成了词法。,协议定义：语义,网络协议的语义可以理解为协议数据报文中的控制信息和控制报文所约定的含义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。例如：报文首部控制信息中的目的地址信息指明了报文的目的地，接收到此报文的网络结点均将其作为进行路由选择的依据，因而规定在首部控制信息中在给定域给出目标结点地址就是一种语义。 为了实现有连接的

6、传输服务，设计了一套实现连接的控制报文。发起连接方构造一个请求连接的协议控制报文，这个“请求连接”就是该控制报文的语义。收端收到这个控制报文后，根据已知的格式分析规定域中报文类型码就可了解这个“请求连接”的语义，从而作出“允许连接”或“拒绝连接”的响应。,协议定义：语义（Cont.）,例如（续）：“允许连接”报文和“拒绝连接”报文的格式和语义也是协议中约定好的，通信双方通过这些约定语义的控制报文按一定时序关系的交换即可实现建立连接的功能和提供有连接服务。 其它的在协议中常使用的“数据收到确认”报文(ACK报文)、“出错通知”报文、“紧急通知”报文等等均可看成为具有特定语义的网络协议的语句，即协

7、议的组成部分。,协议定义：同步,简单地说，同步是指事件实现顺序的详细说明。 具体来说，同步是指通信过程中各种控制报文传送的顺序关系，例如“允许连接”或“拒绝连接”报文必须是作为请求连接报文的一种响应来发送，“拆除连接”报文也必须在建立连接后的某种条件下发送等等。这种控制报文发送的时序关系，也决定了通信双方所处的通信状态(发送状态、接收状态、等待状态等)的制约关系，所以常用通信双方的有限状态机的方法来描述网络协议。 在有些文献中，也将这种同步关系视为协议语法的一部分。,协议定义：进一步延伸,进一步延伸为计算机通信协议。 协议是计算机网络和分布式系统中各种通信实体或进程间相互交换信息时必须遵守的一

8、组规则或约定。网络协议工程中的许多技术和方法均可应用到分布式系统中的进程间通信协议的设计活动当中。,大量的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应采用层次式的。 在计算机网络中，将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构(architecture)。ISO的OSI/RM（开放系统互连/参考模型）IBM的SNA（系统网络体系结构）DEC的DNA（分布式网络体系结构）IETF的TCP/IP,二、协议标准化,What are standards?Standards are documented agreements containing technical specificat

9、ions to be used consistently as rules, guidelines, or definitions of characteristics, to ensure that materials, products, processes and services are fit for their purposeInternational Standards contribute to making life simpler, and to increasing the reliability and effectiveness of the goods and se

10、rvices we useIndustry-wide standardization is a condition existing within a particular industrial sector when the large majority of products or services conform to the same standards,协议标准化（Cont.）,Why Push For Standardization?The aim is to facilitate trade, exchange and technology transfer throughEnh

11、anced product quality and reliability at a reasonable price.Greater compatibility and interoperability of goods and services.Simplification for improved usability.Increased distribution efficiency, and ease of maintenance,协议标准化（Cont.）,What makes up a standard? It may contain:SymbolsDefinitionsDiagra

12、msCodesTest methods,协议标准化（Cont.）,Organization for Standardization for Protocols International Organization for Standardization (ISO) 国际电报电话咨询委员会 (CCITT)International Telecommunications Union (ITU-T)Internet Engineering Task Force (IETF) Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)World Wi

13、de Web Consortium(W3C)Association for Computing Machinery(ACM)Asynchronous Transfer Mode Forum(ATM Forum)American National Standards Institute (ANSI),ISO,是一个涉及范围很广的国际标准开发机构，包括很多政府的或民间的标准研究机构，如美国的国家标准研究所ANSI。 成立于1947年。ISO下属多个技术委员会TC(Technical Committees)，TC又由多个分委员会SC(Subcommittees)组成。每个SC下有多个工作组WG(Wo

14、rking Groups)。例如，TC97主要负责与计算机有关的标准的制定，TC97/SC6主要处理电信领域的标准，TC97/SC6/WG1则主要负责数据链路协议标准。一个ISO标准从最初的提名到真正发行要经历七个步骤。,ISO(Cont.),ISO制定的很多标准是与另一个标准化组织，国际电工技术委员会IEC(International Electrotechnical Commission)，合作制定的。 IEC关心的主要是电子和电气工程标准(器材、元件以及测量方法的标准化)。在信息技术领域，虽然IEC强调的是硬件，而ISO强调的是软件，但它们的职能在很多地方有所重叠。1987年由这两个组织

15、联合成立了联合技术委员会JTC，而ISO的TC97同时宣告解散。代替旧的ISO的TC97组织是ISO/IEC JTC1， 而其下属的各分委员会SC的名称仍用原来TC97中的各分委员会的序号。这个委员会负责信息技术领域文档的开发，这些文档最终可能成为ISO及IEC的标准。,ISO（Cont.）,ISO制定的与协议有关的著名标准：OSI/RM（ISO 7498），TC97/SC16 制定，虽然没有流行，但其中有很多协议被广泛使用形式描述语言LOTOS(Language of Temporal Ordering Specifications)和Estelle，ISO TC97/SC21/ WG1下的

16、2个不同的子工作组分别制定的，它们得到广泛的应用。 一致性测试序列标准：ISO 9646-1 (CCITT X.290) 一般概念ISO 9646-2 抽象测试集(suite)规范ISO 9646-3 树表组合记法TTCN(Tree and Tabular Combined Notation)ISO 9646-4 测试实现ISO 9646-5 一致性认证处理对测试实验室及其客户的要求ISO 9646-6 测试实验室的操作,CCITT and ITU-T,CCITT(International Telephone and Telegraph Consultative Committee,国际电话

17、与电报顾问委员会)最开始主要从通信的角度考虑一些标准的制定。随着科学技术的发展，通信与信息处理的界限变得比较模糊了。于是，通信与信息处理就都成为CCITT与ISO TC97共同关心的领域。 很多ISO制定的标准，CCITT均有与之相对应的标准。 CCITT的建议书X.200就是开放系统互连参考模型，它与ISO7498基本上是相同的。 CCITT制定的著名标准：X.25形式描述语言SDL(Specification and Description Language)广泛用交换系统的描述。,CCITT and ITU-T(Cont.),ITU-T是国际电信联盟ITU（International T

18、elecommunication Union）下属的电信标准部，它的成员主要是各国政府组织和得到许可的私人运营商。成立于1993年3月1日，主要任务是制定电话、电报和数据通信接口的技术建议。它取代了原国际电报电话咨询委员会CCITT。 人们仍然常常遇到CCITT建议，例如，CCITT X.25，虽然自1993年起这些建议都打上了ITU-T标记。 ITU-T的实际工作是在研究组SG(Study Group)完成的，通常有400人。为了能够完成工作，研究组又分成了很多工作组WG(Working Group)，然后又再分为专家小组(Expert Team)，最后分成特别小组(Ad Hoc Group

19、)。,ITU-T Standards: X Series,Data networks and open system communicationsPublic data networks - Interfaces:X.21 - Interface between Data Terminal Equipment (DTE) and Data Circuit-terminating Equipment (DCE) for synchronous operation on public data networks.OSI - Model and notation:X.200 - Informatio

20、n technology Open Systems Interconnection Basic Reference Model: The basic model.,ITU-T Standards: X Series(Cont.),Message Handling Systems:X.400 - Message handling services: Message handling system and service overviewDirectory Services:X.500 - Information technology - Open Systems Interconnection

21、- The Directory: Overview of concepts, models and services Security:X.800 - Security architecture for Open Systems Interconnection for CCITT applications.,ITU-T Standards: V Series,Data communication over the telephone networkInterworking with other networks:V.18 - Operational and interworking requi

22、rements for DCEs operating in the text telephone mode.Interfaces and voice-band modems:V.33 - 14 400 bits per second modem standardized for use on point-to-point 4-wire leased telephone-type circuits.Error control:V.42 - Error-correcting procedures for DCEs using asynchronous-to-synchronous conversi

23、on.,ITU-T Standards: Q Series,Switching and signallingGeneral Recommendations relative to signaling and switching systems:Q.20 - Comparative advantages of in-band and out-band systems.Functional description of the signaling system:Q.251 - GeneralDefinition and function of signals:Q.254 - Telephone s

24、ignals.,ITU-T Standards: Q Series(Cont.),Signalling System No. 7 (SS#7):Q.700 - Introduction to CCITT Signalling System No. 7Integrated Services Digital Network (ISDN):Q.860 - Integrated Services Digital Network (ISDN) and Broadband Integrated Services Digital Network (B-ISDN) Generic Addressing and

25、 Transport (GAT) ProtocolQ.2010 - Broadband integrated services digital network overview - Signaling capability set 1, release 1,IFIP,国际信息处理联盟IFIP(International Federation for Information Processing)，虽然不直接参与协议的标准化，但它的主要目的之一是作为CCITT和ISO之间沟通的桥梁。IFIP成立于1960年，经常组织一些协议形式化描述与验证方面的国际会议。,IETF,因特网协会 ISOC,因特网

26、体系结构研究委员会 IAB,因特网研究指导小组IRSG,因特网研究部 IRTF,因特网工程部 IETF,因特网工程指导小组IESG,领域,领域,WG,RG,WG,WG,WG,RG,IETF网址：http:/www.ietf.org,IETF（Cont.）,因特网在制定其标准上很有特色：面向公众。所有技术文档都可从因特网上免费下载，而且任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。这种方式对因特网的迅速发展影响很大。因特网标准：RFC (Request For Comments)的意思就是“请求评论”。所有的RFC文档都可从因特网上免费下载。 并非所有的RFC文档都是因特网标准，其中只有

27、一小部分最后才能变成标准。,IETF（Cont.）,因特网草案,建议标准,草案标准,因特网标准,历史的 RFC,实验的 RFC,提供信息的 RFC,因特网草案(Internet Draft)建议标准(Proposed Standard)草案标准(Draft Standard)因特网标准(Internet Standard),W3C,World Wide Web Consortium promotes the Web by producing specifications and reference software.W3C is funded by industrial members but

28、 its products are freely available to all.The Consortium is run by MIT LCS with INRIA acting as European host and Keio University in Asia, in collaboration with CERN where the web originated.,IEEE,The Institute of Electrical and Electronics Engineers(电气和电子工程师协会) is the worlds largest technical profe

29、ssional society.A non-profit organization, IEEE promotes the development and application of electrotechnology and allied sciences for the benefit of humanity, the advancement of the profession, and the well-being of its members.Famous Standards: IEEE 802 series,ACM,Association for Computing Machiner

30、y (founded 1947，(美国)计算机学会) is an international scientific and educational organization dedicated to advancing the art, science, engineering, and application of information technology(其宗旨在于不断地推动计算机科学与技术的发展), serving both professional and public interests by fostering the open interchange of informati

31、on and by promoting the highest professional and ethical standards.Since its inception ACM has provided its members and the world of computer science a forum for the sharing of knowledge on developments and achievements necessary to the fruitful interchange of ideas.,ACM（Cont.）,Over the years ACM ha

32、s flourished along with the industry itself, playing a major role in enriching the quality, form and function of computer usage.ACM forms Special Interest Groups (SIGs) which focus on specific areas of computer science. Some SIGs which relate to data communications include:Data Communication (SIGCOM

33、M)Hypertext/Hypermedia (SIGLINK)Multimedia (SIGMM),ANSI,Founded in 1918, the American National Standards Institute (ANSI, 美国国家标准化组织), is a private, not-for-profit membership organization that coordinates the U.S. voluntary consensus standards system and approves American National Standards.ANSI cons

34、ists of approximately 1,300 national and international companies, 30 government agencies, 20 institutional members, and 250 professional, technical, trade, labor and consumer organizations.,ANSI（Cont.）,ANSI acts to insure that a single consistent set of consensus based American National Standards ar

35、e developed by ANSI-accredited standards developers.Integral to the development and approval process is the requirement that all interests concerned have the opportunity to participate in the development process.Famous Stad.: ANSI.1,Obtaining standard documents:,Standards bodies distribute their doc

36、uments in several file formats and to different groups or organizations.Many standards must be purchased before you may implement products based on them. However, the documents are free.Some standards bodies require payment up-front before you are permitted access to the standards documents.,Obtaini

37、ng standard documents(Cont.),Still other standards bodies take an open approach where documents are entirely free to readers and implementation vendors (RFCs).Most standards are available on the Internet via FTP, Gopher, or the WWW.Many sites have search engines which allow users to obtain different

38、 documents, all of which pertain to the same standard / protocol.,Obtaining standard documents(Cont.),Document Formats:Text / ASCII - most popular format.Postscript - requires a postscript printer or TeX / LaTeX to view.Word for Windows - Microsoft Windows editor.HTML - browseable documents with lin

39、ks to other references.PDF - Adobe Acrobat hyper-link format.,Industry Control and Acceptance,Commonly in todays computer industry, the acceptance of products are facilitated by the conformance to and support of standards.Most products become obsolete if they are only based on proprietary specificat

40、ions and do not support standards.If a company maintains control over the majority of products based on a particular technology, that company can usually dictate the direction of the industry and any standards to follow.,Timing: Its important for standards,MIT D. Clarks “apocalypse(启示) of the two el

41、ephants”The best period for standardization is between burst of research and burst of marketingThe period is very shortTCP/IP already entrenched by mid/late eightiesOSI/RM is put up in the burst of marketing of TCP/IP,Examples: OSI/RM Problems,Tannenbaum:Bad technologyBad timingBad implementationBad

42、 politics,三、协议工程：Why?,网络服务要求的提高,应用的多样性,网络系统的多样性,协议工程(Protocol Engineering),1981年由T.F.Piatkowski第一次提出“协议工程学”的概念,Protocol Engineering: What?,七十年代未人们开始用形式化的方法描述通信协议。1981年，在软件工程思想的基础上，Piatkowski首先提出了“协议工程（PE：Protocol Engineering）”的概念协议工程学用形式化方法描述协议设计和维护中的各个过程，它是以协议软件为研究对象的软件工程，而且建立了一套比一般软件工程方法更为严格、更为数学化

43、的理论和方法。集成化(Integrated)、形式化(Formal)的协议开发过程称为协议工程。协议工程的目的是减少协议开发过程中潜在的错误，提高协议开发的效率，促进协议标准化的发展。,所谓“集成化”，就是指协议描述、验证、实现和测试等技术前后衔接，并在同一个开发系统中完成。在以往的协议开发过程中，各个阶段并不互相衔接，各个阶段的研究人员作完自己的事情就不再管别的事情了。协议设计者凭自己的经验和智慧设计出协议，用自然语言进行描述，经过他人审定或模拟之后，就予以公布。其他的人只有在感兴趣时才采用某种方法和理论对协议进行验证。协议实现往往根据自己的环境和要求修改协议，协议实现之后不考虑实现与协议规

44、范是否一致。协议的测试往往由协议实现者自己进行，这实际上是一种程序调试。,所谓“形式化”，就是指用形式描述技术FDT(Formal Description Technique)贯穿协议开发的各个阶段。一种形式化描述语言FDL(Formal Description Language)以一种或多种形式化描述技术为基础，有严格的语法和语义定义，抽象于具体的实现，可以符号执行，可以转换、翻译成程序设计语言。当协议进行形式化描述后，协议的验证、自动实现、测试就可以在一个集成化的协议工程系统中进行了。,ProtocolEngineering: Procedure,非形式化协议规范,形式化协议规范,形式描述

45、,与机器无关的源代码,实现代码(产品),转换,实现,产品测试器,测试序列发生器,一致性测试,性能分析,模拟,验证,设计,用户需求说明,PE Activities: Design,我们的定义：根据协议的需求说明构造协议的非形式描述文本(经过非形式的验证分析) 称为协议设计；而将“协议的设计、形式描述、验证、实现、测试、运行”这一全过程称为“协议开发”，即协议开发是指协议工程活动的全过程。 其它定义：将协议设计定义为“从协议的需求说明到协议的形式描述文本，并经过严格验证和性能分析”这一过程，或定义为协议工程活动的全过程，即相当于“协议开发”。 包括：协议环境分析 、协议的功能设计、协议组织形式的确

46、定、协议元素的构造、协议文本的编制等。,PE Activities : Design（Cont.）,协议设计质量的好坏直接关系到开发出来的协议性能、功能是否能满足用户需求的一个重要因素。协议设计阶段的结果是非形式描述协议文本。 协议设计涉及到很多技术，如差错控制技术、流量控制技术、连接管理技术、路由选择技术等。协议设计还必须遵循一些基本原则，如结构化、模块化等。,PE Activities : Formal Descrpt.,通信系统行为的复杂性增大了行为描述的难度，人们必须借助一种语言或一种技术来准确地描述系统行为。在过去，人们习惯使用自然语言进行协议描述（用自然语言写协议的规格说明或规范）

47、优点是：方便、易懂致命缺点是：不严格、不精确、结构不好、没有描述标准和有二义性且很难进行协议实现、测试的自动化和协议验证。 不同的人对协议描述的理解不一样导致不同的协议实现之间不能实现互连，甚至还会得出错误的协议。 解决办法：形式化技术 FDT (Formal Description Technique),协议描述,采用形式描述技术的最终目的是：为开发者提供一种分析的方法；作为对开发结果验证的基础；为设计人员和应用人员提供交流途径；作为开发文档能在将来再开发时使用。 理想的形式描述技术应该既能描述系统的行为特征，又能进行操作：在系统需求分析和设计阶段，它应该是一种描述语言在系统实现阶段它应该是

48、一种编程语言。 形式描述技术是将协议工程各阶段在技术上衔接起来的纽带，因此它对协议工程的发展起决定性作用。,形式描述模型 有限状态机FSM(Finite State Machine)Petri网(PetriNet)时态逻辑TL(Temporal Logic)通信系统演算CCS (Calculus of Communication System)通信顺序进程CSP (Communicating Sequential Processes)形式文法FG(Formal Grammar) 形式描述语言 ISO制定的Estelle和LOTOS CCITT制定的SDL 对象管理组织OMG制定的统一建模语言U

49、ML,协议验证与性能分析,活锁(livelock) 指事物1可以使用资源，但它让其他事物先使用资源；事物2可以使用资源，但它也让其他事物先使用资源，于是两者一直谦让，都无法使用资源。活锁有一定几率解开。而死锁（deadlock）是无法解开的。,协议验证(Verification and Validation)技术和形式描述技术是同步发展的在进行协议实现之前还要进行以下二项工作：在语法和语义方面进行验证；进行计算机模拟。 协议的验证主要内容包括：可达性分析死锁和活锁检测协议的有界性和完整性检查协议的动作序列检查通道溢出检查等,验证方法主要有两类：模型检查(Model Checking)最常见方法

50、：可达性分析，它包括状态穷举，状态随机枚举，状态概率枚举等方法 重要问题：状态空间爆炸 证明(Proving)试图用推理演算方法严密地证明协议的各种性质其他方法：模拟（Simulation）通过一些模拟试验来测试协议的各种性质,协议实现,协议测试,验证一个新的协议实现，通常要作多项测试。一般主要考虑以下两个方面： 协议一致性测试。即检测新协议实现是否能满足该协议规范所规定的所有规则。 对协议实现的评价。核对新实现的包括性能参数在内的其它性质。 协议一致性测试是协议工程活动中重要的一环。如果协议实现通过了一致性测试，则说明该协议实现与其它同样通过一致性测试的协议实现可在同一个全局系统中很好地协调