网络协议工程
尹洪胜
2011年4月
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
概论
协议：是某种活动或者行为所遵守的准则或规则。
在计算机世界中，协议是计算机之间或者计算机与
其它设备之间用来通信的规则或语言。
协议工程学：是研究协议设计，协议验证、协议实
现、协议测试等技术的一门新的计算机学科。
协议工程研究目的：旨在减少协议开发中潜在地错
误，提高协议开发效率，促进协议标准化地发展
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
早期的通信及协议
协议最早诞生在通信系统中，协议设计 的历
史与通信本身一样古老。
为实现远距离信息传递需要两个条件：
（1）要有发送/接收信号的 装置——硬件
（2）一套通信规则（协议）——软件
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
早期的通信系统
（1）击鼓传令
（2）烽火通信
（3） 光通信
（4）电磁通信
协议缺陷的教训
1861年8月发生在克莱顿隧道中的事故，在
英里长的隧道两端，一天24小时有人值班。事
故造成21人死亡，176人受伤
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
通信协议
（1）列车允许从A——B运行。
（2）当列车A进入后，A端向B端发“火车在隧道中”消息。
（3）当火车在B端出现时，B端信号员向A端信号员发“隧道
空”消息。
（4）为安全起见，可以让A端信号员向B端信号员发“火车离
开隧道？”询问消息
A
B
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议及系统的相互作用
分层系统模型
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
系统的相互作用
在n层协议中存在着多种相互作用
（1）局部系统与通道系统之间相互作用
（2）局部系统之间的相互作用
（3）全局系统与外部环境之间相互作用
在n层内，系统相互作用按照确定的规则进行，
这些系统作用规则的总和就构成n层协议。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
事件与活动
局部系统(协议实体),是系统相互作用的主角,
它的活动是由事件驱动的.对局部系统而言,存在
两类事件:
（1）内部事件
局部系统内部产生的事件，如时钟超时
（2）外部事件
局部系统外部产生的事件。如收到一个服务请求，通道收
到一个报文。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议及协议的描述
基于上述系统相互作用的概念，给协议如下定义：对于n
层全局系统，局部系统之间相互作用的规则以及它们与外部环
境和通道系统相互作用的规则的总和就是n层协议。
协议必须以某种方式描述（文字、图形等），协议描述至少包
括以下内容：
（1）局部系统之间交换的报文的确切定义
（2）各个局部系统在一个事件产生时进行什么样的活动。
（3）各个局部系统怎样通过观察作用点使用通道系统提供的
服务。
（4）各个局部系统怎样通过观察作用点向外部提供服务。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
OSI模型
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
链路层
物理层
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
链路层
物理层
接收信息的进程发送信息的进程
七层参考模型
数据流的物理传输
层间的逻辑通信
每一层执
行功能并
将信息送
往下一层
每一层执
行功能并
将信息送
往上一层
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
1 应用层 Application Layer 简称 A层
7 表示层 Presentation Layer 简称 P层
5 会话层 Session Layer 简称 S层
4 传输层 Transport Layer 简称 T层
3 网络层 Network Layer 简称 N层
2 链路层 Data link Layer 简称DL层
1 物理层 Physical Layer 简称PL层
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(1)协议实体(Protocol entity )
协议实体简称实体，一个实体就是一个局部系统，n
层实体记作(n)模型各层实体分别记为
:
A-entity;P-entity;S-entity;T-entity
N-entity;DL-entity;PL-entity
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(2)协议机（protocol machine)
协议机是协议实体的代名词，缩写：PM；n层协议机记为
（n）PM；OSI模型各层协议机记为APM，PPM，SPM
，TPM，NPM，DLPM，PLPM
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(3)服务
n层服务是n层全局系统统一行为的一种体现。n层
服务向（n+1）层外部环境提供服务，外部环境使
用n层服务，完成通讯任务。n层的服务记为（n）
-service,OSI 模型各层服务分别记为：A-
Service，P-Service，S-Service，T-
Service，N-service，DL-Service，PL-
service
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(4)服务提供者（service provider）
n层服务的提供者就是n层的局部系统（协议机）
(5)服务的使用者（service user）
n层服务的使用者就是(n+1)层的局部系统，但
不一定是协议机，例如应用层服务的使用者不一定是
协议机，n层服务的使用者称为n层用户。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(6)服务访问（SAP）
服务访问点（Service Access Point）是服务使用者
和服务提供者的界面（观察作用点），n层服务访问点
（n）SAP，OSI模型各层的服务访问点分别记为：ASAP
，PSAP，SSAP，TSAP，NSAP，DLSAP，PLSAP。
(7) 服务原语（service primitive）
服务原语是服务使用者和提供者相互作用的原子行动描
述。所谓原子行动是不能部分执行的行动，要么完全执行，
要么不执行。服务原语描述服务提供者和服务使用者一次原
子交互作用的名称以及各参数的含义。一条服务原语的执行
在访问点引起一个事件，这个事件是一种原子事件
（Atomic event）。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(8)服务规范（Service Spacification）
确切定义了服务使用者和服务提供者之间相互
使用的规则。（例如：服务的执行序列等）
(9)地址（Address）
地址就是服务访问点标识（SAP identifier），n
层地址记为（n）－address，OSI模型层的地址
分别记为：
A－address;P－address;S－address;T－
address N－address;DL－address;PL－
address
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(10)协议（Protocol）
协议是一组n层实体层执行n层功能中相互通信行为
的规则和格式。n层协议记为（n）－protocol，
OSI各层协议分别记为：
A－protocol;P－protocol;S－protocol;
T－protocol;N－protocol
DL－protocol PL－protocol
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(11)协议规范（Protocol Specification）
协议规范用某种语言确切定义了实体之间通信规
则和交换的报文的格式，以及实体利用低层服务的规
则
(12)协议数据单元（PDU）
协议数据单元（Protocol Data Unit）是实体之
间交换的报文。n层协议数据单元记作：（n）PDU
，OSI模型各层的PDU分别记为：
APDU，PPDU，SPDU，TPDU，NPDU，
DLPDU，PLPDU
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
(13)服务数据单元(SDU)
服务数据单元（Service Data Unit）是服务
提供者和服务使用者之间传递的数据单元，n层服务
数据单元记作（n）SDU，OSI各层的SDU分别记
作ASDU，PSDU，SSDU，TSDU，NSDU，
DLSDU，PLSDU。
(14)协议控制信息（PCI)
协议控制信息（Protocol Control
Information）是实体本身产生的控制信息，它是
PDU中一部分，n层协议控制信息记作（n）PCI
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
APCI，PPCI，TPCI，SPCI，NPCI， DLPCI，
PLPCI，(n-
1）SDU=(n)PDU=(n)SDU+(n)PCI
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议的开发过程
协议的开发包括六个过程
协议设计(PDU格式,协议机制,服务原语等设计)
协议描述,用某种语言确切地描述协议元素
协议的验证与性能分析,对所描述的协议验证其正确性,分
析其性能;
协议实现,根据描述的协议产生网络硬软件
协议测试,对实现的协议进行测试
协议维护,对网络软硬件进行维护
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
N层全局系统是一个分布系统,它的行为完全由
n层协议所支配,分布系统的复杂性就是协议的复杂
性.复杂性体现在:
(1)分布性:多个局部系统分布在不同的机器上.
(2)并发性:各个局部系统并发工作
(3)异步性:各个局部系统不能同时观察到事件产生
(4)实时性:局部系统的活动有严格的时序要求和时
间要求。
(5)通道系统的不稳定性
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议开发困难:
(1)网络软件规模大,开发周期长
(2)潜在错误多,排除困难
(3)协议标准化保障困难
(4)软件一致性差
(5)软件可维护性低
由于上述原因,协议开发过程急需要工程化,
提高网络软件生产率，促进标准化的实现，提高
网络软件的可靠性和可维护性。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议工程的研究内容
协议工程的定义剖析
一体化的、形式化的协议开发过程叫——协议
工程。
使协议开发一体化的、形式化的的理论和技术
以及协议工程系统建造技术——协议开发技术（协
议技术或协议工程学）
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
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FDL（Formal
Description Language）连接协议开发的各个阶
段。协议的表示形式有：非形式描述文本；形式描述
文本
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议工程系统包括许多软件工具，包括许多协
议表示。在协议工程中，协议的表示形式有：
非形式描述文本：用自然语言和图表。
形式描述文本：用FDL描述的协议，严密，无二
意，可符号执行，可转换成程序设计语言。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
与机器无关的代码：是由形式描述文本翻译过来的程序。
（pascal,c等），是因为协议的抽象性。
实现代码(Implementation Code)：指协议 实现后的
最终代码。（50%）
测试套具(Test Suit)：一组关于协议测试和测试数据的文
件，它由协议的形式文本产生。测试套具是用另外一种语言描
述的（测试描述语言TTCN）。
转换(Transformation)系统:将协议的非形式化描述文本
转换成形式描述文本。
验证(Verification)系统：对协议进行验证检查，发现并
修改潜在错误。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
性能分析（Performance Analysis）:对协议性能进行
分析评价，修改协议，提高性能。
翻译（Translation)系统：将形式描述文本翻译成源程序
代码。
实现（Implementation）系统：实现是 具体操作系统所
提供的程序开发环境。
测试（Test）系统：测试套具在该系统中 执行，对实现代
码进行测试，分析结果 ，检测错误 ，将错误反馈给实现系
统，修改实现代码。
测试套具生成（Test Suit Generation） 系统:根据协议
的形式描述文件产生测试程序（描述怎样测试）和测试数据，
该系统部分功能可由人工完成。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
一个完整的协议工程系统
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议工程技术可归结为5个方面
（1）协议设计技术(构造、综合、开发)
（2）协议模型及形式描述技术
（3）协议验证分析技术
（4）协议实现技术
（5）协议测试技术
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议设计技术
协议设计不同于协议标准的制定，协议标准
制定是设计出协议所必须完成的功能和应该提供
的服务，然后求得在某个范围内的认可和统一协
议标准是用自然语言描述的。
协议设计要求有不同含义：
（1）是指协议设计过程
（2）亦指协议经过严格验证和性能分析之后就
完成了设计任务。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
无论哪种含义的协议设计，都涉及两个共同技术问
题：
（1）环境分析方法
（2）协议设计方法
n层全局系统就是N层协议设计环境，N层环境的
分析包括四个内容：
（1）n层实体实现哪些功能？
（2）向（n+1)层提供什么样服务
（3）对n层言，（n-1)层的全局系统被映射成通
道，这个通道的特性是什么。
（4）n层包括多少实体，它们采取什么方式
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议模型及形式描述技术
协议的形式描述是指采用某种形式描述语言模
型无二义地描述协议的各元素。包括语法，语义和
时序。以便验证所设计协议的逻辑正确性和是否具
有良好的性质。
协议模型及形式描述技术涉及两个研究课题
（1）用什么数学模型和逻辑模型表示n层局部系统，
通道系统，全局系统以及他们之间的相互作用。
（2）设计基于一种或多种数学逻辑的形式描述语言
（FDL）
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议验证和分析技术
协议的正确性验证，试图在协议开发的前期最
大限度地检测和纠正协议错误和缺陷。
这些错误包括：死锁、活锁、不可执行。
协议验证技术可分三类：
（1）可达性分析
（2）逻辑证明
（3）模拟验证
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议性能分析
主要的性能指标包括：吞吐量和时延。性能分
析的目的旨在改善协议机制，提高执行效率，可用
数据分析方法和模拟方法来执行。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议实现技术
协议实现是抽取面向实现的协议功能描述，
把所设计的协议用程序语言或硬件方式变成可执
行代码，它与实现环境，例如计算机操作系统，
通信媒体以及编程工具直接相关。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议测试技术
协议测试分为一致性测试和综合测试两大部分。
一致性测试验证用协议实现得到的软件代码是否和协
议设计中所要求的功能相一致，综合测试网络各部分
是否按照协议规定协调工作。一致性测试和综合测试
都必须在分布式环境或网络环境下进行。这一点不同
于软件设计。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议开发工具
协议开发工具分为三类
（1）协议设计工具
（2）协议实现工具
（3）协议测试工具
协议设计工具
协议设计工具包括：文本生成、静态分析、性能
分析、文本转换工具五种
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议实现工具
协议实现工具主要由各种翻译程序和子程序库组
成，它向协议实现者提供一组半自动化工具。这
类工具包括翻译程序，协议数据单元支撑程序，
子程序库三种。
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第一章第一章 协议工程概论协议工程概论
协议测试工具
协议测试工具包括测试系统本身，以及分析工具和
测试套具
