CN102685128B

CN102685128B - 一种基于状态机的协议构造方法

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Publication number: CN102685128B
Application number: CN201210141631.6A
Authority: CN
Inventors: 沈军; 范文; 彭殷路; 韩涛
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102685128A

Abstract

一种基于状态机的协议构造方法，通过分析协议的语法、语义和时序，将协议抽象为一组服务和状态，每一种服务对应一个基本的网络功能单元，每一种状态对应协议逻辑运行所处的阶段，通过状态机模型对协议的逻辑过程进行描述，生成状态转移表，根据生成的状态转移表，控制各个服务的运行，由此动态地构造协议实例并控制其运行。相对于传统的协议构成方法，可以降低协议部署、维护的复杂性和成本，提高其灵活性和扩展性，使协议发展可以动态地适应应用需求的变化。

Description

一种基于状态机的协议构造方法

技术领域

本发明属于计算机网络技术领域，为动态地生成网络通信协议提供方法，为一种基于状态机的协议构造方法。

背景技术

网络协议定义为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议的构造是基于具体应用的需求和网络的条件。目前广泛应用的协议是TCP/IP协议族，其中协议的构造方法主要是根据需求手工设计并实现协议，采用静态部署方式。这种方法针对某种特定的网络和应用，可以设计出高性能的协议，但是开发周期长、费用高、部署复杂，而且维护的费用也很昂贵。当应用需求发生变化时，协议无法动态地调整以适应需求的扩展。

发明内容

为了克服传统协议构造方法开发周期长、维护难度大的不足，本发明提供一种基于状态机的协议构造方法，该方法不仅简化协议的构造过程，而且提供一种通用的协议构造及动态部署方法，可以让协议动态地适应应用需求的变化。

本发明的技术方案为：一种基于状态机的协议构造方法，分析协议的语法、语义和时序，所述语法指数据与控制信息的结构或格式，语义指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，时序指事件实现顺序的详细说明；将协议抽象为一组服务和状态，每一种服务对应一个基本的网络功能单元，每一种状态对应一个协议逻辑运行所处的阶段，抽象出服务和状态后，对协议的状态变迁情况进行分析，得到状态变迁条件，并将状态变迁条件抽象为信号，运用状态机模型对协议进行形式化描述，对于无状态变迁的协议，使用一个统一的状态机描述；对于存在状态变化的协议，根据其规范标准进行描述；对于构造的新协议，根据其需求分析并构建该协议所使用的基本数据和信息的结构，定义各个信息所需要完成的动作、做出的响应，以及各个状态间的基本时序，从而对该协议进行形式化描述；最后，根据描述的状态机模型动态地构造协议实例并控制其运行：

将协议的状态机模型转换为状态转移表。状态转移表包含四个属性，分别为当前状态、输入信号、跳转状态和执行的服务，每一个状态转移对应一组四个属性，所述属性的内容为上述抽象得到的服务、状态和信号，属性的对应关系根据逻辑过程和状态变迁条件确定；构造协议过程中，当协议处于状态转移表中的当前状态并收到对应的输入信号，则改变自己的当前状态为对应的跳转状态，同时调用对应执行的服务，即协议的下一状态和所调用的服务取决于当前状态和输入信号，由此动态构造协议实例，并控制其运行。

状态机模型的形式化描述如下，其中Q代表抽象出来的状态的有限集合、S代表抽象出来的服务的有限集合、Σ代表抽象出的信号的有限集合、T代表状态转移的对应函数、S代表服务执行的对应函数：

Q={q₀,q₁,q₂,...q_n}是有限状态集合；

Σ={σ₁,σ₂,σ₃,…,σ_m}是有限输入信号集合；

S={s₁,s₂,s₃,...,s_r}是有限服务集合；

T：Q×Σ->2^Q是状态转移函数；

F：Q×Σ->S是执行服务函数；

q₀∈Q是初始状态；

T(q,σ)=a表示当进入状态q，并得到输入信号为σ时则进入下一状态a；F(q,σ)=s表示当进入状态q，并得到输入信号为σ时则执行服务s；当输入串为{σ₁，σ₂,σ₃,...,σ_m}时，设T(q₀,σ₁)=q₁,T(q₁,σ₂)=q₂，…，T(q_i-1,σ_i)=q_i，…，T(q_n-1,σ_n)=q_n，这时的执行服务序列为F(q₀,σ₁)，F(q₁,σ₂)，...，F(q_i-1,σ_i)，...，F(q_n-1,σ_n)。

对于状态变迁需要执行多个服务的情况，将抽象出的服务保存于一个服务队列中，对服务队列中的每个服务设置其优先等级，当状态变迁时根据优先级依次执行服务，具有最高优先级的服务最先执行。

本发明的有益效果是，简化协议的构造过程，降低协议部署、维护的复杂性，可以让协议动态地适应应用需求的变化。

传统的协议构造方法建立在层次型网络的基础上，是针对某种特定的网络或应用，经过专门的标准化组织讨论制定标准，再通过编码实现，最后部署到实际网络环境中。传统的协议构造方法开发周期比较长，费用比较高。随着新增技术和网络需求层出不穷，新增的功能不能安装在特定的层次上，需要不同层次通过复杂机制协调完成，甚至需要增加层次，这就给新协议的部署带来了很大的困难，而且很难避免功能上的冗余。当对协议进行维护时，需要对相关联的协议同步维护，复杂性较高。

本发明基于状态机的构造方法，首先将网络中的基本功能抽象成服务，避免以后功能上的冗余，并且隐藏了实现的技术细节。再根据协议的语法、语义、时序，建立相应的状态机模型，构造协议的过程即建立状态机模型的过程，开发周期短，费用低。网络环境中协议总是根据状态机模型动态地运行。当应用需求发生变化时，只需要对相应的状态机模型进行修改，而不需要对网络环境中的具体实现部分进行修改，降低了协议部署、维护的复杂性。

附图说明

图1是本发明无状态变迁协议的状态机模型示意图。

图2是本发明建立连接的状态机模型示意图。

图3是本发明协议构造的流程图。

具体实施方式

如图3所示，本发明方法首先将协议的逻辑过程进行抽象，生成不同的服务和状态，抽象协议逻辑过程是指分析协议的语法、语义和时序，所述语法指数据与控制信息的结构或格式，语义指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，时序指事件实现顺序的详细说明。将协议抽象为一组服务和状态，每一种服务对应一个基本的网络功能单元，例如分片、加密、流量控制等；每一种状态对应协议逻辑运行所处的阶段。抽象出服务和状态后，对协议的状态变迁情况进行分析，得到状态变迁条件并进一步抽象为信号。根据这些抽象出的元素，运用状态机模型，对协议的逻辑过程进行描述。状态机模型的形式化描述如下：

Q={q₀,q₁,q₂,...q_n}是有限状态集合；

Σ={σ₁,σ₂,σ₃,…,σ_m}是有限输入状态集合；

S={s₁,s₂,s₃,...,s_r}是有限服务集合；

T：Q×Σ->2^Q是状态转移函数；

F：Q×Σ->S是执行服务函数；

q₀∈Q是初始状态。

其中Q代表抽象出来的状态的有限集合、S代表抽象出来的服务的有限集合、Σ代表抽象出的信号的有限集合、T代表状态转移的对应函数、S代表服务执行的对应函数，T(q,σ)=a表示当进入状态q，并得到输入信号为σ时则进入下一状态a。F(q,σ)=s表示当进入状态q，并得到输入信号为σ时则执行服务s。当输入串为{σ₁，σ₂,σ₃,...,σ_m}时，设T(q₀,σ₁)=q₁,T(q₁,σ₂)=q₂，…，T(q_i-1,σ_i)=q_i，…，T(q_n-1,σ_n)=q_n。这时的执行服务序列为F(q₀,σ₁)，F(q₁,σ₂)，...，F(q_i-1,σ_i)，...，F(q_n-1,σ_n)。

在形式化描述的基础上，生成状态转移表。状态转移表包含四个属性，分别为当前状态、输入信号、跳转状态、所执行的服务。运行过程中当协议处于状态转移表中的当前状态并收到对应的输入信号，便改变自己的当前状态为跳转状态，同时调用对应服务。协议的下一状态和所调用的服务取决于当前状态和输入信号。对于某个状态需要执行多个服务的情况，使用一个服务列表保存需要执行的服务。状态发生改变时依次执行每个服务。根据生成的状态转移表，控制各个服务的运行，由此动态构造协议实例，并控制其运行。

下面通过具体实例来说明本发明的实施。对于简单的无状态变迁的协议，可以是传统协议也可以是新构造的协议，我们采用图1所示的状态机模型。实线箭头表示客户端的状态变迁，虚线箭头表示服务端的状态变迁。对于Server服务端，初始处在CLOSE关闭状态，在收到SERVER_START启动信号后便变迁到LISTEN监听状态，并执行服务s1；处在LISTEN监听状态时如果收到DONE完成信号，就变迁到CLOSE关闭状态，此时执行的服务为NULL，表示不执行任何服务。对于Client客户端，初始处在CLOSE关闭状态，在收到CLIENT_START启动信号后便变迁到SENT发送状态，并执行服务s2和s3；处在SENT发送状态时如果收到DONE完成信号，就变迁到CLOSE关闭状态。状态机模型的形式化描述为：

1）有限状态集合Q={CLOSE,LISTEN,SENT}；

2）输入状态集合Σ={SERVER_START，CLIENT_START，DONE}；

3）有限服务集合S={s₁，s₂，s₃}；//这里的s₁、s₂、s₃并不特指某个具体的服务，是根据实际需求产生的。它可以代表传统协议的一个功能，也可以代表根据需求生成的新协议的某个功能。

4）状态转移函数T：

T(CLOSE,SERVER_START)=LISTEN，

T(CLOSE,CLIENT_START)=SENT，

T(LISTEN,DONE)=CLOSE，

T(SENT,DONE)=CLOSE，

5）执行服务函数F：

F(CLOSE,SERVER_START)=s₁，

F(CLOSE,CLIENT_START)=s₂+s₃，

6）CLOSE为初始状态

根据状态机模型，进一步生成状态转移表，如表1所示。

表1

当前状态	输入信号	跳转状态	所执行的服务
				CLOSE	SERVER_START	LISTEN	s₁
CLOSE	CLIENT_START	SENT	s₂+s₃
				LISTEN	DONE	CLOSE	NULL
SENT	DONE	CLOSE	NULL

协议实例根据表1所示的状态转移表动态地运行。

对于存在状态变化的协议，例如TCP协议，根据其规范标准进行描述.图2所示为一个常见的TCP协议三次握手建立连接的状态机模型，首先将建立连接的过程抽象，生成各个状态、服务和信号。形式化描述为：

1）有限状态集合Q={CLOSE,SYN_RECEIVE,SYN_SENT,ESTABLISH}

2）输入状态集合Σ={σ₁，σ₂，σ₃，σ₄，σ₅，σ₆}

3）有限服务集合S={s₁，s₂，s₃，s₄}

4）状态转移函数T：

T(CLOSE,σ₁)=SYN_SENT //σ₁表示发送SYN

T(SYN_SENT,σ₂)=ESTABLISH //σ₂表示收SYN，ACK，发ACK

T(CLOSE,σ₃)=LISTEN； //σ₃表示服务端开启

T(CLOSE,σ₄)=SYN_RECEIVE, //σ₄表示收SYN，发SYN，ACK

T(SYN_RECEIVE,σ₅)=ESTABLISH, //σ₅表示收ACK

T(SYN_RECEIVE,σ₆)=LISTEN, //σ₆表示收RST

5）执行服务函数F：

F(CLOSE,σ₁)=s1 //s₁表示定时器服务

F(SYN_SENT,σ₂)=s₂+s₃+s₄

//s₂表示分片服务，s₃表示滑动窗口，s₄表示拥塞控制

6）CLOSE为初始状态

根据状态机模型，进一步生成状态转移表，如表2所示。

表2

当前状态	输入信号	跳转状态	所执行服务
				CLOSE	σ₁	SYN_SENT	s₁
CLOSE	σ₃	LISTEN	s₁
				CLOSE	σ₄	SYN_RECEIVE	s₁
SYN_SENT	σ₂	ESTABLISH	s₂+s₃+s₄
				SYN_RECEIVE	σ₅	ESTABLISH	s₂+s₃+s₄
SYN_RECEIVE	σ₆	LISTEN	s₁

TCP建立连接实例根据表2所示的状态转移表动态地运行。

Claims

1.一种基于状态机的协议构造方法，其特征是分析协议的语法、语义和时序，所述语法指数据与控制信息的结构或格式，语义指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，时序指事件实现顺序的详细说明；将协议抽象为一组服务和状态，每一种服务对应一个基本的网络功能单元，每一种状态对应一个协议逻辑运行所处的阶段，抽象出服务和状态后，对协议的状态变迁情况进行分析，得到状态变迁条件，并将状态变迁条件抽象为信号，运用状态机模型对协议进行形式化描述，对于无状态变迁的协议，使用一个统一的状态机描述；对于存在状态变化的协议，根据其规范标准进行描述；对于构造的新协议，根据其需求分析并构建该协议所使用的基本数据和信息的结构，定义各个信息所需要完成的动作、做出的响应，以及各个状态间的基本时序，从而对该协议进行形式化描述；最后，根据描述的状态机模型动态地构造协议实例并控制其运行：

将协议的状态机模型转换为状态转移表，状态转移表包含四个属性，分别为当前状态、输入信号、跳转状态和执行的服务，每一个状态转移对应一组四个属性，所述属性的内容为上述抽象得到的服务、状态和信号，属性的对应关系根据逻辑过程和状态变迁条件确定；构造协议过程中，当协议处于状态转移表中的当前状态并收到对应的输入信号，则改变自己的当前状态为对应的跳转状态，同时调用对应执行的服务，即协议的下一状态和所调用的服务取决于当前状态和输入信号，由此动态构造协议实例，并控制其运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于状态机的协议构造方法，其特征是状态机模型的形式化描述如下，其中Q代表抽象出来的状态的有限集合、S代表抽象出来的服务的有限集合、Σ代表抽象出的信号的有限集合、T代表状态转移的对应函数、F代表服务执行的对应函数：

Q＝{q₀,q₁,q₂,…q_n}是有限状态集合，n表示有限状态集合的元素个数；

Σ＝{σ₁,σ₂,σ₃,…,σ_m}是有限输入信号集合，m表示有限输入信号集合的元素个数；

S＝{s₁,s₂,s₃,…,s_r}是有限服务集合，r表示有限服务集合的元素个数；

T：Q×Σ->2^Q，T是状态转移函数；

F：Q×Σ->S，F是执行服务函数；

q₀∈Q是初始状态；

T(q,σ)＝a表示当进入状态q，并得到输入信号为σ时则进入下一状态a；F(q,σ)＝s表示当进入状态q，并得到输入信号为σ时则执行服务s；当输入串为{σ₁，σ₂,σ₃,…,σ_m}时，设T(q₀,σ₁)＝q₁,T(q₁,σ₂)＝q₂，…，T(q_i-1,σ_i)＝q_i，…，T(q_n-1,σ_m)＝q_n，这时的执行服务序列为F(q₀,σ₁)，F(q₁,σ₂)，…，F(q_i-1,σ_i)，…，F(q_n-1,σ_m)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于状态机的协议构造方法，其特征是对于状态变迁需要执行多个服务的情况，将抽象出的服务保存于一个服务队列中，对服务队列中的每个服务设置其优先等级，当状态变迁时根据优先级依次执行服务，具有最高优先级的服务最先执行。