1. Fakultät Informatik, Institut für Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Falk HartmannWissenschaftlicher Vortrag im Rahmen des Promotionsverfahrens Dresden, 1. Juli 2011

2. Agenda Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 2

3. Agenda Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 3

4. Kommunikationsprotokoll (1) Basically, a protocol is an agreement between the communicating parties on how communication is to proceed. [Tanenbaum und Wetherall, 2010] A well-defined set of messages […] each of which carries a defined meaning (semantics), together with the rules governing when a particular message can be sent. [Larmouth, 2000] Ein Kommunikationsprotokoll ist eine Verhaltenskonvention, die die zeitliche Abfolge der Interaktionen zwischen den diensterbringenden Instanzen vorschreibt und die Formate (Syntax und Semantik) der auszutauschenden Nachrichten definiert. [König, 2003] Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 4

5. Kommunikationsprotokoll (2) Ein Kommunikationsprotokoll beschreibt die Abläufe bei der Kommunikation zwischen zwei (oder mehr) Kommunikationspartnern und die Syntax und Semantik der zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauschten Botschaften. Typische Merkmale - Zeitabhängiges Verhalten Timeouts - Nichtdeterminismus Gleichzeitigkeit mehrerer Ereignisse (Botschaften, Timeouts...) Mehrere Folgereaktionen auf ein Ereignis Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 5

10. Halbduplex (zu jedem Zeitpunkt nur eine Richtung)

11. Duplex (gleichzeitig in beide Richtungen)Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 6

12. Anwendungsgebiete Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 7

13. Schichtenarchitekturen Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 8

14. Verhältnisse zwischen den Schichten Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 9

15. Dienstprimitive Benennung nach ISO/OSI-Notation [<Schicht>]<Name> <Typ>([<Parameter>{,<Parameter>}]) Typen request – Anfordern eines Dienstes an Dienstzugangspunkt A indication – Anzeige am Partner-Dienstzugangspunkt B response – Antwort am Partner-Dienstzugangspunkt B confirm – Bestätigung der Diensterbringung an Dienstzugangspunkt A Beispiele TCONNECT request(remoteHost, remotePort, localHost, localPort) Vereinfachungen TCONNECTrequ(...) – übliche Verkürzung CONNECTrequ(...) – wenn Schicht eindeutig Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 10

16. Entwicklungsphasen TODO Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 11 nach [König, 2003]

17. Agenda Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 12

19. Abstrakte Syntax

20. Beschreibung der zu übertragenden Botschaften

21. Transfersyntax (≙ konkrete Syntax)

22. Beschreibung der Abbildungen

24. Deklarative Ansätze (ASN.1, Protocol Buffers)

25. Algebraische Ansätze (ACT ONE)Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 13

27. Beschreibung durch Grammatik

28. Kodierung manuell oder durch generierten Code

29. Dekodierung durch generierten Code (Parser-Generator)

30. XML

31. Beschreibung durch XML Schema

32. Kodierung/Dekodierung durch generierten Code (Binding-Technologien wie JAXB/JAXWS) oder XML-APIs wie DOM, SAX oder StAX

33. Binär

34. Beschreibung durch ASN.1 oder Protocol Buffers

35. Kodierung/Dekodierung manuell oder durch generierten CodeProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 14

37. ASN.1 definiert abstrakte Syntax, also in Botschaften zu transportierende Daten unabhängig von ihrer konkreten Darstellung

38. Analogie zu IDLs

39. Encoding Rules

40. definieren Übersetzung in Transfersyntax

41. existieren für binäre, textuelle und XML-basierte Transfersyntax

42. Nachbildung nicht mit ASN.1 definierter Botschaften nur bedingt möglich

44. Standardisierung als ISO 8824/8825 (1987)Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 15

46. Parametrisierte Typen

47. Datentyperweiterbarkeit

49. SEQUENCE/SEQUENCE OF

50. SET/SET OF

51. CHOICE

52. ENUMERATED

54. Beispiel: TCP Segment Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 17

55. ASN.1 (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 18

57. Metainformationen werden nahezu komplett übernommen

58. TLV : Type, Length, Value

59. Sehr gute Eignung als Transfersyntax

60. Encoding erzeugt in der Regel relativ große PDUs ->Packed Encoding RulesBeispiel TCP Packet von Port 56237 zu Zielport 4444 Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 19 Type: 02 = Integer, Length: 02 = 2 Byte, Value: 0x115c = 4444

62. Metainformationen werden als dem Dekodierer bekannt vorausgesetzt

63. Abkehr von TLVBeispiel TCP Packet von Port 56237 zu Zielport 4444 Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 20 Value: 0x115c = 4444

65. Typsystem definiert Typen aus Sicht der Transfersyntax

66. Werkzeugunterstützung

67. Definition von Abbildungen auf Typsysteme der Zielsprachen (C++, Java, Python)

68. Entworfen für die Codegenerierung

69. Platzsparende Kodierung

70. durch Kodierung mit variabler Länge („varint“)

71. Nicht geeignet zur Nachbildung von mit anderen Mitteln definierten Botschaften

73. Aktuelle Version 2.4.1Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 21

75. Einbettung von Botschaften

76. Default-Werte und Optionalität/Wiederholung möglich

78. Strings (UTF-8/ASCII)

79. Boolean

80. Float/Double

82. Agenda Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 23

84. Zustandsübergangsdiagramme

86. Prozessalgebren

88. SDLProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 24

90. basierend auf OSI-Zeitablaufdiagramme und ISDN Information Flow Diagrams

91. MSC´92: Normierung durch ITU-T in der Empfehlung Z.120

92. MSC´96: Denotationelle Semantik basierend auf Prozessalgebren

93. MSC´2000: Datentypen, entfernte Methodenaufrufe, Objektorientierung

95. Message Sequence Charts (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 26

97. Verwendung zur Abbildung von Protokollabläufen verbreitet [Stevens, 1993]

99. Zustandsübergangsdiagramm (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 28 nach [Stevens, 1993]

101. Breite Anwendung im Bereich der Prozessalgebren

102. Vermutliche erste Verwendung in [Hoare, 1985]Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 29

104. Mealy-Automat: Ein- und Ausgaben sind mit den Übergängen assoziiert

105. Timed Automata

106. Erweiterung um Zeitbegriff („Uhren“)

107. Übergänge können Uhren setzen bzw. vom Wert der Uhren abhängenProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 30

109. mittels Strukturdiagramm (Außensicht)Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 31

111. Calculus of Communicating Systems (CCS) [Milner, 1980]

113. Abbildung auf Protocol Engineering

114. Kommunikationspartner ≙ Prozess

115. Dienstprimitivaufrufe und Botschaftsversand-/empfang ≙ AktionProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 32

117. Prozessalgebren erlauben die Verifikation wichtiger Eigenschaften

118. Safety

119. „Nichts Negatives wird passieren.“

120. In jedem Zustand des Gesamtmodells kann keine Aktion auftreten, für die es keinen Folgezustand gibt.

121. Progress

122. „Etwas Positives wird irgendwann passieren.“

123. In jedem Zustand des Gesamtmodells wird eine der zulässigen Aktionen eventuell auftreten.

124. Gegenteil zur StarvationProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 33

125. Prozessalgebren (Syntax) Prozessbeschreibung Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 34

126. Prozessalgebren (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 35

127. Prozessalgebren (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 36

128. Prozessalgebren (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 37

129. Prozessalgebren (Beispiel) Prüfung von Safety und Progress-Eigenschaft - Naive Implementierung des TCP-Zustandsübergangsdiagramms Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 38 Problem 1: Aktionen, die nur sendend auftreten! Problem 2: Namensgleichheit zwischen ACK für SYN und FIN. Problem 3: Kanalmodellierung für simultanes Schließen nötig!

131. Temporal Logic of Actions [Lamport, 1993]

133. Zeitliche Ordnung von Ereignissen vs. absolute Zeit

134. Anwendung in der Protokollmodellierung zur Spezifikation und Prüfung von Liveness-Eigenschaften

135. Zeitliche Operatoren

136. □ always/immer

137. ◊ eventually/irgendwannProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 39

141. Grundkonzepte:

142. Prozessalgebren, insbesondere CCS [Milner,1980]

143. Erweiterung um Unterbrechungen

144. Algebraische Botschaftsbeschreibung mittels ACT ONE

146. Erweiterung um Grafische Variante GLOTOS als ISO 8807/AM1Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 41

148. Grundkonzepte

149. Zustandsautomaten für Prozesse (Agenten)

150. Semantik basierend auf CSP [Hoare, 1978]

151. Botschaftsmodellierung typischerweise basierend auf ASN.1

152. Standardisierung als ITU-T Z.100

153. Graphische (SDL/GR) und textuelle Variante (SDL/PR)

154. Integration von MSC

157. SDL ´88: Klare Grammatik und Semantik

158. Aktuelle Version SDL 2000Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 42

159. Agenda Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 43

161. Verbreitung auf spezielle Bereiche beschränkt

162. ASN.1 und SDL relativ verbreitet in der Telekommunikation

163. Hoher Einarbeitungsaufwand

165. Verifikation von Sicherheitsprotokollen

166. Verifikation der ProtokollimplementierungProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 44

168. ASN.1

169. Verbesserter Tool-Support z.B. ASN1Compiler (Objective Systems)

170. Neue Einsatzbereiche, z.B. Medical Device Encoding Rules (ISO/IEEE 11073) zum Vitaldatenaustausch im medizinischen Gerätebau [Schrenker und Cooper, 2001]

171. Protocol BuffersProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 45

173. Sprache zur Beschreibung asynchroner Protokolle

174. Vorgehen

175. Beschreibung des Protokolls in TAP

176. Verifikation der Protokollbeschreibung

177. Umsetzung in implementierungsfreundliches Protokollmodell

178. Generierung von Protokoll-Stubs in C

179. Garantiert Übertragung der verifizierten Eigenschaften der Spezifikation in die Implementierung Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 46

181. Generiert Java-Code

183. Entwicklung eines UML-Profiles für SDL (neue Version 2009)

184. Kauf von Telelogic zu IBM (Tau SDL Suite)Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 47

186. Modellierung der Kommunikationspartner und eventueller EindringlingedurchProzessalgebren, z.B. CSP [Ryan und Schneider, 2000]

187. Abbildung der gewünschten Protokolleigenschaften in temporallogische Formeln

189. CASPER-Compiler: Generierung von Spezifikationen für Model Checker, z.B. FDR (Formal Systems)

192. Übersetzungder (Java-)Implementierung in Prädikatenlogikmittels Kontrollfluss-Analyse

193. Übergabe an ATP mittels Austauschformat

195. Ziel: Berechnung eines konsistenten Global-Health-Vector

196. Portierung auf Time-Triggered-Architecture

197. Modellierung und Analyse der Konsistenzbedingung mittels SAL

198. Fehlverhalten auf Time-Triggered-Architecture

199. Lösung: Read- und Send-Alignment zur Resynchronisation der verfügbaren InformationProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 49

200. Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 50

201. Agenda Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 51

202. Standardisierungsorganisationen Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 52

203. Abkürzungen (1) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 53

204. Abkürzungen (2) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 54

205. Konferenzen Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 55

206. Literatur (1) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 56

207. Literatur (2) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 57

208. Literatur (3) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 58

209. Literatur (4) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 59

210. Literatur (5) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 60

211. Beispiel: HTTP und seine Grundlagen Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 61

213. Botschaften als abstrakte Datentypen, welche algebraisch beschrieben werden

214. Sorten (natürliche Zahlen)

215. Operatoren (Addition)

216. Gleichungen (Kommutativität der Addition)

217. Keine Abbildung in konkrete Syntax definiert

219. Standardisiert als Anhang zur Spezifikation ISO 8807 (LOTOS)Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 62

220. ACT ONE (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 63

222. Beispielhafte Darstellung

223. Keine formale Grundlage

224. Weiterentwicklung und Standardisierung als Message Sequence ChartsProtocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 64

225. Zeitablaufdiagramm (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 65 nach [König, 2003]

226. Zustandsübergangsdiagramm (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 66 Ausschnitt zeigt Übergänge aus der Sicht des Initiators, welcher die Verbindung auch aktiv schließt. nach [Stevens, 1993]

228. Zuordnung der Kodierung/Dekodierung zu den einzelnen Elementen der abstrakten Syntax

230. Graphische Syntax [Schmidt 2010]Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 67

231. Endliche Zustandsautomaten (Beispiel) Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 68

232. spi2java Protocol Engineering: Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen Folie 69