第3章-协议形式化描述技术(1-概述及FSM)课件

言ACT ONE
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
11
模型 vs. 语言（续）
❖ 模型与语言的差别不是很明显。不同文献有不同 的说法。
➢ 将模型与语言分开 ➢ 一些文献中的模型在另一些文献中成为语言或相反 ➢ 将模型与语言不分，统称为形式化描述技术
❖ 事实上，模型也可以看成是一种形式语言
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
19
Finite State Machines (FSMs)
二、形式化定义
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
20
FSM: Formal Definition
❖FSM is 5-tuple: FSM = (S, s0, I, , F), where
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
9
Model of Computation
❖A MoC is a framework in which to express what sequence of actions must be taken to complete a computation
❖Need to distinguish between model and language ❖Language needs to
➢ be expressive enough for application domain (write things once…)
➢ have semantics in desired MOC
ouOtUpuTtPsUTS
nexNt EXT staSteTATE
❖Finite state machines consist of:
➢ States ➢ Input Events (or Signals, or Messages) ➢ Transition Functions
➢ Output Events
➢ ：S I 2S是状态转换函数，如果在某一确定的时刻， FSM处于某一状态si S, 并接收一个输入字符aj I，那么下 一时刻将处于一个某一个状态子集= (si , aj) = {p0, p1, …, pk}(pi S, I=1,2,…,k)。在这里规定，s = (s , )，即对任何状 态s，当读入空字符时，有很状态机不发生任何状态转移。
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
6
FDTs: Classification (Cont.)
❖ 形式描述语言(FDL)
➢ ISO制定的Estelle和LOTOS ➢ CCITT制定的SDL ➢ ISO的ASN.1(抽象语法记法) ➢ 对象管理组织OMG制定的统一建模语言UML ➢ ISO的抽象测试集描述语言的TTCN ➢ 高级程序设计语言，如Pascal, C, PL/1
❖ Transition Function produces the Output and Next State depending on Current State and Input Event
❖ While in particular state FSM is not active. It is waiting for an input to perform next activity
❖ 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。
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
I，那 S。在
这里规定，s = (s , )，即对任何状态s，当读入空字符
时，有很状态机不发生任何状态转移。
➢ s0 S是初始状态，FSM由此状态开始接收输入
➢ F S是一个终态集（可空），FSM到达终态后不再接 收输入
❖ 确定有限状态机也称为DFA（确定有限自动机）
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
一、概 述
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
16
Finite State Machines (FSMs)
INPinUpTut EVEevNeTnSts
CURRcuErNreTnt STAsTtEate
trTarnasnitsioitnion fuFnucnticotnion
SstTaAteTE
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
18
FSM Transitions
input events
current state
transition function
state
outputs
next state
❖ Triggered by input events the FSM moves from one state to other based on the Transition Function
➢ 例如：将协议中的主要状态用变迁用图形表示(有限状 态机或Petri网)，而协议的其他细节则用高级语言描述。 这样使得协议的描述和验证都比较方便。
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
14
内容提要
1 概述 2 FSM
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
15
Finite State Machines (FSMs)
• 便于协议的实现 • 大多数比较复杂、分析起来比较困难，且不支持非
确定性的描述。
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
7
模型 vs. 语言
❖模型
➢ 含义一：对象或系统的抽象
• OSI/RM：网络系统的抽象模型
➢ 含义二：描述对象或系统的方法或技术
• FSM • PetriNet
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
➢ 文法：描述语言的语法结构的形式规则（即语法规则） ➢ Turing 机(无限自动机)的能力相当于0型文法 ➢ 有限自动机相当于正规文法（3型文法Hale Waihona Puke Baidu ➢ 模型是语言的一个实例(Instance)（语义），例如C语
言编译器是C语言的模型
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
12
Models Of Computation and languages
❖ Next State
➢ State which will machine have after processing an input event. Next State can be same as current
❖ Start State
➢ State in which machine will be when created
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
5
FDTs: Classification
❖ 形式描述模型(FDM)
➢ 状态变迁模型
• 有限状态机FSM(Finite State Machine) • 扩展的有限状态机EFSM(Extended FSM)模型 • 通信有限状态机CFSM(Communicating FSM)模型 • Carl Adam Petri的Petri网(PetriNet)
➢ s0 S是初始状态，FSM由此状态开始接收输入 ➢ F S是一个终态集（可空），FSM到达终态后不再接收输入
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
22
FSM: Formal Definition (Cont.)
❖ 在一些情况下，如果讨论问题的重点集中在FSM 的状态集(S)、输入集(I)和状态转换函数()上。这 时可用如下两种方式来表示FSM：
8
Functions vs. Computation
❖Functions specify only a relation between two sets of variables (input and output)
❖Computations describe how the output Variables can be derived from the value of the input variables.
4
FDTs：特性
❖ 用于协议的FDT一般应具有如下重要特性：
➢ 完整的语法和语义定义 ➢ 体系结构、服务和协议的可表达性 ➢ 协议重要特性(如，无死锁)的可分析性 ➢ 支持复杂协议的管理(如，构造能力) ➢ 支持逐步求精的方法 ➢ 支持实现独立性(包括并发性、非确定性和适当的抽
象机制) ➢ 支持协议生命期的各环节，包括验证、实现和测试 ➢ 支持自动或半自动设计、验证、实现和维护方法 ➢ 应能准确地描述进程交互的各种原语
➢ 时态逻辑TL(Temporal Logic) ➢ 进程代数(Algebra of Process)
• R.Miler：通信系统演算CCS (Calculus of Communication System)（进程代数据的基础）
• Hoare：通信顺序进程CSP (Communicating Sequential Processes)（以CCS为基础）
第3章-协议形式化描述技术(1-概述及FSM)课件
南京邮电大学
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
FDTs：Aims
❖ 采用形式描述技术的目的是：
➢ 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。
❖An instance of a model of computation is a representation of a function under a particular interpretation of its constituents
❖Not necessarily a bijection (in fact almost never!) ❖Examples: Finite State Machine, Turing Machine,
➢ SFS=M{s只0, 能s1,处…于, s一n}:个有确限定状的态状集态合si。。在任一确定时刻，
➢ I刻=，{aF0S, Ma1,只…能, a接m}收: 有一限个输确入定字的符输集入合aj。。在任一确定的时 ➢ ：S I S是状态转换函数，如果在某一确定的时刻，
F么S下M一处时于刻某将一处状于态一si 个S确, 并定接的收状一态个s´输= 入(s字i ,符aj)aj
❖MOC needs to
➢ be powerful enough for application domain ➢ have appropriate synthesis and validation algorithms
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
13
FDTs: 小结
❖ 实际应用时，往往是将多种形式描述技术混合起 来使用。
21
Non deterministic FSM (or NFA)
❖NFSM is 5-tuple: FSM = (S, s0, I, , F), where
➢ S = {s0, s1, …, sn}: 有限状态集合。在任一确定时刻，FSM只 能处于一个确定的状态si。
➢ I = {a0, a1, …, am}: 有限输入字符集合。在任一确定的时刻， FSM只能接收一个确定的输入aj。
differential equation
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
10
模型 vs. 语言（续）
❖ 形式语言
➢ 具有严格的语法和语义 ➢ 可以精确、完全地表述协议的功能、性能及行为等 ➢ 以一种或多种数学方法或形式模型为基础
• SDL：基于扩展的FSM和抽象数据类型 • Eetelle：基于扩展的FSM，是Pascal语言的扩充 • LOTOS：基于通信系统演算（CCS）和抽象数据类型语
第3章 协议形式化描述技术(1－概述及FSM)
17
Finite State Machine States
input events
outputs transition function
current state
state
next state
❖ Current State
➢ State which determines the current behavior of the machine