CN103647765A

CN103647765A - 一种基于uml顺序图和拓扑图描述网络协议的图示方法

Info

Publication number: CN103647765A
Application number: CN201310631137.2A
Authority: CN
Inventors: 周小波; 孙王强; 赵云飞; 龙威
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Techenergy Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Techenergy Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开一种基于UML顺序图和拓扑图描述网络协议的图示方法，首先分析UML顺序图中的各元素信息，以及网络拓扑图中信道信实体之间信道的链接关系；根据分析结果建立表示协议起点的起始图式和表示协议结尾的结束图式；在起始图式和结束图式之间设置发起者图式和接收者图式构成的动作对图式；根据UML顺序图中的执行顺序以及网络拓扑图中的连接关系按信号的流向，从开始图式起将相应的动作对图式用指示箭头连接，在所述指示箭头上标明动作条件，直至最后一个动作对图式与结束图式连接。本发明能完善描述协议交互规则，并且清晰明了，可为后续的形式化分析或其他自动化分析提供条件。

Description

一种基于UML顺序图和拓扑图描述网络协议的图示方法

技术领域

本发明涉及网络领域，具体涉及一种在网络协议需求和设计的形式化验证前利用UML顺序图和拓扑图描述网络协议的图示方法。

背景技术

随着核电厂数字化进程的推进，分布式控制系统（DCS）越来越多的被用于核电控制领域，DCS间的通信是否可靠将直接关系到核电站的安全，因此核安全级网络协议的验证就显得尤为重要。在协议验证领域，形式化验证由于其严密的逻辑性及全覆盖特性越来受到人们的重视，特别是模型检测验证方法在协议验证中被广泛应用。

由于通信协议传统验证方法不能解决全覆盖验证的问题，协议的形式化验证就显的越来越重要。然而协议的形式化验证需要验证者具备专门的数学知识，在协议模型检测领域协议模型的建立是个难点，特别是协议交互规则的建模描述。

协议是一组表示通信主体之间信息交互的一组规则。协议交互规则构成的主要特点是：条件和状态比较多、而动作数量相对较少，用状态图描述协议时，图元节点代表状态和条件、动作表示在图元之间的连线上，此时会出现大量的图元节点，导致图形占用幅面变大，而处于连线上的动作也会出现许多重复，致使图形阅读和分析困难；因此，通常绘制状态图会作一些状态抽象，以减少状态数量，但这样又使协议表达不够精确。基于动作序列的描述方法（主要是UML顺序图）描述协议时，发生交互的实体有清晰的生命线和动作链，相互之间的动作操作关系也很清晰，但是UML顺序图无法描述通信网络拓扑相关信息，无法基于此开展协议全性质人工或自动分析。现有技术中的图形化建模方法虽然有基于状态图的方法和基于动作序列的方法，但这些方法是通用方法，不是专门针对协议来开发的，不能体现出协议的特点和传输方式。

发明内容

为解决现有技术中对网络协议的状态图描述不精确的问题，本发明提供一种通过发起者和接收者之间信道关系来描述网络拓扑相关信息的方法。具体方案如下：一种基于UML顺序图和拓扑图描述网络协议的图示方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1、首先分析UML顺序图中的各元素信息，以及网络拓扑图中信道信实体之间信道的链接关系；

步骤2、根据分析结果，建立表示协议起点的起始图式和表示协议结尾的结束图式；

步骤3、在起始图式和结束图式之间设置带有动作发起者和信道标识信息的发起者图式以及带有对应信道标识和动作接收者信息的接收者图式，发起者图式和接收者图式之间通过指示方向的箭头连接形成动作对图式；

步骤4、根据UML顺序图中的执行顺序以及网络拓扑图中的连接关系按信号的流向，从开始图式起将相应的动作对图式用指示箭头连接，在所述指示箭头上标明动作条件，直至最后一个动作对图式与结束图式连接。

为表明信息的流向：所述发起者图式中包括动作信道发起者的名称、当前发送信息的名称及流动方向、当前使用的信道名称，所述接收者图式中包括当前使用的信道名称、当前发送信息的名称及流动方向、动作接收者的名称，其中信道名称由发起者-接收者构成。

为表明动作之间的联系：所述步骤1对网络拓扑图中通信实体信道之间的链接关系分析如下：

步骤31、任选一个节点，从该节点为出发点通过节点连线寻找并记录与该节点相连的所有节点；

步骤32、再以任意一个被连接的节点为出发点通过节点连线寻找并记录与该节点相连的所有节点；

步骤33、通过上述方式遍历所有的节点，并做如下处理：

（1）删去连线两端的节点名称相同的多余记录，仅保留一个；

（2）对多个节点与虚节点连接共用一个信道的现象，对此信道用所有与此虚节点连接的节点名称表示；

（3）对所有不与虚节点连接的信道，用此信道两端的节点名称表示。

为清晰表明各元素的信息：所述UML顺序图中的元素信息包括发送消息和返回消息的标识，通信动作名称、通信动作中条件的格式。

本发明的方法利用UML顺序图描述的协议交互规则，用拓扑图来描述各个通信主体间连接关系，然后依据顺序图和拓扑图生成通信交互动作链图，在动作链图中表现通信主体、信道、接收、发送、状态和条件等通信协议信息。该方法能完备描述协议交互规则，并且清晰明了，可以为后续的形式化分析或其他自动化分析提供条件。本发明通过定义和使用动作链图元素“通信主体、信道、动作链条件、动作对连接、消息发送动作、消息接收动作、Begin、End”和按照状态和条件串接动作链，达到精确、图形化地描述协议交互规则，而且能够从通信网络拓扑图中根据冲突区域识别信道的方法。通过带信道的动作链，在验证活动中可由此识别可能发生相互冲突的并发动作，可在此基础上验证协议中对动作执行条件对这种冲突的控制。

附图说明

图1本发明的流程示意图；

图2本发明中开始图式示意图；

图3本发明中结束图式示意图；

图4本发明中动作对图式示意图；

图5本发明的动作对图式链接示意图。

具体实施方式

本发明的方法是在现有技术中已经对原始通信进行了UML顺序图和拓扑图处理，在此两图的基础上进行简化和动作链的表示。如图1所示，本发明的基于UML顺序图利用动作链描述网络协议的图示方法，包括下述步骤：

101、首先分析UML顺序图中的各元素信息以及网络拓扑图中信道通信实体之间信道的链接关系；

其中UML顺序图中的元素信息包括发送消息和返回消息的标识，通信动作名称、通信动作中条件的格式。

对象消息（object message），在UML顺序图中表示为实箭线；

返回消息（return message），在UML顺序图中表示为虚箭线。

通信动作名称：“ID(动作标识)-Send(消息)”或“ID(动作标识)-If(条件)-Send(消息)”；

通信动作名称中条件的描述格式：通信动作名称中的条件可以是单个条件元素，也可以是用“并且”和“或者”对条件元素的组合。

条件元素格式：“ID(相关动作标识)|成功失败”；

条件元素组合时，使用的组合符号和运算规则与C语言一致，即：

–“&&”为与，表示“并且”；

–“||”为或，标识“或者”；

–“[]”中括号为逻辑运算优先次序控制符号。

在UML顺序图中，消息名称和执行条件可以重名，在本发明中为简化图式，需要对此进行处理，此外在标准UML顺序图中对动作名称也未注明执行条件，但在本发明中为清晰表示动作需要对此做出注明。

对拓扑图中通信实体信道之间的链接关系分析如下：

首先任选一个节点，从该节点为出发点通过节点连线寻找并记录与该节点相连的所有节点；如任选一节点K，从该节点出发寻找与该节点相关的所有节点连线记为Ki，任选一条上一步骤中找出的节点连线，寻找连线另一端的节点，记为Ki<K，G>其中G为节点连线另一端节点，重复上一步骤直至与节点K相关的节点连接线的另一端节点都寻找到。

再以任意一个被连接的节点为出发点通过节点连线寻找并记录与该节点相连的所有节点；即从分析出的另一端节点中任选一节点依据前述步骤，寻找此节点连线及此节点连线的所有另一端节点。

重复上述步骤直至所有节点遍历完成。当遇到两条节点连线其两端的节点名称相同（没有顺序）则舍去其中一条，即删去连线两端的节点名称相同的多余记录，仅保留一个。对多个节点与虚节点连接共用一个信道的现象，对此信道用所有与此虚节点连接的节点名称表示；如，与虚节点L相连的所有节点的线段，这些线段共享一条信道，记为<节点名、节点名、节点名……>，其中节点名为各个线段的非虚端点。对所有不与虚节点连接的信道，用此信道两端的节点名称表示，其中两个节点间的每条线段为一条信道，记为<节点名，节点名>。其中节点名为线段的端点。

102、根据分析结果，建立表示协议起点的起始图式和表示协议结尾的结束图式；

此步是为建立一个新的动作链图做准备，在新动作链图中，需要设置一个开始动作点和一个结束动作点，其中开始动作点和结束动作点用图式的方法表示，如图2、3所示。

103、在起始图式和结束图式之间设置带有动作发起者和信道标识信息的发起者图式，以及带有对应信道标识和动作接收者信息的接收者图式，发起者图式和接收者图式之间通过指示方向的箭头连接形成动作对图式。

由于在UML顺序图中，是由上到下依次处理每个涉及到的通信动作，而本发明的动作链图需要在表示出执行顺序的情况下标明网络协议的方式及信息，根据前面步骤中识别出的信道名<节点名、节点名、节点名……>或<节点名，节点名>中，建立相应的图式，如图4所示，本发明用动作对图式来标明一个信息的发起者、采用的信道和接收者的信息，其中的动作对图式包括发起者图式和接收者图式，以分别表示信息的来源和去处，具体的发起者图式中包括信息发起者的名称，此次发送的消息名称以及使用的信道的名称，其中信道的名称用涉及到的发起者和接收者的名称表示；而同一个动作对图式中的接收者图式内容包括同样由信息发起者和接收者名称表示的信道名称，信息名称以及接收信息的接收者名称，其中发起者图式和接收者图式中的信息名称都带有指明信息流动方向的箭头。

在一个动作对图式中的相关信息由前面101步骤中获取的UML顺序图中的信息确定，在本发明中，根据信道名称中同时存在的发起者和接收者名称，来确认该信道位于动作对图式中相应位置。其中通信动作发起者是指UML顺序图中箭线起点所在的实体，发起者名称即为该实体的名称；而通信接受方是指UML顺序图中箭线终点所在的实体，接受方名称即为该实体的名称。UML顺序图中的“动作ID”为以ID开头的短语中，随后紧邻小括号中的内容；“消息名称”为以Send开头的短语中，随后紧邻小括号中的内容；“执行条件”：为以if开头的短语中，随后紧邻小括号中的内容，在分析时，将执行条件拆解为条件元素，按C语言的语法分析过程执行，此为现有技术这里不再说明。根据上述方式按UML顺序图将所有信息传送方式都用相应的动作对图式表示出来。

104、根据UML顺序图中的执行顺序以及网络拓扑图中的连接关系按信号的流向，从开始图式起将相应的动作对图式用指示箭头连接，在所述指示箭头上标明动作条件，直至最后一个动作对图式与结束图式连接。

将各动作对图式用相应指示箭头连接在一起，而每个动作对图式中内容表明了此时信息的流向以及信息的内容，而箭头在表示连接关系的同时，也指明了当前动作对图式的链接形式，使得当前信息的网络协议内容一目了然。为了更清晰的表示当前动作对图式之间的连接关系，在连接各动作对图式的箭头连线上标明此时信息动作执行的条件。

以下为本发明的一个具体实现的例子。

例1、在UML顺序图中，A发送信息X给B，B收到后如果正确，则向A发送确认信息Y，如果不正确则向A发送错误确认消息Z，当A接收到Y时，协议停止，当A接收到Z时，A重新发送消息X给B。上述内容用本发明的动作对图式链接后如图5所示，当一个动作对图式到另一个动作对图式具有动作条件时，就将相应的动作条件标注在两者的指向箭头上。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims

1.一种基于UML顺序图和拓扑图描述网络协议的图示方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤4、根据UML顺序图中的执行顺序以及拓扑图中的连接关系按信号的流向，从开始图式起将相应的动作对图式用指示箭头连接，在所述指示箭头上标明动作条件，直至最后一个动作对图式与结束图式连接。

2.如权利要求1所述的图示方法，其特征在于，所述发起者图式中包括动作发起者的名称、当前发送信息的名称及流动方向、当前使用的信道名称，所述接收者图式中包括当前使用的信道名称、当前发送信息的名称及流动方向、动作接收者的名称，其中信道名称由发起者-接收者构成。

3.如权利要求1所述的图示方法，其特征在于，所述步骤1对拓扑图中通信实体信道之间的链接关系分析如下：

步骤33、通过上述方式遍历所有的节点，并做如下处理：

4.如权利要求1所述的图示方法，其特征在于，所述UML顺序图中的元素信息包括发送消息和返回消息的标识，通信动作名称、通信动作中条件的格式。