Protocol Engineering: Prinzip, Beschreibung und Entwicklung von Kommunikationsprotokollen

511 Pages·2003·19.089 MB·German

by  Hartmut König (auth.)

Leitfaden der Informatik
Hartmut Konig
Protocol Engineering
Leitfaden der Informatik
Herausgegeben von
Prof. Dr. Bernd Becker, Freiburg
Prof. Dr. Friedemann Mattern, ZOrich
Prof. Dr. Heinrich MOiler, Dortmund
Prof. Dr. Wilhelm Schafer, Paderborn
Prof. Dr. Dorothea Wagner, Karlsruhe
Prof. Dr. Ingo Wegener, Dortmund
Die Leitfaden der Informatik behandeln
• Themen aus der Theoretischen, Praktischen und Technischen Informatik entsprechend
dem aktuellen Stand der Wissenschaft in einer systematischen fundierten Darstellung des
jeweiligen Gebietes .
• Methoden und Ergebnisse der Informatik, aufgearbeitet und dargestellt aus Sicht der
Anwendungen in einer fOr Anwender verstandlichen, exakten und prazisen Form.
Die Bande der Reihe wenden sich zum einen als Grundlage und Erganzung zu Vorlesungen
der Informatik an Studierende und Lehrende in Informatik-Studiengangen an Hochschulen,
zum anderen an "Praktiker", die sich einen Uberblick Ober die Anwendung der Informatik
(-Methoden) verschaffen wollen; sie dienen aber auch in Wirtschaft, Industrie und Verwal
tung tatigen Informatikern und Informatikerinnen zur Fortbildung in praxisrelevanten
Fragestellungen ihres Faches.
Hartmut Konig
Protocol Engineering
Prinzip, Beschreibung und
Entwicklung von
Korn rn u n i kationsprotokollen
Teubner
B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig' Wiesbaden
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Ober <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Konig
Geboren 1950 in Quedlinburg. Studium der Physik an der TU Dresden (1968-1972). Forschungs
aufenthalt am Vereinigten Institut fOr Kernphysik Dubna bei Moskau (1972-1976). Wissenschaftlicher
Mitarbeiter an der Sektion Informationsverarbeitung der TU Dresden (1976-1988). Promotion 1979
zum Dr.-Ing. an der TU Dresden (Datentypkonzepte hoherer Programmiersprachen). Habilitation 1987
an der TU Dresden Ober Kommunikationsprotokolle. Hochschuldozent an der TU Magdeburg (1988-
1992). Seit 1993 Professor fOr Praktische Informatik an der BTU Cottbus. Forschungsaufenthalte an der
Universitat Montreal, der La Trobe Universitat Melbourne, am Institute National de Telecommunication
Evry und an der Universitat Helsinki.
1. Auflage November 2003
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jedermann benutzt werden dOrften.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
ISBN-13: 978-3-519-00454-7 e-ISBN-13: 978-3-322-80066-4
DOl: 10.1 007/978-3-322-80066-4
fur Christine
Vorwort
Motivation. Kommunikationsprotokolle -kurz Protokolle -bilden die Grundlage fUr
die Realisierung von Rechner- und Telekommunikationsnetzen. Sie bilden Verhal
tenskonventionen, die die Regeln festlegen, wie Rechner und Vermittlungssysteme -
kurz Kommunikationssysteme -in Netzen miteinander kommunizieren. Sie beschrei
ben die zeitliche Abfolge der Interaktion und legen das Format der auszutauschenden
Dateneinheiten fest. DafUr ist ein breites Spektrum recht unterschiedlicher Funktionen
erforderlich, z. B. fUr das Senden und Empfangen von Dateneinheiten, fUr ihre Kodie
rungIDekodierung, fUr das Erkennen und Beheben von Obertragungsfehlem, fUr die
Steuerung der Datenflilsse zwischen den Kommunikationspartnem sowie fUr die Si
cherung einer bestimmten Obertragungsqualitlit. Protokolle sind auBerordentlich
komplexe und komplizierte Gebilde, die wesentlich die Effizienz und ZuverUissigkeit
von Rechnemetzen bestimmen. Die Vielfalt und Verschiedenheit der Mechanismen
steht dabei hliufig im Widerspruch zu der angestrebten Effizienz.
Kommunikationssysteme nutzen aufeinander abgestimmte Protokollhierarchien, de
nen fest vorgegebene Architekturprinzipien zugrundeliegen, wie sie z. B. durch die
OS 1- und die Intemet-Architektur vorgegeben sind. Ein Protokoll realisiert in einer
solchen Hierarchie eine Teilfunktionalitlit, die in Form eines Dienstes einem hOheren
Protokoll bzw. einer Anwendung zur VerfUgung gestellt wird. Die Protokollhierarchi
en bilden die Kommunikationsarchitektur eines Kommunikationssystems. FUr ihre
Gestaltung gibt es unterschiedliche Prinzipien, z. B. die Berilcksichtigung hersteller-
VI Vorwort
spezifischer Kriterien, wie sie fur geschlossene bzw. proprietiire Systeme typisch sind,
oder die Rechnerunabhangigkeit, die die Grundlage der offenen Systeme bildet. Die
Gestaltung der Kommunikationsarchitektur und der in ihr enthaltenen Protokolle ist
eines der entscheidenden Momente der Entwicklung von Kommunikationssystemen.
Sie hat wesentlichen Einfluss auf ihre Effizienz und ZuverUissigkeit.
Kommunikationsprotokolle werden sowohl in Hardware als auch in Software imple
mentiert, wobei Softwarerealisierungen, vor allem bei den hoheren Protokollen, tiber
wiegen. Die Implementierung von Protokollen ist dabei eng an die jeweilige
Ablaufumgebung, insbesondere das Betriebssystem des Rechners gebunden. Die Art
und Weise der Implementierung eines Protokolls hat dadurch einen ebenso groBen
Einfluss auf seine Effizienz wie der Entwurf.
Die Erfahrung einer weitgehend fehlerfreien Nutzung von Diensten im Internet ver
deckt den Aufwand, der fur die Entwicklung von Kommunikationsprotokollen erfor
derlich ist. Protokolle mtissen entworfen, bescbrieben, verifiziert, implementiert und
getestet werden, bevor sie in einem Netz installiert werden konnen. Die Entwicklung
von Protokollen - vom Entwurf bis zur Installation - ist kompliziert und aufwendig.
Sie wird in ihrer ganzen Komplexitiit heute noch nicht beherrscht. Die Protokollent
wicklung wirft ahnliche Probleme und Fragestellungen auf, wie sie aus der Software
technik bekannt sind. Viele der fur die Softwareentwicklung typischen Phasen und
Merkmale finden sich auch im Protokollentwicklungsprozess wieder. Die spezifi
schen Eigenschaften von Kommunikationsprotokollen werfen jedoch eine Reihe zu
slitzlicher Fragen auf, die tiber die traditionelle Softwareentwicklung hinausgehen.
Das hat dazu gefuhrt, dass sich die Entwicklung, Validation und Realisierung von Pro
tokollen unter dem Namen Protocol Engineering [Piat 83] (eine adiiquate deutsche
Bezeichnung existiert nicht) als eine eigenstllndige Teildisziplin der Telematik her
ausgebildet hat.
Grundlage des Protocol Engineerings ist die Verwendung formaler Beschreibungs
techniken, kurz auch als FDTs iformal descripition techniques) bezeichnet, fur die
Protokollspezifikation. Formale Beschreibungstechniken zeichnen sich durch eine
formal definierte Syntax und Semantik aus. Sie gewlihrleisten im Gegensatz zu den in
der Praxis zumeist verwendeten informalen Beschreibungen eine eindeutige Interpre
tation der Spezifikationen. Formale Beschreibungstechniken bilden die Grundlage fur
eine systematische, ingenieurmliBige Entwicklung von Kommunikationsprotokollen.
Sie ermoglichen die Entwicklung von Werkzeugen zur Unterstiitzung der verschiede
nen Protokollentwicklungsphasen.
Was macht die Spezifik von Kommunikationsprotokollen aus, die das Entstehen des
Protocol Engineering erklliren? Es sind dies eine Reihe von Besonderheiten, die die
Entwicklung von Protokollen von anderer Software unterscheidet:
Hinter dem allgemein verwendeten Protokollbegriffverbergen sich genau ge
nommen zwei Konzepte: das des Dienstes und das des Protokolls. Der Dienst
bezeichnet das Ergebnis der Interaktion zwischen Netzkomponenten. Er kann
von einer Anwendung oder einem anderen Protokoll genutzt werden. Das Pro
tokoll beschreibt die Art und Weise, wie dieser Dienst bereitgestellt wird. Es
Vorwort vii
bildet quasi die abstrakte Implementierung des Dienstes. Das hat Konsequen
zen fUr die Beschreibung von Diensten und Protokollen. Sie unterscheidet sich
von der traditionellen Softwarespezifikation dadurch, dass nicht nur das
"Was", der Dienst, beschrieben werden muss, sondern auch das "Wie", d. h. die
Art und Weise seiner Bereitstellung.
Protokollinstanzen mUssen aufunterschiedliche Ereignisse und Kommunikati
onsanforderungen, zum Teil gleichzeitig, reagieren konnen. ProtokollabUiufe
sind daher haufig nebenlaufig und nichtdeterministisch.
• Protokolle sind wie kaum ein anderer Bereich der Informatik durch die inter
nationale Standardisierung gepragt. Der Grund dafUr ist, dass sie in der Regel
mehrfach und unabhiingig voneinander von unterschiedlichen Entwicklern im
plementiert werden. Die Implementierungen mUssen mit den Implementierun
gen anderer Entwickler zusammenarbeiten konnen, d. h. interoperabel sein.
Das ist nur durch eine Standardisierung der Protokolle moglich.
An Protokolle werden hohe Anforderungen bezUglich der Effizienz und Zuver
lassigkeit gestellt. Die Komplexitat von Protokollen und die Kompliziertheit
der AbUiufe stehen demjedoch haufig entgegen. Die Korrektheit und Zuverlas
sigkeit von Protokollen und ihren Implementierungen lasst sich nur schwer
nachweisen.
Die Entwicklung und Realisierung von Protokollen ist aufwendig. Sie bindet
groBe Entwicklerkapazitaten Uber einen 11ingeren Zeitraum. Der Einsatz von
Werkzeugen kann die Entwicklung wesentlich effizienter gestalten.
Die Existenz einer existierenden Kommunikationsinfrastruktur, wie sie durch das In
ternet gegeben ist, lasst vermuten, dass die Entwicklung neuer Protokolle kaum noch
erforderlich ist. Dem ist nicht so. Neue technologische Moglichkeiten und neuartige
Anwendungen stellen neue Anforderungen an die Gestaltung und Realisierung von
Kommunikationsarchitekturen und -protokollen. In den letzten Jahren sind viele neue
Protokolle im Bereich der Hochleistungskommunikation, der Internet-Anwendungen
und der Mobilkommunikation entstanden. Dies wird in Zukunft der Fall sein.
Ziel des Buches. Das vorliegende Buch fUhrt in die Grundlagen des Protocol Engi
neerings ein. Es stellt die grundlegenden Prinzipien der Funktionsweise von Kommu
nikationsprotokollen, die Methoden und Techniken fUr ihre Beschreibung sowie die
Phasen der Protokollentwicklung und die wichtigsten dabei verwendeten Methoden
vor. Dabei werden sowohl die praktischen als auch die theoretischen Aspekte des Pro
tocol Engineerings betrachtet. Damit soIl die Verbindung zwischen diesen beiden,
haufig isoliert betrachteten Teilen der Protokollentwicklung hergestellt werden.
Gleichzeitig sollen auch die Moglichkeiten und die Grenzen der Anwendbarkeit der
existierender Methoden aufgezeigt werden. Letztlich will das Buch vor allem aber er
mutigen, die Methoden des Protocol Engineerings in der praktischen Arbeit zu nutzen.
Das Buch ist primiir ein Buch Uber formale Beschreibungstechniken fUr Kommunika
tionsprotokolle und ihre Anwendung. Es enthiilt keine allgemeine EinfUhrung in
Rechnernetze, wie sie u. a. in den BUchern von KUROSE und ROSS, STALLINGS
und TANENBAUM zu finden ist. Das Buch behandelt einen speziellen, aber wichti
gen Bereich der Entwicklung von Rechnernetzen und erg1inzt die genannten BUcher.
viii Vorwort
Leserkreis. Das Buch ist flir Studenten und Ingenieure der Inforrnatik, der Telematik
und der Kommunikationstechnik geschrieben, die vor der Aufgabe stehen, sich in den
Problemkreis Kommunikationsprotokolle und ihre Entwicklung einzuarbeiten. Es
wendet sich ebenfalls an den Fachmann, der seine Kenntnisse zum Protocol Enginee
ring vertiefen und es als Nachschlagewerk flir die verwendeten Methoden und Tech
niken nutzen mochte. Das Buch dtirfte auch flir Softwaretechniker von Interesse sein,
die sich mit der Entwicklung von Software flir verteilte Systeme bescMftigen. Viele
der hier beschriebenen Methoden flir die Beschreibung, die Verifikation und den Test
von Protokollen werden auch flir verteilte Systeme genutzt.
Voraussetzungen. Ftir das Verstandnis des Buches werden keine speziellen Vor
kenntnisse vorausgesetzt. Es wird erwartet, dass der Leser tiber Grundwissen zu Rech
nernetzen, Betriebssystemen und hoheren Programmiersprachen verfiigt.
Struktur des Buchs. Das Buch ist in drei Teile gegliedert. Der erste Teil enthalt eine
Einfiihrung in die prinzipielle Funktionsweise von Kommunikationsprotokollen. Es
werden die grundlegenden Konzepte Dienst, Protokoll, Schicht und Kommunikati
onsarchitektur vorgestellt. Dabei wird versucht, den Leser durch Analogien zu Ablau
fen im taglichen Leben sowie ahnlich gelagerten Problemen in anderen Bereichen der
Inforrnatik schrittweise mit den zum Teil sehr komplizierten Ablaufen in Protokollen
vertraut zu machen. AnschlieBend werden die wichtigsten Protokollfunktionen be
schrieben. Am Beispiel des TCP/IP-Protokollstacks wird die Anwendung der Proto
kollmechanismen in einem realen Umfeld diskutiert. Parallel zu dieser Einflihrnng
werden unter Verwendung einer Modellsprache die Grundelemente der Beschreibung
von Protokollen erlautert und fUr die Basiskonzepte Dienst, Protokoll und Schicht bei
spielhaft demonstriert.
Der zweite Teil ist der Beschreibung der Kommunikationsprotokolle gewidmet. Er
gibt einen Oberblick tiber die verschiedenen Methoden und Techniken der Protokoll
beschreibung. Ausgehend von den Anforderungen an forrnale Beschreibungstechni
ken flir Kommunikationsprotokolle werden einleitend die wichtigsten Methoden
vorgestellt, die flir die Beschreibung von Protokollen und als semantische Modelle
forrnaler Beschreibungstechniken genutzt werden. Schwerpunkt des zweiten Teils ist
eine ausflihrliche Einflihrnng in einige standardisierte Beschreibungstechniken. Mit
SDL-2000 und LOTOS stellen wir je einen Vertreter der und der automaten- und der
transitionsorientierten Beschreibungstechniken vor. Weiterhin geben wir einen Uber
blick tiber MSC, einer popularen graphischen Beschreibungstechnik flir Kommunika
tionsablaufe, und ASN.l, der wichtigsten Beschreibungstechnik flir Datenforrnate in
der Datenkommunikation.
Der dritte Teil behandelt die Entwicklungsphasen von Kommunikationsprotokollen.
Ausgehend yom Modell des Protokollenwicklungsprozesses werden die Phasen Ent
wurf, Spezifikation, Verifikation, Implementierung und Test vorgestellt und die wich
tigsten dabei verwendeten Techniken erlautert. Der Leser lernt dabei Ansatze zum
systematischen Entwurf von Protokollen, die Grundtechniken der Spezifikation von
Protokollen, die Methoden zu ihrer Verifikation, die Vorgehensweise bei der Imple
mentierung sowie die Strategien des Protokolltests, insbesondere den Konforrnitats
test und den Interoperabilitatstest, kennen. Weiterhin wird mit der standardisierten
Vorwort ix
Testnotation TTCN, in den Versionen TTCN-2 und TTCN-3, eine Technik fUr die Be
schreibung von Testdaten eingefUhrt. AbschlieBend wird ein Uberblick tiber Werk
zeuge des Protocol Engineerings gegeben.
Die "Klammer" zwischen den drei Teilen des Buchs bildet das Beispielsprotokoll
XDT (Example Data Transfer-Protokoll), das im ersten Teil des Buches eingefUhrt
wird. Es wird als Referenzprotokoll fUr das gesamte Buch genutzt, an dem die ver
schiedenen Beschreibungstechniken sowie die wichtigsten Methoden fUr die Imple
mentierung und Validation von Protokollen demonstriert werden. Damit wird dem
Leser die Moglichkeit gegeben, die verschiedenen Beschreibungstechniken zu ver
gleichen.
Wie ist das Buch zu lesen? Der erste Teil des Buchs ist den Grundlagen von Kom
munikationsprotokollen gewidmet. Er stellt das Prinzip und die Elemente der Be
schreibung von Protokollen vor, wie sie fUr die beiden folgenden Teile vorausgesetzt
werden. Dieser Teil wendet sich an die Leser, die in die grundlegenden Protokollme
chanismen einarbeiten wollen. Leser, die tiber dieses Wissen verfilgen, wird empfoh
len, diesen Teil bis auf die Einfilhrung des XDT-Protokolls zu tiberblattem.
Der zweite Teil behandelt die Beschreibung von Protokollen. Er stellt die grundlegen
den Beschreibungsmethoden vor und enthalt eine EinfUhrung in die wichtigsten Spe
zifikationssprachen, die der Leser spater auch als Referenz verwenden kann. Die Art
der Beschreibung spielt eine zentrale Rolle in der Protokollentwicklung, da von der
Wahl der Beschreibungstechnik, insbesondere von demjeweiligen semantischen Mo
dell, abhangt, welche Entwurfs-und Validationstechniken eingesetzt werden konnen.
Aus diesem Grund und wegen des Umfangs der Spezifikationssprachen wurde die Be
schreibung der Protokolle von der Darstellung des Entwicklungsphasen getrennt. Filr
den Leser empfiehlt sich hier, sich zuerst auf die Beschreibungsmethoden und die
Grundkonzepte der formalen Beschreibungstechniken zu konzentrieren. Die einzel
nen Sprachelemente sind fUr eine konkrete Anwendung einer Technik sowie bei der
Auseinandersetzung mit dem XDT-Beispiel von Interesse.
Der dritte Teil beschreibt die fUr Kommunikationsprotokolle typischen Entwicklungs
schritte. Dazu gehoren der Entwurf, die Spezifikation, die Leistungsvoraussage, die
Verifikation, die Implementierung und der Test von Protokollen. Da Kommunikati
onsprotokolle selten kontinuierlich, d. h. vom Entwurf bis zur Installierung, entwik
kelt werden, ist ein Spezialisierung der Entwickler auf bestimmte Phasen sehr
ausgepragt. Es bleibt dem Leser tiberlassen, wie intensiv er sich mit den einzelnen
Phasen auseinandersetzt.
Online-Materia lien. Zu dies em Buch gibt es eine Web-Seite mit weiteren Materiali
en und erganzenden Informationen. Die Web-Seite enthalt u. a.
die Beschreibung des XDT-Protokolls mit allen im Buch enthaltenen Spezifika
tionen einschlieBlich einer Animation des Protokollablaufs,
die Materialien der Vorlesung "Protocol Engineering" in Powerpoint,
• eine Obungsaufgabensammlung (im Aufbau) sowie
zusatzliche Informationen und Verweise.
Die Adresse der Web-Seite ist http://www.protocol-engineering.tu-cottbus.de/.
x Vorwort
Dank. Das Buch entstand aus den Manuskripten zu den Vorlesungen "Rechnernetze
und Kommunikationssysteme" und "Protocol Engineering", die ich an der BTU Cott
bus halte. Die Ausarbeitung des Manuskripts haben viele Kollegen unterstiltzt. Ihnen
mochte ich an dieser Stelle danken.
Mein Dank gilt zuerst postum Herm Prof. Dr. Horst Langendorfer (TU Braun
schweig), der vor mehreren Jahren die Anregung zu diesem Buch gab.
GroBen Dank schulde ich Prof. Dr. Volker Claus (Universitlit Stuttgart), der die Ver
offentlichung des Buchs ermoglicht hat. Ferner dailke ich Herm Ulrich Sandten vom
Teubner-Verlag fUr seine versUindnisvolle Unterstiltzung bei der Fertigstellung der
Druckversion.
Eine Reihe von Fachkollegen hat mich bei der Ausarbeitung einzelner Kapitel unter
stiltzt. Ich danke Peter DeuBen, Jens Grabowski, Monika Heiner, OlafHenniger, Peter
Herrmann, Heiko Krumm, Bruno Milller-Clostermann, Alexander Petrenko, Ina
Schieferdecker, Klaus StOttinger, Jan Tretmans und Colin Willcock.
Viele meiner ehemaligen Mitarbeiter und Studenten haben durch Anregungen, Ideen,
die Erarbeitung von Spezifikationen und durch Korrekturlesen des Manuskripts einen
gewichtigen Beitrag zum Entstehen dieses Buches geleistet. Mein Dank gilt Jan Fied
ler, Holger Fuchs, Abdelaziz Guerrouat, Thomas Held, RalfHenke, Peter Langendor
fer, Michael Meier, Andreas Ulrich und Mario Zilhlke.
Ich danke auch allen Kollegen, Bekannten und Freunden, die an der Entstehung des
Besuches Anteil genommen haben, insbesondere Frau Irmhild Karl (postum), und da
mit nicht unwesentIich zu seiner erfolgreichen Fertigstellung beigetragen haben.
Mein besonderer Dank gilt Frau Katrin WillhOft, die mich ilber all die Jahre bei der
Erstellung des Manuskripts und der Zeichnungen sowie der endgilltigen Druckfassung
tatkraftig unterstiltzt hat.
Cottbus/Dresden, Oktober 2003
Hartmut Konig