Kommunikationssysteme [KS]

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1 Kommunikationssysteme [KS] Dr.-Ing. Falko Dressler Computer Networks and Communication Systems Department of Computer Sciences University of Erlangen-Nürnberg [KS], WS 2005/

2 Course Overview Network Infrastructure Basics of communication networks, packet- / circuit switched networks, telephone networks, ATM Quality of Service and Multimedia Policing, scheduling, AQM, audio/video streaming, conferencing and VoIP, IntServ, DiffServ, ATM, MPLS Simulation Tools, accomplishment, measures Protocol Engineering FSM, SDL, MSC, UML Wireless / Mobile Communications GSM, UMTS, mobility issues, WLAN, WPAN, WSN Network Security Threats and security goals, basic mechanisms [KS], WS 2005/

3 Zustandsautomaten mit SDL und UML Ziel formale Definition und pragmatische Notation von Zustandsautomaten Anwendung für Kommunikationsprotokolle Realisierung in relevanten Standards und Werkzeugen (SDL, UML) Inhalt endliche Zustandsautomaten Kopplung von Zustandsautomaten erweiterte endliche Zustandsautomaten SDL UML [KS], WS 2005/

4 Endliche Zustandsautomaten Finite State Machine (FSM) bekannt aus Elektrotechnik (Mealy- und Moore-Automat), theoretische Informatik,... Ein endlicher Zustandsautomat ist ein Quintupel <S,I,O,T,s 0 > mit S - endliche, nicht leere Menge von Zuständen, I - endliche, nicht leere Menge von Eingaben, O - endliche, nicht leere Menge von Ausgaben, T S (I {τ}) O S - eine Zustandsüberführungsfunktion und s 0 S - Initialzustand des Automaten. Eine Transition t T ist definiert durch das Quadrupel <s,i,o,s '>, wobei s S den aktuellen Zustand, i I eine Eingabe, o O die zugehörige Ausgabe und s' S den Folgezustand bezeichnen. τ I bezeichnet eine leere Eingabe (spontane Transition) [KS], WS 2005/

5 Endliche Zustandsautomaten Darstellung als Zustandübergangsdiagramm: (alternativ in Tabelle oder Matrix) spontane Transition a/x b/z B a/x Eingabe-/Ausgabeereignis Nichtdeterminismus τ/x b/y A d/x C b/z Zustand b/x Transition [KS], WS 2005/

6 Endliche Zustandsautomaten Notationsvereinfachungen mehrere Ausgaben nach Eingabe leere Ausgabe λ Ausgabemenge O = P(O) {λ} P(O) ist die Potenzmenge von O Zustandsüberführungsfunktion T S (I {τ}) O S [KS], WS 2005/

7 Kopplung von Zustandsautomaten wofür? Verhalten einer Instanz wird oft durch einen Zustandsautomaten dargestellt Zusammenspiel von Instanzen: gekoppelte Zustandsautomaten Synchrone Kopplung die Ausführung bestimmter Transitionen findet simultan statt und wird durch ein synchronisierendes Ereignis ausgelöst das synchronisierende Ereignis ist Ausgabeereignis in dem einen und Eingabeereignis in dem anderen Automaten Asynchrone Kopplung der sendende Automat legt durch ein Ausgabeereignis eine Nachricht in eine Warteschlange des empfangenden Automaten, dieser entnimmt die jeweils erste Nachricht aus der Warteschlange, verwendet diese als Eingangsereignis und führt die entsprechende Transition aus die Ausführung der Transitionen ist nicht direkt gekoppelt [KS], WS 2005/

8 Kopplung von Zustandsautomaten Annahme bei jeder Transition gibt es entweder eine Eingabe oder eine Ausgabe vereinfacht die Kopplung Notation Ausgaben erhalten ein! Eingaben erhalten ein? Zeitliche Verzögerung von Nachrichten auf Kanälen wird bei synchroner Kopplung vernachlässigt kann gefährliche Vereinfachung darstellen wird bei asynchroner Kopplung berücksichtigt [KS], WS 2005/

9 Kopplung von Zustandsautomaten: 1. Beispiel Sender Empfänger 0 ACK? N! ACK! 1 intern (hidden): N! NAK? korrekt empfangen 2 Zustand Sender Zustand Empfänger 0,0 ACK N h 2 0 NAK! N? 1 h 3 intern (hidden): inkorrekt empfangen synchrone Kopplung: 1,2 1,1 1,3 NAK 1,0 N [KS], WS 2005/

10 Kopplung von Zustandsautomaten: 1. Beispiel Zustand Sender Kanal Empfänger Sender 0 <> <> 0 N! 1 <N> <> 0 Kanal Sender Empfänger Zustand Empfänger N? asynchrone Kopplung: 1 <> <> 1 N! ACK? 1 <> <> 2 ACK! 1 <> <> 3 NAK! 1 <> <ACK> 0 1 <> <NAK> 0 NAK? 2 <> <> 0 [KS], WS 2005/

11 Kopplung von Zustandsautomaten: 2. Beispiel Client Server REQ! READY DONE? ACK! ALARM? REQ? IDLE ACK? DONE! ALARM! WAIT REGISTER SERVICE FAULT R, I synchrone Kopplung: REQ DONE ACK ALARM alles in Ordnung? W, S R, F [KS], WS 2005/

12 Kopplung von Zustandsautomaten: 2. Beispiel REQ! WAIT Client Server READY IDLE ALARM? ALARM! ACK! REQ? ACK? DONE? DONE! REGISTER SERVICE FAULT asynchrone Kopplung über fehlerfreie Kanäle [KS], WS 2005/

13 Kopplung von Zustandsautomaten READY <> <> IDLE REQ! ALARM! WAIT <REQ> <i> IDLE ALARM! REQ? ALARM? WAIT <REQ> <ALARM> FAULT REQ? ALARM? WAIT <> <ALARM>???? <REQ> <> FAULT Protokoll unvollständig, wird bei synchroner Kopplung nicht bemerkt! [KS], WS 2005/

14 Erweiterte endliche Zustandsautomaten Extended Finite State Machine (EFSM) = FSM + Variablen Ein erweiterter endlicher Zustandsautomat ist ein Tupel <S,C,I,O,T,s 0,c 0 > mit S - endliche, nicht leere Menge von Zuständen, C = domain(v 1 )... domain(v n ) - nicht leere Menge von Kontexten mit v i V, wobei V eine endliche, nicht leere Menge von Variablen und domain(v i ) eine nicht leere, abzählbare Menge von Werten, der Wertebereich von v i, ist, I - endliche, nicht leere Menge von Eingaben, O - endliche, nicht leere Menge von Ausgaben, T S C (I {τ}) O S C - eine Zustandsüberführungsfunktion, s 0 S - Initialzustand und c 0 C - Anfangskontext des Automaten. [KS], WS 2005/

15 Erweiterte endliche Zustandsautomaten Kontext Wertebelegung der Variablen Eine Transition t T ist definiert durch das Tupel <s,c,i,o,s',c'> wobei s S den aktuellen Zustand, c C den Kontext vor Ausführung der Transition, i I eine Eingabe, o O die zugehörige Ausgabe, s' S den Folgezustand c' C den Kontext nach Ausführung der Transition bezeichnen. Zustände s S - Hauptzustände Zustände s S und c C Nebenzustände [KS], WS 2005/

16 Erweiterte endliche Zustandsautomaten Modellierungsmächtigkeit von EFSMs im Prinzip keine Erweiterung zu FSMs die abzählbaren Variablenwerte könnten durch zusätzliche Zustände repräsentiert werden (aber durch sehr viele) aus pragmatischen Gründen wichtige Erweiterung andere Erweiterung von EFSMs Parameterübergabe durch Aus-/Eingabe bewirken Wertzuweisungen hier nicht formalisiert [KS], WS 2005/

17 SDL (Darstellung von SDL erfolgt mit Material von König) Specification and Description Language Beginn der Entwicklung: Mitte der 70er Jahre Ziel: formale Beschreibung von Telekommunikationssystemen Spezifikationssprache der Telekommunikationsindustrie heute Konkurrenz durch UML Standardisierung: CCITT / ITU-T Study Group 10 Studienperioden: 4 Jahre SDL-88, SDL-92, SDL-96, SDL 2000 Sprachversionen SDL-88: Konzept der kommunizierenden Automaten SDL-92: Einführung Objekt-Orientierung SDL-2000: Agenten und andere Erweiterungen [KS], WS 2005/

18 SDL: Notationen SDL/GR (Graphical Representation) graphische Notation Standard: Z.100 SDL-2000: SDL wird nur noch als graphische Notation definiert SDL/PR (Phrase Representation) rein textuelle Notation Compilerentwicklung SDL-2000: Transfer-Syntax (Common Interchange Format) Standard: Z.106 [KS], WS 2005/

19 SDL: System, Block, Prozeß Strukturelle Beschreibung: System Block Block Block Block Prozess Prozess Umgebung Prozess Kanal [KS], WS 2005/

20 SDL: System, Block, Prozeß Hierarchie: system block block block block block block block block block block block block process process process [KS], WS 2005/

21 SDL: Agenten Agenten beschreiben aktive Komponenten des betrachteten Systems endliche erweiterte Zustandsautomaten Container für weitere Agenten, auch dynamische Erzeugung Agenten-Arten Blöcke Prozesse System (äußerster Block) Jeder Agent besitzt Identifikation eigene Lebensdauer eine unendliche Warteschlange für Stimuli [KS], WS 2005/

22 SDL: Blöcke und Prozesse Blöcke und Prozesse unterscheiden sich im Ausführungsschema der enthaltenen Agenten. Blöcke können Blöcke und Prozesse enthalten nebenläufige Ausführung der EFSM des umgebenen Blockes und der enthaltenen Agenten Prozesse können nur Prozesse enthalten alternierende Ausführung der Agenten Interleaving: immer nur eine Transition wird ausgeführt [KS], WS 2005/

23 SDL: Kommunikation Arten der Kommunikation asynchroner Nachrichtenaustausch Signale entfernte Prozeduraufrufe Client/Server-Prinzip gemeinsame Variable read only - Zugriff auf entfernte Variable [KS], WS 2005/

24 SDL: Signale, Kanäle und Gates block C signal a,b,c,d,e,i,j,k; verzögernder Kanal Gates g1 [a] [d] S c [ j ] [k] r1 R r3 r2 g4 [c] [b,e] Signalliste Kanal Signalliste Eingabe g2 [ i ] g3 [ i ] Signalliste Ausgabe verzögerungsfreier Kanal [KS], WS 2005/

25 SDL: Signale und Kanäle Signale transportieren Nutzdaten im asynchronen Datenaustausch der Signale über Kanäle besitzen einen Namen und eine implizite Senderidentifikation Kanäle uni- oder bidirektionaler Kommunikationspfad zwischen zwei Agenten für den Austausch von Signalen zuverlässige, reihenfolgebewahrende Übertragung verzögerte oder verzögerungsfreie Übertragung Gates: Endpunkte der Kanäle externe Kommunikationspunkte der Agenten implizite / explizite Gates [KS], WS 2005/

26 SDL: Zustandsautomat in einem Prozeß Eingabe Ausgangszustand await_ack continuous- Signal ACK ACK t sequ=1 sequ 1 XABORTind timeout internal XABORTind zusätzliche Bedingung reset (t) idle idle XDATconf nextstate=await_ack connected Rücksetzen Timer Ausgabe Folgezustand [KS], WS 2005/

27 SDL: Austausch von Signalen signal S1(Charstring, Integer,.) P1 dcl code Charstring P2 dcl code Charstring length Integer... s1(code,100, ) s1(code,length,.) [KS], WS 2005/

28 SDL: Austausch von Signalen (Semantik) (Darstellung: H. Hermanns) ausgehende Signale werden ohne Blockierung versandt alle eingehenden Signale werden in einer gemeinsamen unbegrenzten Warteschlange gepuffert und von dort ausgelesen (FIFO) wenn das erste Signal unerwartet ist, wird es verworfen ein save -Konstrukt ermöglicht ein Retten von Signalen Q process Q * W Z W WAIT Y Z - [W,Z] [Y] C [KS], WS 2005/

29 SDL: Auslesen und Retten von Signalen (Darstellung: H. Hermanns) S1 W X T Z verworfen verworfen gerettet verworfen ausgelesen S2 Y X W Y W B B X Y W V B Y X W Y W B B W [KS], WS 2005/

30 (Darstellung: H. Hermanns) SDL: ein Beispiel zum Austausch von Signalen system... block K process B SIGNAL W,Y,Z; K C [Y] P D [W,Z] B X process Q SIGNAL X; [X] * W J W WAIT [Y] process J Y C X Z Z block P Q D Y - [Y] [W,Z] C [KS], WS 2005/

31 SDL: Eingabevarianten S1 a b abort q normal priorisiert Kontinuierliches Signal save break ack none (spontane Transition) XDATconf XABORTind connected idle [KS], WS 2005/

32 Allgemeines über UML Unified Modeling Language 1.x Sammlung visueller Modellierungssprachen für Software-Engineering 1996 von Grady Booch, Jim Rumbaugh, Ivar Jacobson: 3 Amigos 1997 standardisiert als UML 1.1, Object Management Group (OMG) Ziel: schneller, besser, Wiederverwendung, Werkzeugunterstützung model-driven architecture (MDA): platform-independent model (PIM), platform-specific model (PSM) weite Verbreitung Werkzeuge z.b. Rational Rose, Rhapsody, Artisan Real-time Studio, ArgoUML (open source),... Probleme: Semantik, Integration der Diagrammarten Wunsch: auch für andere Systeme, z.b. Kommunikationssysteme, Echtzeitsysteme, eingebettete Systeme, Profile: Verallgemeinerung und Spezialisierung auf besondere Anwendungsgebiete, z.b. Scheduling, Performance, and Time (SPT) abweichend vom Standard gibt es UML-RT (z.b. in Rose RealTime) [KS], WS 2005/

33 Allgemeines über UML UML 2.0 genauere Semantik (aber informell) Integration weitere Diagrammarten, u.a. UML-RT, wesentliche Teile von SDL und MSCs damit gut geeignet zur Modellierung von Kommunikationssystemen großer Umfang Werkzeugunterstützung am Anfang, z.b. Telelogic Tau G2 wir konzentrieren uns hier auf die für uns relevanten Bestandteile [KS], WS 2005/

34 Allgemeines über UML Diagrammarten Struktur: Klassendiagramm u.a. Verhalten: Zustands-, Aktivitäts-, Sequenzdiagramm u.a. Zusätzliches: z.b. Informationsflüsse [KS], WS 2005/

35 Klassendiagrame Klassen, Instanzen und deren Relationen [KS], WS 2005/

36 Informationsflüsse Austausch von Informationen zwischen Instanzen hoher Abstraktionsgrad: Nachrichten, gemeinsame Variablen, können wie Blöcke, Kanäle und Gates in SDL interpretiert werden Ports entsprechen Gates Connectors entsprechen Kanälen Name in Telelogic Tau G2: Architekturdiagramme Idee von UML-RT: sich Nachrichten schickende aktive Objekte, beschrieben durch solche Architekturdiagramme und Zustandsautomaten [KS], WS 2005/

37 Zustandsdiagramme (Statecharts) composite state Beispiel: trigger guard simple state action initial state pointer transition or all internal states final states activity [KS], WS 2005/

38 Zustandsdiagramme (Statecharts) Zustände zusammengesetzt ( ORstates ): jeweils in einem der internen Zustände nebenläufig ( ANDstates ): in jeweils einem Zustand der parallelen Regionen in Zuständen können (andauernde) Aktivitäten durchgeführt werden Eingangs- und Ausgangsaktionen beim Betreten und Verlassen [KS], WS 2005/

39 Zustandsdiagramme (Statecharts) Transitionen führen zu Zustandswechsel Markierung: Ereignis[Wächter]/Aktion Ereignis: löst Transition aus Wächter: notwendige logische Bedingung Aktion: wird bei Transition ausgeführt, atomar [KS], WS 2005/

40 Zustandsdiagramme (Statecharts) Initial state pointer zeigt auf jeder Hierarchieebene zum initialen Zustand genau ein initial state pointer auf jeder Hierarchieebene wenn ein zusammengesetzter Zustand erreicht wird: interner Zustand wird durch Verfolgung der initial state pointer gefunden, dieser wird der aktuelle Zustand [KS], WS 2005/

41 Zustandsdiagramme (Statecharts) Final states Termination eines Statecharts darf nicht Ausgangspunkt einer Transition sein [KS], WS 2005/

42 Zustandsdiagramme (Statecharts) Verzweigung Weitere Pseudozustände: [KS], WS 2005/

43 Zustandsdiagramme (Statecharts) Current state N, transition T1: N state exit action M state exit action T1 transition action Branch action T2 or T3, assume T2: T2 transition action I1 initial state pointer action (not entry/exit of state L) M state entry action I2 initial state pointer action N state entry action If T3 is selected: L state exit action K state exit action (no action of state V) T3 transition action S state entry action P state entry action Branch action P state exit action T4 transition action (guard open since branch exit) Q state entry action I3 initial state pointer action R state entry action [KS], WS 2005/

44 Transitionsorientierte Zustandsdiagramme Neben die bisherigen klassischen (zustandorientierten) Statecharts treten in UML 2.0 die transitionsorientierten Statecharts, die wie SDL- Zustandsautomaten aussehen: [KS], WS 2005/

45 Aktivitätsdiagramme Verhalten kann auch durch Aktivitätsdiagramme dargestellt werden populär für Geschäftsprozeß- Modellierung Ähnlichkeit zu Petri- Netzen [KS], WS 2005/

46 Sequenzdiagramme Interaktion zwischen Objekten [KS], WS 2005/

47 Realisierung in Telelogic Tau G2 Werkzeug mit Architekturdiagramm einer Schichtenarchitektur: [KS], WS 2005/

48 Realisierung in Telelogic Tau G2 Werkzeug mit Sequenzdiagramm [KS], WS 2005/