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Conception des protocoles de communication
Azza Ouled Zaid
Institut Supérieur d’Informatique
2ème année Cycle d’Ingénieurs
2
Conception des protocoles
Conception des protocolesProcessus de conception des protocolesSpécification des protocolesTest des protocoles
Spécification SDL
3
Techniques de conception
Application des méthodes formelles et informatiques pour la conception des logiciels de communication
Méthodes informelles : manque de fondation théorique définition ambiguë des dispositifs désirés pas moyen de vérifier la complétude et la consistance du système coût économique exorbitant
Méthodes formelles : techniques mathématiques qui offrent une base rigoureuse du
développement logiciel, qui mène à la justesse et la fiabilité à différentes étapes
4
Langage formel
Une syntaxe formelle stricte exposer des énoncés de manière précise, concise et sans
ambiguïté
simplifier la manipulation et la transformation d'énoncés.
Appliquer les règles de transformation précises développement de formules logiques, contrapositions,
commutativité, associativité, etc. sans connaître la signification de l'énoncé transformé ou la
signification de la transformation.
5
Langage formel
Le seul langage permettant aux machines de « faire des mathématiques ».
L'inconvénient : ne pas connaître le sens de l'énoncé empêche de savoir quelles sont les transformations pertinentes et nuit à l'intuition du raisonnement.
6
Méthodes formelles pour la conception des protocoles
Offre une façon formelle et sûre pour la conception des protocoles modélisation des protocoles et spécification synthèse des protocoles
Permet une analyse formelle avant l’implémentation du protocole vérification et validation des protocoles analyse de performance des protocoles
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Langage formel pour la conception des protocoles
Une génération directe et automatique des programmes exécutables à partir d’une spécification formelle
Pas très répondu ni bien établi coût élevé en terme de temps et ressources apprendre un langage formel est aussi difficile
qu’apprendre un langage de programmation
8
Principes de conception des protocoles
Un concepteur adhère à une discipline si seulement si elle nous permet d’obtenir :
simplicité
modularité
faisabilité
robustesse aux pannes
comportement : ordonnancement, absence de blocage,
cohérence des données partagées
9
Simplicité
Un protocole bien structuré réalisé à partir d’un petit nbre de
blocs clairs et bien conçus
Chaque bloc réalise convenablement une fonction
Le fonctionnement des blocs et leur façon d’interagir.
facile à comprendre et à implémenter, facile à vérifier et à
maintenir.
Les protocoles légers vérifient l’argument suivant : efficacité et
vérifiabilité ne sont pas des objectifs orthogonaux mais
complémentaires
10
Modularité — Une hiérarchie des fonctions
Une fonction complexe peut être construite avec des petits
blocs qui interagissent d’une manière simple.
Chaque petit bloc est un protocole léger qui peut être
séparément réalisé, vérifié, implémenté et maintenu
Les fonctions orthogonales sont conçues d’une façon
indépendante.
La structure du protocole résultant est ouverte, extensible, remplaçable sans affecter le fonctionnement des composants individuels
11
Modularité — Une hiérarchie des fonctions
Les modules individuels ne fixent aucune hypothèse sur la présence des autres modules ou leur fonctionnement. Le contrôle des erreurs et le contrôle des flots de données sont des
fonctions orthogonales, résolus séparément
Ils n’imposent aucune hypothèse sur les données à part celui qui est strictement nécessaire à la réalisation de cette fonction
• Un système de correction ne doit pas imposer des hypothèses sur, codage des données, vitesse de transmission. Ces préoccupations, s’ils sont nécessaires sont placés dans d’autres modules, spécialement optimisés à cet objectif
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Protocole bien formé Ne doit pas contenir des codes inatteignables ou inexécutables. Complétude : un protocole incomplet peut causer des réceptions non
définies durant l’exécution. Borné : il ne dépasse pas les limites du système (capacité des files
d’attente). Stabilisation automatique :
Si une erreur résiduelle change arbitrairement l’état du protocole ce dernier retourne toujours à l’état ciblé.
Si le protocole est initialisé à partir d’un état aléatoire il atteint l’état ciblé dans un temps fini
Adaptation dynamique Ex: adapter le débit de transmission à la capacité du canal et au débit de
réception.
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Robustesse
Les événements inattendues exigent des considérations automatiques
Pas difficile de concevoir un protocole qui travaille dans des conditions normales
Leur défi est l’inattendu. le protocole doit être préparé pour traiter convenablement chaque action faisable et chaque chaîne d’action réalisable sous n’importe quelle condition possible.
Le protocole devrait prendre en charge au minimum son
environnement pour éviter des dépendances sur les dispositifs particuliers qui pourraient changer.
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Robustesse
Une conception robuste est automatiquement mise à l’échelle de la nouvelle technologie, sans exiger les changements fondamentaux.
Une conception minimale qui élimine les contraintes non essentielles qui pourraient empêcher l'adaptation aux conditions imprévues.
Élimination des aspects les moins pertinents pour ne considérer
que ceux qui sont essentiels.
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Cohérence Il y a quelques normes et manières redoutées dans lesquelles les
protocoles peuvent échouer
Blocage : états dans lesquels aucune autre exécution de protocole
n'est possible,
• Ex: touts les processus du protocole attendent les conditions qui ne
peuvent jamais être remplies.
Boucle infinie : séquence d’exécutions qui peuvent être répétées
indéfiniment souvent sans accomplir jamais le progrès efficace.
Arrêts non déterminé : l'accomplissement d'une exécution de
protocole sans satisfaire les conditions d’arrêt appropriées.
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En général, le respect de ces critères ne peut
pas être vérifié par une révision manuelle des
spécifications de protocole.
Des outils plus puissants sont nécessaires pour
les empêcher ou les détecter.
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Les 5 éléments d’un protocole Les spécifications de protocole se composent de cinq parties
distinctes. Pour être complète, chaque spécification doit inclure explicitement :
1. Le service à fournir par le protocole
2. Les conditions au sujet de l'environnement dans lequel le protocole
est exécuté
3. Le vocabulaire des messages employés pour mettre en application
le protocole
4. Le codage (format) de chaque message dans le vocabulaire
5. Les règles de procédures gardant l'uniformité des échanges de
message
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Les 5 éléments d’un protocole (suite)
L’étape 5, est le cœur d’un protocole. Une assertion de justesse est une assertion sur la
possibilité ou l’impossibilité d’un comportement
Définir des formalismes pour décrire et vérifier le comportement des processus
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Dix règles de base de conception de protocole
1. Assurez-vous que le problème est bien défini.
2. Définissez le service à réaliser à chaque niveau d'abstraction (qui vient avant et comment?).
3. Concevez la fonctionnalité externe avant la fonctionnalité interne.
4. Maintenez-la simplicité
5. Identifier les problèmes plus simples, les séparer, et puis les résoudre individuellement.
6. Ne reliez pas ce qui est indépendant. Séparez les
préoccupations orthogonales.
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Dix règles de base de conception de protocole (suite)
7. Ne présentez pas ce qui est négligeable.
8. Avant de mettre en application une conception, établissez un prototype à niveau élevé et vérifiez que les critères de conception sont rencontrés.
9. Implémenter la conception, mesurez sa performance, et au besoin, optimisez-la.
10. Vérifiez que la version finale d‘implémentation optimisée est équivalente à la conception qui a été vérifiée.
Ne sautez pas les règles 1 à 7. La règle 10 est la plus fréquemment violée
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Développement des logiciels
Le développement des logiciels passe par des phases qui amènent à la production d’un système vérifiant certaines caractéristiques et répondant aux besoins préalablement requis.
Ces phases font partie de tous les cycles de développement de systèmes indépendamment de : la nature, domaine, taille et la complexité du
système à développer.
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Le génie logiciel Le modèle du cycle de vie (ou de processus) d’un
logiciel est un modèle de phases qui commence quand le logiciel est conçu et se termine quand le produit n’est
plus disponible pour l’utilisation.
Plusieurs modèles de cycle de vie d’un logiciel existent
Le mode d'organisation le plus employé et normalisé par l'AFNOR (Association Française de Normalisation) est une technique par anticipation appelée Modèle en V
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Le modèle de développement en V
Le plus tôt qu’on identifie une erreur dans la trajectoire de développement, le moins cher il est de corriger l’erreur
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Modèle d’un logiciel
Une spec formelle est un modèle abstrait Un modèle est une entité qui se comporte comme le
système réel de certains points de vue P.ex. un modèle d’avion pourrait
• Être comme l’avion, mais beaucoup plus petit
• Être comme l’avion, mais ne pas voler
• Se comporter comme l’avion pour le pilote, mais il ne peut pas avoir des passagers, ne peut pas voler, etc. (simulateur de vol)
Donc il est une abstraction Un modèle formel d’un logiciel est une entité mathématique qui
a certaines des caractéristiques du logiciel, mais pas d’autres • P.ex. n’est pas capable de fonctionner à la même vitesse, ne peut
pas produire la sortie dans l’exacte forme désirée, etc.
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Différents niveaux de spécifet cycle de développement
Nous pouvons effectuer des V&V et du test entre tous les niveaux
Spec d’exigences (langue naturelle, notation logique)
Spécification du comportement
Spécification de l’implantation
(comportement utilisant des composantes données)
Implantation
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Spécification d’exigences ou besoins
Ce que le système doit faire pour l’usager, les exigences peuvent être à plusieurs niveaux
d’abstraction, peuvent représenter différents aspects du système
Nombreuses méthodes de spec développés, p.ex. Use Cases (UML) Notations logiques Diagrammes de transitions d’états…
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Spécification du comportement
Décrit le comportement du système en termes de séquences d’interactions possibles avec l’environnement
Les modèles à états sont les plus souvent utilisés,
p.ex. au début, le système et dans l’état inactif, ceci rend possible une transition signalisation, par laquelle le
système passe à un état attente puis il passe à l’état signal occupé
La structure interne de la spec est abstraite, ne correspond pas à un modèle d’implantation
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Spécification de l’implantation
Semblable à la spec du comportement Mais la spec a une structure interne qui
correspond à un modèle d’implantation Décrit les composantes de l’implantation,
etc.
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Vérification et test
La vérification est une technique dont le rôle est de s’assurer qu’un système corresponde aux exigences
Une distinction plus fine est entre Validation: la fonctionnalité du système correspond-elle aux
exigences de l’usager? Vérification: le système, fonctionne-t-il bien? Dont l’acronyme V&V
Test: processus de détection de fautes par exécution et comparaison des résultats avec les exigences
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Validation et vérification
Conformité aux exigences : système |= spécification Validation : do we build the right product ? Vérification : do we build the product right ? En pratique :
examen du code par une équipe indépendante test (en général ad hoc)
Vérification en fin de conception irréaliste : il n'y a pas de spécification complète infaisable : outils de vérification pas assez puissants inutile : erreurs détectées trop tard
intégrer V & V dans la conception
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Techniques de vérification
Vérification déductive règles de preuve associées aux instructions du programme vérification suivant la structure syntaxique mécanisation : assistants de preuve, démonstrateurs de
théorèmes
Vérification sémantique (model checking) méthode algorithmique de vérification exploration exhaustive de l'espace d‘états du modèle domaine d'application : hardware, protocoles de communication,. vérification de propriétés ou d‘équivalences entre modèles
Pre-requis sémantique (opérationnelle ou axiomatique) des systèmes
langage de spécification
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Techniques de validation Simulation
exécution d'un modèle du système prototypage, discussion avec le client
Test appliquer des stimuli à l'implémentation du système Établir la conformité à l'objectif de test white box : structure interne du système connue black box : on ne connaît que l'interface du système montre la présence d'erreurs, jamais leur absence (Dijkstra)
Standardisation : ISO-ITU-T 96 génération de cas de test (use case) pour l'objectif visé sélection d'un sous-ensemble représentatif implantation des cas de test exécution avec le logiciel test analyse des résultats
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Cycle de vie du système de télécommunication
Étude préalable de besoin
Spécification
Conception générale
Implémentation :Spécification logicielleConception préliminaireConception détaillée etGénération du code
Tests d'intégration (cible)
DéboguageTests unitairesTests d'intégration (hôte)
Tests fonctionnels
Exploitationmaintenance
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Spécifications des protocoles
Les spécifications de protocole consiste à préciser l’ensemble des objectifs à réaliser
par la mise en œuvre pratique
définir le comportement requis pour une entité de protocole
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Spécifications des protocoles la nature des spécifications de protocole a une influence forte
sur le test du protocole
test de conformité : moyen d’assurer la satisfaction de l’implémentation du protocole aux besoins
Les systèmes de protocole ne sont pas des systèmes logiciels traditionnels, mais une variante du logiciel
Les systèmes traditionnels se composent des fonctions qui partent d'un état initial vers un état final ces systèmes s'appellent transformationnels parce qu'ils
transforment un premier état à un état final les exemples typiques : fabrication, traitements des données
différés, progiciels
Progiciel :Logiciel d'application paramétrable, destiné à la réalisation de diverses tâches.
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Spécifications des protocoles
Les systèmes réactifs peuvent ne jamais se terminer
le but d'exploiter les systèmes réactifs est de maintenir l'interaction avec l'environnement système
un système réactif ne peut pas être spécifier en se référant seulement à ses états initiaux et finals, mais plutôt à son comportement continu
les exemples typiques sont les logiciels d'exploitation,
les systèmes de contrôle de processus, et les systèmes de protocole de communication
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Spécifications des protocoles
Système de protocole de communication = système réactifs Techniques de description formelles : réseaux de Pétri, grammaires formelles, langages de
programmation à haut niveau, algèbres de processus, types de données abstraits, et logique temporelle,
Les Machine à État fini (MEF) ont été souvent étendues par l'addition des paramètres et des attributs de données afin de traiter naturellement certaines propriétés des protocoles par exemple numérotation des séquences et adressage
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Introduction à SDL
SDL : Specification and Description Language
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Développement Au début SDL n’était qu’un simple formalisme graphique
pour spécifier les machines à états finis des protocoles téléphoniques
En 1984, on ajouta les processus et les données SDL 1988 vit une stabilisation sur laquelle on a bâti
ultérieurement En 1992 on ajouta l’orientation objet En 1996 on ajouta
ASN.1, une notation pour la spec des structures de données
et les Message Sequence Charts• Aujourd’hui SDL et MSC sont deux notations intégrées
Nous avons couramment un effort d’intégration de SDL dans UML
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Brève intro à l’SDL L’SDL est essentiellement graphique, même si une
notation textuelle existe Deux éléments primaires:
Structure• Identifie les différentes composantes du système, et les voies
de communication• Composantes: Blocks, Processes
• Communication:
• Channels (entre blocs): communication qui prend du temps
• Signal routes (dans un bloc): communication instantanée
• Les points de connexion: Gates
Behaviour - Comportement• Seulement les processus ont un comportement• Basé sur le modèle des machines à états finis étendues
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Structure à haut niveau
Block_1
Block_2
Example de system SDL
canal
environnement
path
toEnv1 toEnv2
[m2]
[m3][m1]
[m4]
bloc
nom de canal
signaux en sortie
signaux en entrée
Signaux permisdans ce canal
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Déclarations de signaux (dans un système ou bloc ou processus)
SIGNAL m1, m2, m3(INTEGER), m4, m5;
paramètres
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Dans un Bloc un système est composé de blocs, les blocs sont
composés de processus
Block Block_1
nom de bloc
Process_1
Process_2
[m1]
[m4]
[m5]signal route
processus
sr1
sr2
sr3
nom de signal route
SIGNALm5;
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Processus À moins de spécification explicite, une instance d’un
processus est créée à l’amorçage du système, et continuera jusqu’à ce que le processus décide de se terminer
Chaque processus reçoit (automatiquement par le système) son propre Process Identifier ou PID
Les processus peuvent être créés dynamiquement:
P(1,3)
No d’instances à l’initialisation
P(0, )
No max d’instances
No illimité d’instances
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Block_3:aType
Block_4:aType
Example2
Block Types
path
toEnv1 toEnv2
[m1]
[m1]
[m4] [m4]g1
g2g1g2
aType
block type block instances
typeofinstancegate
references
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Intérieur d’un Block Type
Block Type aType
block type name
Process_3
Process_4
[m4]
[m1]
[m5]gatereference
gate
sr4
sr5
sr6
gate name
g1
g2
[m4]
[m1]
[m4]
Signaux permis à travers porte
g2
[m4]
g1
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Process Types
P_typeSymbol:
P1: P_typeInstance:
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Signal List pour abréger les listes
SIGNAL m1, m2, m3(INTEGER), m4;
SIGNALLIST list1 m1, m2, m3, m4;
Example3
signal list name
Block_b[(list1)]
Utilisation designal list
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Détails
Les blocs peuvent contenir des sous-blocs ou aussi des processus
Les déclarations de signaux, listes de signaux, etc., peuvent être à tous les niveauxEncourage la bonne pratique de faire les
déclarations au niveau le plus interne
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Behaviour, Comportement Seulement les processus peuvent avoir un comportement Le comportement définit une machine à états finis étendue (MEFE) Modèle:
Chaque processus a une (et seulement une) file d’entrée à travers laquelle il peut recevoir des signaux
Cette file est infinie théoriquement, mais finie en pratique Signaux de sources différentes sont ajoutés à la même file à leur
arrivée• Tandis que dans le modèle MEFC (Chap. 4) il y a un canal pour chaque
paire de processus communicants
Quand un signal en tête d’une file d’entrée d’un processus est égal au signal d’entrée qui cause une transition d’état possible pour l’état courant du processus, cette transition est effectuée et le signal est enlevé de la file
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Communication entre processus
P1
P2
P3…
Chaque proc a sa propre file d’entrée, une seule
Un proc peut insérer des signaux dans sa propre file
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Transitions d’états en SDL En principe, le modèle d’automate de SDL
est le modèle Mealy:
Cependant ce modèle a été élargi en SDL.Les transitions peuvent être des
programmes de complexité arbitraire
entrée / sortie
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Transitions en SDL
Une transition contient une entrée au débutSauf pour le cas de garde… (à voir)
Et peut contenir 0 ou plusieurs sortiesMême une boucle de sorties…
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SDL Behaviour-Comportement
state1
m5
m2
state2
état
entrée
m4
m4
state3
prochain état
Process p1
state1
état initial
sortie
Observez les symboles pour les entrées, les sorties, et les états
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Variables
Les déclarations sont séparées par des virgules, à la fin de toutes il y a un ;
DCL v1 INTEGER, v2 PID, v3 BIT, v4 OCTET, v5 DURATION;
Identificateur de proc
Pour la minuterie
0 ou 1
huit bits
Nom de variable
Type de variable: entier
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Entrée de valeurs
http://www.sdl-forum.org/sdl88tutorial/3/signals.htm
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Mécanismes d’interaction et transitions
Si à un moment donné la file d’entrée n’est pas vide, le premier signal est enlevé
S’il y a une transition correspondante, elle est exécutée
Sinon le message est écarté, à moins que… (save!)
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SAVEDans cet exemple, le signal C est remis dans le canal. Si p.ex. il y a un signal A après le C, la transition A est effectuée mais C reste dans le canal.Malheureusement, la manière dans laquelle cette fonctionnalité est censée fonctionner n’est pas définie dans la norme et elle est laissée à l’implémentationQuestions possibles, pas résolues dans la norme :
Dans quelle position du canal est-il mis? Au début ou à la fin? Sera-t-il encore disponible si le prochain état aussi ne peu pas l’utiliser?
save
http://sdl-forum.org/sdl88tutorial/4/semantics_of_the_communication.htm
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Variables PID Chaque signal d’entrée porte automatiquement le PID du proc
qui l’a envoyé Chaque processus a une var prédéfinie SENDER Quand un signal d’entrée est reçu, la valeur du PID de l’envoyeur est
affecté à SENDER
Autres PIDs prédéfinis: SELF: le PID de ce processus PARENT: le processus qui a créé ce processus OFFSPRING: le processus le plus récemment créé par ce processus
Les PIDs sont générés automatiquement par le système d’exécution, donc l’usager pourrait avoir quelques difficultés à les reconnaître…
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Gardes
state1
m3
state2
m4
m1
state3
x = 5
x < 0
Nous venons ici s’il n’y a pas d’entrée appropriée pour l’état et la cond est vraie
DCL x INTEGER;
Condition garde
Si condition vraie on vient ici
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Fonctionnement des transitions avec gardes
On contrôle la file d’entrée
S’il y a un signal approprié dans la file d’entrée, on suit la transition pour ce signal
Si la file est vide ou il n’y a pas de signal attendu, mais la garde est vraie, on suit la transition de la garde
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MinuterieActions avec minuterie
SET: Une minuterie est amorcée avec une valeur• Le langage ne spécifie pas les unités de temps
• Défaut outil Tau: millisecondes RESET: Annule une minuterie déjà amorcée EXPIRY: Notification que la minuterie est déclenchée
• Résultat: un message d’expiration avec un nom qui est celui de la minuterie est mis dans la file d’entrée du processus (!)
• Ceci veut dire que une temporisation pourra être reçue quelque temps après
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Minuteries, timers
set(now+5.0,t1) Amorce minuterie t1Temporisation 5.0 “unités de temps” de maintenant
state1
t1 m2
reset(t1)
TIMER t1;
Rec. message d’expiration de t1Annulation de minuterie
Déclaration de t1
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SDL Process with Timers and Queues
SDL Process
Input Queue (per process)
Timer
Synchronize withglobal time
Get valueof NOW
Ask for valueof NOW
Send signal to another process
Get signal fromanother process
(queue always open)
Place timer signal into the queue
Remove timer signal from the queue
Timer signal consumed by SDL process (can deactivate)
SET, RESET Ready to consume a signal
Send signal to processas soon as have one
ModifiedFIFO
RESET – remove from queue and de-activate (stop counting)SET – RESET and activate (start counting)3 states of a timer - active
- inactive- timer signal in queuecurrent time
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Programmer les transitions
Une transition, causée par une entrée du canal ou une garde, peut contenir un programme entier, impliquant 0 ou plusieurs sorties en positions différentes
Pour programmer ces transitions, plusieurs éléments sont fournis, correspondant aux bien connus organigrammes (flow-charts)
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Exemples d’éléments qui peuvent être utilisés dans une transition
x := 0 Affectation de variables
Prcd_name Appel de procédures
Prcs_name Création d’instance de processus
Terminaison de processus
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Décisions
Opérateurs: <, <=, >, >=, =, /=
x = 3true
false
x
=2= 1 else
variable
conditions
Condition logique
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Entrée/sortie de signaux
Options pour les sorties des signaux:
Le signal est envoyé sur la route spécifiée
Le signal est envoyé au processus spécifié
m3 VIA signal_route_name
m3 TO process_id
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Environnement
L’environnement est connecté au système comme un autre processus
L’environnement est supposé savoir quels messages à envoyer à un moment donné, sinon ils seront écartés
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SDL/GR et SDL/PR http://www.sdl-forum.org/sdl2000present
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Message Sequence Charts
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Introduction à MSC Langage graphique et textuel pour spécifier les séquences
d’événements dans un système semblable aux Diagrammes de séquence de l’UML
La notation par laquelle les scénarios d’un système SDL sont présentés
Deux parties: MSC réguliers
• montrent directement les messages possibles
MSC haut niveau (HLMSC) • montrent la corrélation entre MSC réguliers
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Diagrammes de séquences (Message Sequence Charts MSC)
Décrivent les protocoles de manière visuelle communications et interactions
Expriment des scénarios positifs/négatifs entre processus concurrents. Utilisés au début du cycle de développement
abstraction des données, etc...
Standard de la norme Z.120 de l'ITU (CCITT), utilisés dans
UML (Unified Modeling Language).
La visualisation de la trace du message est choisi d’une
manière simple et intuitive
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Diagrammes de séquences (Message Sequence Charts MSC)
Pour la spécification du transfert des fichiers Frontières des interfaces, commande séquentielle
des messages, temporisateurs etc...
Chaque diagramme MSC représente un scénario d'un échange typique ou exceptionnel des messages entre les entités du système
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MSC for B-ISDN (outgoing call)
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Message Sequence Graphs (MSG)
Un MSG est un graphe, dont les noeuds sont étiquetés par des MSC.
Le MSG décrit une spécification comme un ensemble (éventuellement infini) de MSC, correspondant aux chemins acceptants du graphe.
Lors des branchements, les choix locaux des processus doivent respecter le contrôle global donné par l'étiquette d'un noeud.
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Exemple MSG
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Exemple (MSC)
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SDL : Specification and Description Language
MSC et SDL décrivent le même comportement avec deux perspectives différentes
SDL montre comment se comporte chaque entité communicante, alors que les diagrammes MSC montrent comment ils interagissent l'un sur l'autre en échangeant des messages
Avec des spécifications des systèmes de communication complexes Structure (architecture) des systèmes
• faire coopérer des parties ( systèmes, blocs, processus) Communications avec l'environnement et dans le système
• Canaux comme chemins de communications
• Signaux comme les messages transférés à travers le canal Comportement dynamique de chaque pièce basé sur des machines
d'état
80
Annexes
81
Annexes
82
Annexes
83
Annexes
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