為什么建立UML模型范例

1. 為什么建立UML模型范例

作為統(tǒng)一建模語(yǔ)言，UML可以幫助我們對(duì)很多業(yè)務(wù)、技術(shù)的知識(shí)進(jìn)行梳理，從多個(gè)視角描述清楚，幫助讀者理解。另外因?yàn)閁ML的建模首先來(lái)自于軟件建模的需求，所以UML的模型很容易轉(zhuǎn)換為軟件的設(shè)計(jì)，這對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)天生的福利。

現(xiàn)在UML對(duì)于IT技術(shù)有關(guān)的建模已經(jīng)比較成功，例如：

• 用類圖建模 數(shù)據(jù)模型、程序結(jié)構(gòu)。
• 用活動(dòng)圖建模業(yè)務(wù)流程、程序流程和運(yùn)算過(guò)程等等。
• 用順序圖建模人員交互、程序模塊交互等等。
• 用狀態(tài)圖建模控制對(duì)象的狀態(tài)邏輯。

但是一個(gè)完整的應(yīng)用，最重要的往往是專業(yè)性強(qiáng)的領(lǐng)域知識(shí)的建模。而這方面，可以公開(kāi)看到的UML范例卻不多，這也就造成了UML建模的價(jià)值還沒(méi)有被充分的挖掘出來(lái)。

所以我們嘗試采用UML對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)建模，期望能夠讓大家看到邏輯建模的重要性，以及在邏輯建模方面以面向?qū)ο笏枷霝楹诵牡腢ML建模的強(qiáng)大表達(dá)力。進(jìn)而更多的采用UML提高描述、分析和設(shè)計(jì)能力。

雖然UML對(duì)邏輯建模具有很大的表達(dá)能力，但是各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域自身、以及人們自發(fā)的描述方式也是非常重要的，而且一般是各種專業(yè)知識(shí)的首要表達(dá)方式。所以UML的建模不應(yīng)該成為已有描述形式的顛覆者，而更應(yīng)該是對(duì)已有描述的梳理，以更簡(jiǎn)潔、更加精確、更加抽象的方式進(jìn)行邏輯化描述。這樣可以對(duì)知識(shí)進(jìn)行多個(gè)維度、多個(gè)層次的更加充分的挖掘和展示。因?yàn)槲覀冞@里主要關(guān)注UML的建模，但是也不想損失已有的知識(shí)描述，所以在UML之前的各種已有的知識(shí)的描述和建模方式，我們這里稱之為 “原生圖”。

所以我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的建模采用2種方式：

• 原生圖：采用被建模領(lǐng)域的常見(jiàn)圖示，可以是專業(yè)圖，也可以是一些形象的示意圖。
• UML圖：采用UML建模，重點(diǎn)是邏輯的描述，更強(qiáng)調(diào)建模的簡(jiǎn)潔性和清晰度。

為了更加充分的描述被建模對(duì)象，這里采用4個(gè)視角進(jìn)行建模：

• 結(jié)構(gòu)視角：描述事物的構(gòu)成和關(guān)系，是一種靜態(tài)視圖。
• 過(guò)程視角：描述一個(gè)事物的行為過(guò)程，是一種動(dòng)態(tài)視圖。
• 數(shù)據(jù)視角：描述行為過(guò)程中傳遞的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是靜態(tài)視圖， 數(shù)據(jù)的傳遞是一個(gè)動(dòng)態(tài)視圖。
• 狀態(tài)視角：描述各種對(duì)象和行為的狀態(tài)變化，狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，屬于靜態(tài)視圖，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，是一種動(dòng)態(tài)視圖。
  

本文采用UML模型對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行建模。主要涉及4個(gè)視圖：

1. 結(jié)構(gòu)視圖：描述該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的節(jié)點(diǎn)和鏈接。
2. 過(guò)程視圖：描述基于該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程。
3. 數(shù)據(jù)視圖：描述通信相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和關(guān)系。
4. 狀態(tài)視圖：描述通信過(guò)程中的對(duì)象狀態(tài)。
5. TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

TCP 協(xié)議是通信網(wǎng)絡(luò)傳輸層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。為了充分的理解TCP按照TCP/IP的5層協(xié)議結(jié)構(gòu)，我們看看各層通信協(xié)議的職責(zé)，如下圖所示：

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）是指能夠在多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膮f(xié)議簇。TCP/IP協(xié)議不僅僅指的是TCP 和IP兩個(gè)協(xié)議，而是指一個(gè)由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等協(xié)議構(gòu)成的協(xié)議簇， 只是因?yàn)樵赥CP/IP協(xié)議中TCP協(xié)議和IP協(xié)議最具代表性，所以被稱為T(mén)CP/IP協(xié)議。

TCP/IP五層模型說(shuō)明：

通信過(guò)程中最重要的數(shù)據(jù)就是在各個(gè)通信協(xié)議層次傳遞的數(shù)據(jù)。如下是一個(gè)要發(fā)送的消息通過(guò)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的過(guò)程中被逐步添加相應(yīng)協(xié)議信息的示意圖：

較高的層將信息傳遞給較低的層。每一層都將被稱為header的信息添加到傳遞給它的數(shù)據(jù)中。此header包含圖層執(zhí)行其工作所需的信息。我們將從應(yīng)用程序?qū)娱_(kāi)始。

我們更關(guān)注各個(gè)層次數(shù)據(jù)的逐步累加過(guò)程，為了讓表達(dá)累加過(guò)程中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化，采用UML的類圖，對(duì)各個(gè)層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模如下：

各個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信層次對(duì)消息的處理過(guò)程采用UML的活動(dòng)圖描述其中的數(shù)據(jù)流如下：

活動(dòng)圖描述：

3. UML建模圖例

下面采用UML的4個(gè)視圖建模TCP通信協(xié)議。

3.1 結(jié)構(gòu)視圖

主要描述TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接，采用UML的復(fù)合結(jié)構(gòu)圖建模如下：

3.2 過(guò)程視圖

過(guò)程視圖主要描述2各層次：

• 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程
• TCP傳輸?shù)倪^(guò)程

TCP通信過(guò)程

建立連接

通過(guò)三次握手（3個(gè)消息）建立客戶端和服務(wù)端的連接：

1. 客戶端發(fā)出建立連接請(qǐng)求，
2. 服務(wù)端響應(yīng)
3. 客戶端確認(rèn)收到響應(yīng)

順序圖描述：

傳輸數(shù)據(jù)

如下是傳輸數(shù)據(jù)的圖示：

關(guān)閉連接

通過(guò)四次握手（4個(gè)消息）關(guān)閉客戶端和服務(wù)端的連接：

1. 客戶端發(fā)出關(guān)閉請(qǐng)求
2. 服務(wù)端確認(rèn)
3. 服務(wù)端發(fā)出關(guān)閉請(qǐng)求
4. 客戶端確認(rèn)

順序圖描述：

如下是來(lái)自于一篇網(wǎng)絡(luò)文章的關(guān)閉連接的過(guò)程描述：

• 第一次揮手：主動(dòng)關(guān)閉方發(fā)送一個(gè)FIN，用來(lái)關(guān)閉主動(dòng)方到被動(dòng)關(guān)閉方的數(shù)據(jù)傳送，也就是主動(dòng)關(guān)閉方告訴被動(dòng)關(guān)閉方：我已經(jīng)不會(huì)再給你發(fā)數(shù)據(jù)了(當(dāng)然，在fin包之前發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有收到對(duì)應(yīng)的ack確認(rèn)報(bào)文，主動(dòng)關(guān)閉方依然會(huì)重發(fā)這些數(shù)據(jù))，但此時(shí)主動(dòng)關(guān)閉方還可以接受數(shù)據(jù)。
• 第二次揮手：被動(dòng)關(guān)閉方收到FIN包后，發(fā)送一個(gè)ACK給對(duì)方，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1（與SYN相同，一個(gè)FIN占用一個(gè)序號(hào)）。
• 第三次揮手：被動(dòng)關(guān)閉方發(fā)送一個(gè)FIN，用來(lái)關(guān)閉被動(dòng)關(guān)閉方到主動(dòng)關(guān)閉方的數(shù)據(jù)傳送，也就是告訴主動(dòng)關(guān)閉方，我的數(shù)據(jù)也發(fā)送完了，不會(huì)再給你發(fā)數(shù)據(jù)了。
• 第四次揮手：主動(dòng)關(guān)閉方收到FIN后，發(fā)送一個(gè)ACK給被動(dòng)關(guān)閉方，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1，至此，完成四次揮手。

3.3 數(shù)據(jù)視圖

一個(gè)具體的TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)如下圖所示：

可以用UML的類圖對(duì)報(bào)文結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，圖示如下：

這個(gè)類圖對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系描述的更加清晰，也符合開(kāi)發(fā)工程師的結(jié)構(gòu)化需要。當(dāng)然也比較抽象，應(yīng)該結(jié)合原生圖進(jìn)行理解才好。

3.4 狀態(tài)視圖

通信協(xié)議因?yàn)榇嬖跔顟B(tài)變遷，所以一般采用狀態(tài)圖建模協(xié)議的狀態(tài)機(jī)。下圖來(lái)自于一篇網(wǎng)絡(luò)是常見(jiàn)的TCP協(xié)議狀態(tài)機(jī)(來(lái)自于一篇網(wǎng)絡(luò)文章)：

TCP狀態(tài)及其描述如下表。

這個(gè)狀態(tài)圖涉及到了客戶端、服務(wù)端、網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)對(duì)象，所以看起來(lái)一頭霧水，很難理解。這樣的圖示對(duì)于用戶是不友好的，所以有必要用UML的狀態(tài)圖改進(jìn)一下。

狀態(tài)圖的建模首先應(yīng)該識(shí)別持有狀態(tài)的對(duì)象，然后再建立它的狀態(tài)圖，TCP網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程實(shí)際上涉及到了3個(gè)對(duì)象：

• 客戶端Client，
• 服務(wù)端Host，
• 網(wǎng)絡(luò)連接Connection 。

他們分別有各自的狀態(tài)圖，下面基于TCP的通信過(guò)程，對(duì)三個(gè)對(duì)象的狀態(tài)分別進(jìn)行建模。

Connection的狀態(tài)如下

這樣看起來(lái)和通信過(guò)程完全映射，好理解多了。