为什么建立UML模型范例

1. 为什么建立UML模型范例

作为统一建模语言，UML可以帮助我们对很多业务、技术的知识进行梳理，从多个视角描述清楚，帮助读者理解。另外因为UML的建模首先来自于软件建模的需求，所以UML的模型很容易转换为软件的设计，这对于软件开发者来说是一个天生的福利。

现在UML对于IT技术有关的建模已经比较成功，例如：

• 用类图建模 数据模型、程序结构。
• 用活动图建模业务流程、程序流程和运算过程等等。
• 用顺序图建模人员交互、程序模块交互等等。
• 用状态图建模控制对象的状态逻辑。

但是一个完整的应用，最重要的往往是专业性强的领域知识的建模。而这方面，可以公开看到的UML范例却不多，这也就造成了UML建模的价值还没有被充分的挖掘出来。

所以我们尝试采用UML对各个领域的专业知识建模，期望能够让大家看到逻辑建模的重要性，以及在逻辑建模方面以面向对象思想为核心的UML建模的强大表达力。进而更多的采用UML提高描述、分析和设计能力。

虽然UML对逻辑建模具有很大的表达能力，但是各个专业领域自身、以及人们自发的描述方式也是非常重要的，而且一般是各种专业知识的首要表达方式。所以UML的建模不应该成为已有描述形式的颠覆者，而更应该是对已有描述的梳理，以更简洁、更加精确、更加抽象的方式进行逻辑化描述。这样可以对知识进行多个维度、多个层次的更加充分的挖掘和展示。因为我们这里主要关注UML的建模，但是也不想损失已有的知识描述，所以在UML之前的各种已有的知识的描述和建模方式，我们这里称之为 “原生图”。

所以我们对专业知识的建模采用2种方式：

• 原生图：采用被建模领域的常见图示，可以是专业图，也可以是一些形象的示意图。
• UML图：采用UML建模，重点是逻辑的描述，更强调建模的简洁性和清晰度。

为了更加充分的描述被建模对象，这里采用4个视角进行建模：

• 结构视角：描述事物的构成和关系，是一种静态视图。
• 过程视角：描述一个事物的行为过程，是一种动态视图。
• 数据视角：描述行为过程中传递的数据，数据结构是静态视图， 数据的传递是一个动态视图。
• 状态视角：描述各种对象和行为的状态变化，状态的数据结构定义，属于静态视图，状态的转换过程，是一种动态视图。
  

本文采用UML模型对TCP协议进行建模。主要涉及4个视图：

1. 结构视图：描述该协议的网络通信相关的节点和链接。
2. 过程视图：描述基于该协议的网络通信的过程。
3. 数据视图：描述通信相关的数据结构和关系。
4. 状态视图：描述通信过程中的对象状态。
5. TCP/IP协议简介

TCP 协议是通信网络传输层的网络通信协议。为了充分的理解TCP按照TCP/IP的5层协议结构，我们看看各层通信协议的职责，如下图所示：

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

TCP/IP五层模型说明：

通信过程中最重要的数据就是在各个通信协议层次传递的数据。如下是一个要发送的消息通过各个网络协议层的过程中被逐步添加相应协议信息的示意图：

较高的层将信息传递给较低的层。每一层都将被称为header的信息添加到传递给它的数据中。此header包含图层执行其工作所需的信息。我们将从应用程序层开始。

我们更关注各个层次数据的逐步累加过程，为了让表达累加过程中数据结构的变化，采用UML的类图，对各个层次的数据结构进行建模如下：

各个网络通信层次对消息的处理过程采用UML的活动图描述其中的数据流如下：

活动图描述：

3. UML建模图例

下面采用UML的4个视图建模TCP通信协议。

3.1 结构视图

主要描述TCP协议的网络通信相关的网络节点和连接，采用UML的复合结构图建模如下：

3.2 过程视图

过程视图主要描述2各层次：

• 整个网络通信的过程
• TCP传输的过程

TCP通信过程

建立连接

通过三次握手（3个消息）建立客户端和服务端的连接：

1. 客户端发出建立连接请求，
2. 服务端响应
3. 客户端确认收到响应

顺序图描述：

传输数据

如下是传输数据的图示：

关闭连接

通过四次握手（4个消息）关闭客户端和服务端的连接：

1. 客户端发出关闭请求
2. 服务端确认
3. 服务端发出关闭请求
4. 客户端确认

顺序图描述：

如下是来自于一篇网络文章的关闭连接的过程描述：

• 第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但此时主动关闭方还可以接受数据。
• 第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。
• 第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
• 第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

3.3 数据视图

一个具体的TCP报文结构如下图所示：

可以用UML的类图对报文结构进行建模，图示如下：

这个类图对结构的关系描述的更加清晰，也符合开发工程师的结构化需要。当然也比较抽象，应该结合原生图进行理解才好。

3.4 状态视图

通信协议因为存在状态变迁，所以一般采用状态图建模协议的状态机。下图来自于一篇网络是常见的TCP协议状态机(来自于一篇网络文章)：

TCP状态及其描述如下表。

这个状态图涉及到了客户端、服务端、网络连接多个对象，所以看起来一头雾水，很难理解。这样的图示对于用户是不友好的，所以有必要用UML的状态图改进一下。

状态图的建模首先应该识别持有状态的对象，然后再建立它的状态图，TCP网络通信过程实际上涉及到了3个对象：

• 客户端Client，
• 服务端Host，
• 网络连接Connection 。

他们分别有各自的状态图，下面基于TCP的通信过程，对三个对象的状态分别进行建模。

Connection的状态如下

这样看起来和通信过程完全映射，好理解多了。