面向LR-WSN的多方协议一致性测试系统设计与实现

谢昊飞，蔡龙腾

(重庆邮电大学 自动化学院，重庆 400065)



面向LR-WSN的多方协议一致性测试系统设计与实现

谢昊飞，蔡龙腾

(重庆邮电大学 自动化学院，重庆 400065)

针对由国家传感器网络标准工作组PG3项目组提出的低速无线传感器网络(Low-rateWirelessSensorNetworks，LR-WSN)网络层和应用支持子层规范，搭建LR-WSN多方协议一致性测试平台，对测试系统部分功能与性能进行验证与分析，验证LR-WSN多方测试系统的优越性。

LR-WSN；多方协议一致性测试；抽象测试集；测试系统

随着低速无线传感器网络应用的不断发展，相关产品和系统的不断推出，以后涉及到的设备厂商会越来越多[1]。此时，不同子网之间、不同厂家设备之间互联互通的问题也会越来越突出，严重时会引起整个网络的不稳定[2]。通过对WIA-PA一致性测试系统、艾默生公司的WirelessHART一致性测试系统和WCI开发的ISA100.11a一致性测试系统进行对比分析，现有的测试系统往往不能同时对测试覆盖率、测试效率、可控性、易操作性等方面进行综合考虑，再加上低速无线传感器网络测试网络的动态变换性、协议复杂性以及对测试效率的要求，简单的单方测试系统已经无法满足上述需求，而多方测试系统能够在一定程度上有效地解决上述问题，灵活地构建测试拓扑结构,较高地覆盖协议规范内容以及提高测试效率[3-5]。因此，研究适用于低速无线传感器网络的多方协议一致性测试系统对增加设备之间互联互通的可能性以及加快低速无线传感器网络产业化进程具有重大意义[6]。

1　LR-WSN协议一致性多方测试系统设计方案

1.1协议一致性测试方法选择

单纯的单方测试覆盖率较低，难以实现测试的自动化，无法覆盖路由、广播、最大深度、地址分配等内容的测试，且多个测试案例之间难以实现自动衔接。

为了解决上述问题，本文在选用分布式抽象测试方法的基础上，采用一种带有一个单上测试器的多方测试结构，如图1所示[7]。此种结构相当于多个分布式测试方法的组合，单个下测试器(LowerTester，LT)与被测协议实现(ImplementationUnderTest，IUT)以及上测试器(UpperTester，UT)与IUT的关系相当于分布式测试法中LT、UT与IUT之间的关系。测试过程中，根据测试案例的需要，可以选择一个或多个LT和UT共同控制和观察IUT的上下服务边界接口。

图1　低速无线传感器网络多方一致性测试结构

下测试器控制功能(LowTesterControlFunction，LTCF)和LT位于测试系统中，LTCF是测试活动的发起者和控制者，具有对测试例的测试判决功能，并且能够协调控制多个LT活动。

多方测试结构中，采用单个的UT结构。UT位于被测系统中，为一段人工用户编程代码，测试执行前由被测方添加，负责对IUT的上边界服务接口进行控制和观察。测试协作过程(TestCoordinationProcedure，TCP)提供测试协调规程，包括LT与LT、LT与UT以及LTCF与UT之间的协调[8]。

1.2测试系统拓扑结构

综合各个系统的优势以及前面对LR-WSN一致性测试系统的方法分析，设计测试系统的拓扑结构如图2所示，其中测试服务平台包括测试服务器和辅助测试的路由器或交换机，测试网络中包括测试路由器、协议分析仪和第三方厂家的被测设备。

图2　测试系统拓扑结构

测试系统运行过程中的信息交互如下：用户提交测试相关的申请信息到测试服务器；测试服务器根据这些信息和协议规范生成可执行测试集，通过下发的属性配置、角色配置、测试命令和控制信息，控制和协调测试网络中的测试路由器、协议分析仪以及被测设备完成测试过程，并将测试路由器和协议分析仪发送上来的测试响应、设备属性、网络属性及协议报文等信息动态显示给测试用户。

1.3测试系统总体结构

LR-WSN一致性测试系统总体结构主要由4种功能类型的设备组成：测试服务器、测试路由器、协议分析仪和被测设备。

1)测试服务器

测试服务器负责对整个测试执行过程的控制和管理，并通过测试管理服务接口和测试数据服务接口与测试路由器与协议分析仪进行数据和管理服务交互。测试服务器可采用终端界面或者Web界面两种人机交互方式，为用户提供测试系统配置、测试案例生成过程、测试执行控制、测试监控信息、测试结果分析、测试报告生成、Web服务以及故障诊断等测试应用。

2)测试路由器

测试路由器是测试过程的实际执行者，接收来自测试服务器的各种控制命令，完成所需的配置、拓扑环境形成过程后，调用下测试代理功能对被测实现进行激励或者是响应上测试代理的激励完成测试过程。

3)协议分析仪

协议分析仪通过数据采集端实时捕获测试网络中的数据包并对其进行分析，可提供协议解码、性能分析、网络分析等功能，为测试结果分析提供最为直观有力的参考。

4)被测设备

被测设备是指嵌有LR-WSN被测协议实现的设备，可以是被测协调器、被测路由器或被测终端设备。被测设备主要由LR-WSN被测协议实现和上测试代理(UpperTesterAgent，UTA)两部分构成。

2　LR-WSN多方协议一致性测试系统设计与实现

2.1测试路由器的设计与实现

如图3所示，测试路由器硬件结构主要包括LM3S8962主控制器、CC2530模块、以太网通信模块和电源管理模块。LM3S9862主控制器分别通过以太网通信模块和串口通信接口实现与测试服务器和CC2530无线模块的通信交互，电源管理模块负责对其他所有模块进行供电管理。

图3　测试路由器硬件结构

测试路由器软件功能结构的设计主要由操作系统内核、硬件抽象层、网络通信协议层以及测试执行管理层4部分组成，如图4所示。其中硬件抽象层包括以太网通信、RS-232串口通信、IEEE802.15.4无线通信；网络通信协议层主要包括TCP/IP协议实现和LR-WSN参考协议实现；测试执行管理层主要包括下测试代理模块，下测试代理由测试执行、测试协调、测试监控、协议监控以及测试管理模块组成。

图4　LR-WSN测试路由器软件功能结构

2.2被测设备上测试代理的设计与实现

2.2.1上测试代理的位置

UTA由测试方提供，在测试执行前由被测方嵌入到IUT的测试应用进程中，通过接收UTA命令对IUT的上边界服务接口进行控制和观察。

为了尽可能与IUT脱离开来，降低被测方添加UTA代码的难度，将UTA放在应用层上层的测试应用进程中，UTA可以通过测试端点和测试响应端点与下层服务进行通信。

2.2.2上测试代理软件设计与实现

上测试代理的软件结构包括UTA命令管理器、测试协调、UTA命令解析器、UTA命令执行器和UTA测试接口，如图5所示。

图5　UTA软件结构图

UTA测试命令管理器主要是对LTA转发过来的测试命令进行接收并且存储；UTA命令解析器对接收的UTA命令进行TCP报文格式解析；UTA命令执行器通过对UTA的协议监控接口进行调用完成对IUT上边界服务接口的控制和观察；UTA测试接口提供UTA与LTA的通信接口、协议监控接口以及测试行规命令接口。

3　LR-WSN测试系统验证

3.1LR-WSN多方协议一致性测试平台搭建

测试平台主要包括测试服务器、交换机、4个测试路由器和被测路由器，如图6所示。测试路由器通过交换机接入网络，测试路由器根据测试网络的需要，启动并加入网络。

图6　LR-WSN多方协议一致性测试平台实物图

LR-WSN多方协议一致性测试平台运行界面如图7所示，主要包括测试执行区、设备属性区、测试过程动态显示区和测试报文动态解析区。

图7　LR-WSN多方协议一致性测试平台界面(截图)

测试执行区包括PICS表单信息查看、PIXIT表单信息查看和测试集执行，用户可以查看之前提交的PICS、PIXIT表单信息以及设备在线列表等，并且在测试集中将自动生成的测试案例进行二次选择；设备属性区主要查看设备的一些网络属性和设备属性；测试过程动态显示区可以查看测试案例运行进度以及测试案例的详细信息等；测试报文动态解析区提供的动态测试报文解析便于用户查看测试报文以及分析网络中测试状况。

3.2LR-WSN多方协议一致性测试系统验证

3.2.1LR-WSN多方协议一致性测试系统功能验证

1)测试系统功能验证平台搭建

本系统使用TCP&UDP测试工具和TI公司的SmartRFPacketSniffer软件对测试路由器功能以及被测设备上测试代理功能进行验证，搭建功能验证平台如图8所示。测试路由器通过网络接口与测试主机相连，测试主机可以向测试路由器发送测试命令；抓包器通过USB接口与测试主机相连，负责对整个网络中的无线数据包进行监控。

图8　测试系统功能验证平台

2)测试路由器功能验证

测试路由器的功能包括角色配置、UTA命令转发与响应上传、查看设备信息等。由于篇幅限制，选取测试路由器有代表性的查看设备信息功能进行验证。

搭建的测试系统验证平台如图8所示，测试路由器1为协调器，被测设备为路由器，成功组网后，通过TCP&UDP测试工具向测试路由器1下发查看设备信息命令，然后在测试工具测试响应区查看响应报文的信息是否正确。

如图9所示，测试请求区向测试路由器1下发的查看设备信息命令，测试响应区显示响应报文，接口调用状态标识为成功，后面报文依次为图10所示的报文信息，分别为长地址信息、短地址信息、设备类型、设备状态、PANID信息、信道信息、子设备个数信息以及子设备地址信息。如图10所示，协调器给路由器分配短地址0x1C17，PANID为0x1AAA，协调器的长地址以及短地址等信息均与图9中测试响应区中的信息一致，验证了测试路由器查看设备信息功能的正确性。

图9　TCP&UDP测试工具控制界面(截图)

图10　抓包器获取报文(截图)

3)被测设备上测试代理功能验证

被测设备上测试代理功能主要包括TCP报文的解析与封装、命令执行以及协议栈监控接口与测试行规命令接口的设计等，按照对测试路由器的功能验证方法，通过比较抓包器获取的数据和TCP&UDP测试工具控制界面信息的一致性，可验证被测设备UTA功能的正确性。

4　结论

本文在分析LR-WSN协议一致性测试的重要意义和方法的基础上，设计实现了面向LR-WSN的多方协议一致性测试系统，详细设计了测试路由器和被测设备UTA的软件功能。搭建LR-WSN多方协议一致性测试平台，重点对测试路由器和被测设备上测试代理

功能的设计与实现进行验证，证明了多方一致性测试方法的优势作用。未来可进一步完善LTCF协议与TCP协议，提高测试效率以及准确性。

[1]余向阳.无线传感器网络研究综述[J].单片机与嵌入式系统应用，2008(8)：8-11.

[2]司海飞，杨忠，王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程，2011，28(1)：16-20.

[3]ISO/IEC9646-1，Informationtechnology-opensystemsinterconnection-conformancetestingmethodologyandframework-part1:generalconcepts[S].1994.

[4]朱雪峰，许建军，邹彪，等.网络协议一致性测试研究综述[J].计算机科学与技术，2009，36(12)：5-7.

[5]徐全平,张晖.无线传感器网络标准化综述[J].信息技术与标准化，2009(3)：4-7.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.信息技术 传感器网络 第301部分: 通信与信息交换: 低速无线传感器网络网络层和应用支持子层规范[S].北京：中国标准出版社，2012.

[7]ETR193，Methodsfortestingandspecification(MTS)-methodsfortestingandspecification(MTS)-networkintegrationtesting(NIT)-methodologyaspects-testco-ordinationprocedure(TCP)styleguides[S].1995.

谢昊飞(1978— )，副教授，研究方向为网络化控制；

蔡龙腾(1990— )，硕士生，主研物联网理论与技术，为本文通信作者。

责任编辑：许盈

Designandimplementationofmulti-partyprotocolconformancetestingsystemforlow-ratewirelesssensornetworks

XIEHaofei,CAILongteng

(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Accordingtothenetworklayerandtheapplicationsupportsub-layerspecificationoflow-ratewirelesssensornetworks(Low-rateWirelessSensorNetworks,LR-WSN)whichisproposedbyWGSN-PG3 (sensornetworkstandardsworkinggroup)，amulti-partyprotocolconformancetestingplatformofLR-WSNisbuilt.Then，thefunctionandperformanceoftestingsystemarepartlyvalidatedandanalyzed.Ultimately,thesuperiorityofthemulti-partyconformancetestingsystemforLR-WSNisdemonstrated.

LR-WSN；multi-partyprotocolconformancetesting；abstracttestsuites；testingsystem

TP393

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.013

国家“863”计划项目(2015AA043801)

2015-12-23

文献引用格式：谢昊飞，蔡龙腾.面向LR-WSN的多方协议一致性测试系统设计与实现[J].电视技术，2016，40(8)：71-75.

XIEHF，CAILT.Designandimplementationofmulti-partyprotocolconformancetestingsystemforlow-ratewirelesssensornetworks[J].Videoengineering，2016，40(8)：71-75.