面向LR-WSN的多方協議一致性測試系統設計與實現

謝昊飛，蔡龍騰

(重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065)

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面向LR-WSN的多方協議一致性測試系統設計與實現

謝昊飛，蔡龍騰

(重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065)

針對由國家傳感器網絡標準工作組PG3項目組提出的低速無線傳感器網絡(Low-rateWirelessSensorNetworks，LR-WSN)網絡層和應用支持子層規范，搭建LR-WSN多方協議一致性測試平臺，對測試系統部分功能與性能進行驗證與分析，驗證LR-WSN多方測試系統的優越性。

LR-WSN；多方協議一致性測試；抽象測試集；測試系統

隨著低速無線傳感器網絡應用的不斷發展，相關產品和系統的不斷推出，以后涉及到的設備廠商會越來越多[1]。此時，不同子網之間、不同廠家設備之間互聯互通的問題也會越來越突出，嚴重時會引起整個網絡的不穩定[2]。通過對WIA-PA一致性測試系統、艾默生公司的WirelessHART一致性測試系統和WCI開發的ISA100.11a一致性測試系統進行對比分析，現有的測試系統往往不能同時對測試覆蓋率、測試效率、可控性、易操作性等方面進行綜合考慮，再加上低速無線傳感器網絡測試網絡的動態變換性、協議復雜性以及對測試效率的要求，簡單的單方測試系統已經無法滿足上述需求，而多方測試系統能夠在一定程度上有效地解決上述問題，靈活地構建測試拓撲結構,較高地覆蓋協議規范內容以及提高測試效率[3-5]。因此，研究適用于低速無線傳感器網絡的多方協議一致性測試系統對增加設備之間互聯互通的可能性以及加快低速無線傳感器網絡產業化進程具有重大意義[6]。

1　LR-WSN協議一致性多方測試系統設計方案

1.1協議一致性測試方法選擇

單純的單方測試覆蓋率較低，難以實現測試的自動化，無法覆蓋路由、廣播、最大深度、地址分配等內容的測試，且多個測試案例之間難以實現自動銜接。

為了解決上述問題，本文在選用分布式抽象測試方法的基礎上，采用一種帶有一個單上測試器的多方測試結構，如圖1所示[7]。此種結構相當于多個分布式測試方法的組合，單個下測試器(LowerTester，LT)與被測協議實現(ImplementationUnderTest，IUT)以及上測試器(UpperTester，UT)與IUT的關系相當于分布式測試法中LT、UT與IUT之間的關系。測試過程中，根據測試案例的需要，可以選擇一個或多個LT和UT共同控制和觀察IUT的上下服務邊界接口。

圖1　低速無線傳感器網絡多方一致性測試結構

下測試器控制功能(LowTesterControlFunction，LTCF)和LT位于測試系統中，LTCF是測試活動的發起者和控制者，具有對測試例的測試判決功能，并且能夠協調控制多個LT活動。

多方測試結構中，采用單個的UT結構。UT位于被測系統中，為一段人工用戶編程代碼，測試執行前由被測方添加，負責對IUT的上邊界服務接口進行控制和觀察。測試協作過程(TestCoordinationProcedure，TCP)提供測試協調規程，包括LT與LT、LT與UT以及LTCF與UT之間的協調[8]。

1.2測試系統拓撲結構

綜合各個系統的優勢以及前面對LR-WSN一致性測試系統的方法分析，設計測試系統的拓撲結構如圖2所示，其中測試服務平臺包括測試服務器和輔助測試的路由器或交換機，測試網絡中包括測試路由器、協議分析儀和第三方廠家的被測設備。

圖2　測試系統拓撲結構

測試系統運行過程中的信息交互如下：用戶提交測試相關的申請信息到測試服務器；測試服務器根據這些信息和協議規范生成可執行測試集，通過下發的屬性配置、角色配置、測試命令和控制信息，控制和協調測試網絡中的測試路由器、協議分析儀以及被測設備完成測試過程，并將測試路由器和協議分析儀發送上來的測試響應、設備屬性、網絡屬性及協議報文等信息動態顯示給測試用戶。

1.3測試系統總體結構

LR-WSN一致性測試系統總體結構主要由4種功能類型的設備組成：測試服務器、測試路由器、協議分析儀和被測設備。

1)測試服務器

測試服務器負責對整個測試執行過程的控制和管理，并通過測試管理服務接口和測試數據服務接口與測試路由器與協議分析儀進行數據和管理服務交互。測試服務器可采用終端界面或者Web界面兩種人機交互方式，為用戶提供測試系統配置、測試案例生成過程、測試執行控制、測試監控信息、測試結果分析、測試報告生成、Web服務以及故障診斷等測試應用。

2)測試路由器

測試路由器是測試過程的實際執行者，接收來自測試服務器的各種控制命令，完成所需的配置、拓撲環境形成過程后，調用下測試代理功能對被測實現進行激勵或者是響應上測試代理的激勵完成測試過程。

3)協議分析儀

協議分析儀通過數據采集端實時捕獲測試網絡中的數據包并對其進行分析，可提供協議解碼、性能分析、網絡分析等功能，為測試結果分析提供最為直觀有力的參考。

4)被測設備

被測設備是指嵌有LR-WSN被測協議實現的設備，可以是被測協調器、被測路由器或被測終端設備。被測設備主要由LR-WSN被測協議實現和上測試代理(UpperTesterAgent，UTA)兩部分構成。

2　LR-WSN多方協議一致性測試系統設計與實現

2.1測試路由器的設計與實現

如圖3所示，測試路由器硬件結構主要包括LM3S8962主控制器、CC2530模塊、以太網通信模塊和電源管理模塊。LM3S9862主控制器分別通過以太網通信模塊和串口通信接口實現與測試服務器和CC2530無線模塊的通信交互，電源管理模塊負責對其他所有模塊進行供電管理。

圖3　測試路由器硬件結構

測試路由器軟件功能結構的設計主要由操作系統內核、硬件抽象層、網絡通信協議層以及測試執行管理層4部分組成，如圖4所示。其中硬件抽象層包括以太網通信、RS-232串口通信、IEEE802.15.4無線通信；網絡通信協議層主要包括TCP/IP協議實現和LR-WSN參考協議實現；測試執行管理層主要包括下測試代理模塊，下測試代理由測試執行、測試協調、測試監控、協議監控以及測試管理模塊組成。

圖4　LR-WSN測試路由器軟件功能結構

2.2被測設備上測試代理的設計與實現

2.2.1上測試代理的位置

UTA由測試方提供，在測試執行前由被測方嵌入到IUT的測試應用進程中，通過接收UTA命令對IUT的上邊界服務接口進行控制和觀察。

為了盡可能與IUT脫離開來，降低被測方添加UTA代碼的難度，將UTA放在應用層上層的測試應用進程中，UTA可以通過測試端點和測試響應端點與下層服務進行通信。

2.2.2上測試代理軟件設計與實現

上測試代理的軟件結構包括UTA命令管理器、測試協調、UTA命令解析器、UTA命令執行器和UTA測試接口，如圖5所示。

圖5　UTA軟件結構圖

UTA測試命令管理器主要是對LTA轉發過來的測試命令進行接收并且存儲；UTA命令解析器對接收的UTA命令進行TCP報文格式解析；UTA命令執行器通過對UTA的協議監控接口進行調用完成對IUT上邊界服務接口的控制和觀察；UTA測試接口提供UTA與LTA的通信接口、協議監控接口以及測試行規命令接口。

3　LR-WSN測試系統驗證

3.1LR-WSN多方協議一致性測試平臺搭建

測試平臺主要包括測試服務器、交換機、4個測試路由器和被測路由器，如圖6所示。測試路由器通過交換機接入網絡，測試路由器根據測試網絡的需要，啟動并加入網絡。

圖6　LR-WSN多方協議一致性測試平臺實物圖

LR-WSN多方協議一致性測試平臺運行界面如圖7所示，主要包括測試執行區、設備屬性區、測試過程動態顯示區和測試報文動態解析區。

圖7　LR-WSN多方協議一致性測試平臺界面(截圖)

測試執行區包括PICS表單信息查看、PIXIT表單信息查看和測試集執行，用戶可以查看之前提交的PICS、PIXIT表單信息以及設備在線列表等，并且在測試集中將自動生成的測試案例進行二次選擇；設備屬性區主要查看設備的一些網絡屬性和設備屬性；測試過程動態顯示區可以查看測試案例運行進度以及測試案例的詳細信息等；測試報文動態解析區提供的動態測試報文解析便于用戶查看測試報文以及分析網絡中測試狀況。

3.2LR-WSN多方協議一致性測試系統驗證

3.2.1LR-WSN多方協議一致性測試系統功能驗證

1)測試系統功能驗證平臺搭建

本系統使用TCP&UDP測試工具和TI公司的SmartRFPacketSniffer軟件對測試路由器功能以及被測設備上測試代理功能進行驗證，搭建功能驗證平臺如圖8所示。測試路由器通過網絡接口與測試主機相連，測試主機可以向測試路由器發送測試命令；抓包器通過USB接口與測試主機相連，負責對整個網絡中的無線數據包進行監控。

圖8　測試系統功能驗證平臺

2)測試路由器功能驗證

測試路由器的功能包括角色配置、UTA命令轉發與響應上傳、查看設備信息等。由于篇幅限制，選取測試路由器有代表性的查看設備信息功能進行驗證。

搭建的測試系統驗證平臺如圖8所示，測試路由器1為協調器，被測設備為路由器，成功組網后，通過TCP&UDP測試工具向測試路由器1下發查看設備信息命令，然后在測試工具測試響應區查看響應報文的信息是否正確。

如圖9所示，測試請求區向測試路由器1下發的查看設備信息命令，測試響應區顯示響應報文，接口調用狀態標識為成功，后面報文依次為圖10所示的報文信息，分別為長地址信息、短地址信息、設備類型、設備狀態、PANID信息、信道信息、子設備個數信息以及子設備地址信息。如圖10所示，協調器給路由器分配短地址0x1C17，PANID為0x1AAA，協調器的長地址以及短地址等信息均與圖9中測試響應區中的信息一致，驗證了測試路由器查看設備信息功能的正確性。

圖9　TCP&UDP測試工具控制界面(截圖)

圖10　抓包器獲取報文(截圖)

3)被測設備上測試代理功能驗證

被測設備上測試代理功能主要包括TCP報文的解析與封裝、命令執行以及協議棧監控接口與測試行規命令接口的設計等，按照對測試路由器的功能驗證方法，通過比較抓包器獲取的數據和TCP&UDP測試工具控制界面信息的一致性，可驗證被測設備UTA功能的正確性。

4　結論

本文在分析LR-WSN協議一致性測試的重要意義和方法的基礎上，設計實現了面向LR-WSN的多方協議一致性測試系統，詳細設計了測試路由器和被測設備UTA的軟件功能。搭建LR-WSN多方協議一致性測試平臺，重點對測試路由器和被測設備上測試代理

功能的設計與實現進行驗證，證明了多方一致性測試方法的優勢作用。未來可進一步完善LTCF協議與TCP協議，提高測試效率以及準確性。

[1]余向陽.無線傳感器網絡研究綜述[J].單片機與嵌入式系統應用，2008(8)：8-11.

[2]司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程，2011，28(1)：16-20.

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

[4]朱雪峰，許建軍，鄒彪，等.網絡協議一致性測試研究綜述[J].計算機科學與技術，2009，36(12)：5-7.

[5]徐全平,張暉.無線傳感器網絡標準化綜述[J].信息技術與標準化，2009(3)：4-7.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.信息技術 傳感器網絡 第301部分: 通信與信息交換: 低速無線傳感器網絡網絡層和應用支持子層規范[S].北京：中國標準出版社，2012.

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

謝昊飛(1978— )，副教授，研究方向為網絡化控制；

蔡龍騰(1990— )，碩士生，主研物聯網理論與技術，為本文通信作者。

責任編輯：許盈

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

國家“863”計劃項目(2015AA043801)

2015-12-23

文獻引用格式：謝昊飛，蔡龍騰.面向LR-WSN的多方協議一致性測試系統設計與實現[J].電視技術，2016，40(8)：71-75.

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