基于TCP與UDP通訊的設備自動化接口測試方法

左登超

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

TCP與UDP以太網通訊在各行各業應用十分廣泛。TCP與UDP的通訊種類多且配置靈活，在不同的應用場景下，以太網通訊控制設備的通訊方式不盡相同[1]。為了確保各類以太網控制設備在運行過程中的穩定性，需要在產品投入運行前進行接口測試工作[2]。

針對以太網控制設備的接口測試方法較少，傳統的測試方式是將PC機與以太網控制設備相連，利用網絡調試工具，向被測設備發送原始數據指令，觀察設備的動作是否與預期一致；或者抓取被測設備發出的數據，人工進行數據分析，判斷設備的工作情況[3]；另一種測試方式是針對不同的設備需求，編寫設備測試軟件，由測試人員進行手動點擊軟件相關功能按鍵進行指令發送，觀察設備的動作或者設備回復數據，判斷是否達到預期效果[4]。

傳統的測試方法完全依賴于人工手動測試，通過組合原始數據指令進行測試并觀察結果，效率非常低，且易出錯；如果涉及到的以太網通訊種類較多，數據量較大時，使用網絡調試工具則不能滿足測試的需求[5]；開發測試軟件，需要按照特定被測設備進行開發；由于軟件是新開發的，沒有經過實踐，軟件本身可能存在缺陷，需要經過一段時間的調試才能投入使用，使用過程中也不能確保其功能完全正確，造成測試工作停滯，轉而解決調試軟件本身的問題[6]。在軟件的修改過程中，為了不引起新的錯誤，測試人員需要進行大量重復測試，而手動測試回歸性差，無法適應軟件修改需求，導致軟件可能存在大量缺陷[7]。借助基于TCP與UDP通訊的設備自動化接口測試方法，根據用戶測試指令自動完成以TCP與UDP為通訊方式的控制設備的接口測試，為設備的穩定運行提供保障。

1 自動化接口測試裝置結構及原理

基于TCP與UDP通訊的設備自動化接口測試裝置如圖1所示。裝置包含電源板卡、CPU板卡、網口擴展板卡。其中網口擴展板卡有兩個M12-4芯以太網口，通過背板連接至CPU，為CPU提供擴展網口；CPU板卡有1個M12-4芯以太網口，系統采用X86架構，Linux操作系統。該設備包含兩路測試通道，分別提供3個以太網口進行測試，每個網口IP地址可配置。

圖1 自動化接口測試裝置

TCP與UDP接口測試裝置中運行軟件，解析用戶定義的通訊鏈路信息，指導裝置與被測設備進行通訊鏈路的建立；解析用戶定義的設備通訊協議信息以及數據收發關系信息，按照被測設備協議規定的數據格式，自動進行數據收發，與被測設備進行數據通訊；與工具軟件建立通訊，接收用戶錄入的接口測試指令，執行接口測試。

2 自動化接口測試裝置接口設計

使用自動化接口測試裝置，可以對任意基于TCP與UDP通訊的以太網控制設備進行接口測試工作。TCP可以使用服務器或者客戶端，支持一對一通訊、一對多通訊、多對一通訊、多對多通訊。UDP可以使用單播或者組播，單播支持一對一通訊、組播支持加入一個或者多個組播組通訊[8]。

2.1 TCP服務器接口設計

裝置網口開啟一個TCP服務器，接收被測設備一個或者多個TCP客戶端的連接，即TCP服務器一對一或一對多通訊[9]。接口示意圖如圖2所示，每路TCP客戶端連接可以在相同或者不同的被測設備上，此處僅指出每路TCP協議鏈路連接，同下。

圖2 TCP服務器一對一、一對多通訊接口

裝置網口開啟多個TCP服務器，每個TCP服務器接受一個或者多個TCP客戶端的連接，即TCP服務器多對一或多對多通訊[10]。接口示意圖如圖3所示。

圖3 TCP服務器多對一、多對多通訊接口

2.2 TCP客戶端接口設計

裝置網口開啟一個TCP客戶端，連接被測設備一個或者多個TCP服務器，即TCP客戶端一對一或一對多通訊[11]。接口示意圖如圖4所示。

圖4 TCP客戶端一對一、一對多通訊接口

裝置網口開啟多個TCP客戶端，連接被測設備一個或者多個TCP服務器，即TCP客戶端多對一或多對多通訊[12]。接口示意圖如圖5所示。

圖5 TCP客戶端多對一、多對多通訊接口

2.3 UDP單播接口設計

裝置網口開啟一個或者多個UDP單播，與被測設備進行一對一通訊[13]；接口示意圖如圖6所示。

圖6 UDP單播通訊

2.4 UDP組播接口設計

裝置網口加入一個或者多個組播組，與被測設備進行通訊[14]；接口示意圖如圖7所示。

圖7 UDP組播通訊

2.5 TCP與UDP組合接口設計

裝置每路網口均支持TCP服務器、TCP客戶端、UDP單播、UDP組播的任意組合，組合接口的設計可以參考2.1～2.4。

1)TCP服務器、TCP客戶端組合；

2)TCP服務器、UDP單播組合；

3)TCP服務器、UDP組播組合；

4)TCP客戶端、UDP單播組合；

5)TCP客戶端、UDP組播組合；

6)UDP單播、UDP組播組合；

7)TCP服務器、TCP客戶端、UDP單播組合；

8)TCP服務器、TCP客戶端、UDP組播組合；

9)TCP服務器、UDP單播、UDP組播組合；

10)TCP客戶端、UDP單播、UDP組播組合；

11)TCP服務器、TCP客戶端、UDP單播、UDP組播組合。

3 自動化接口測試裝置軟件設計

自動化接口測試裝置內運行程序，與被測設備進行通訊鏈路的建立與管理、按照被測設備的通信協議進行數據收發、接收工具軟件的測試指令，自動化執行接口測試工作。工作原理如圖8所示。

圖8 接口自動化測試流程圖

1)軟件運行后，讀取通訊配置文件，獲取與被測設備的通訊方式，指導裝置與被測設備建立通訊鏈接。自動化接口測試裝置使用的通訊配置文件各字段如表1所示。

2)讀取數據配置文件。裝置與被測設備鏈路下的通訊數據由數據配置文件定義，當軟件讀取到數據標識信息后，在內存中分配該數據的存儲信息，一方面自動化接口測試裝置根據此內存，進行數據的發送或者存儲接收到被測設備發送的對應數據；另一方面接收工具軟件發送的測試指令，根據指令中攜帶的鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息，進行內存數據的設置與獲取。數據配置文件各字段如表2所示。

表1 通訊配置文件字段含義

3)讀取數據收發關系配置文件。指導自動化接口測試裝置如何發送與被測設備的通訊數據，收發關系配置文件各字段如表3所示；

4)根據通訊配置文件信息，建立與被測設備的通訊并管理通訊過程；

5)針對每一個通訊鏈路，開啟數據收發線程，根據數據配置文件以及收發關系配置文件，開始與被測設備進行數據通訊；

6)初始化與工具軟件的TCP通訊，用以接收工具軟件發送的測試指令；自動化接口測試裝置支持的測試指令種類如表4所示；

設置指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，將對應內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送，強制指令只能設置裝置發送方向的數據[15]；

表2 數據配置文件字段含義

表3 收發關系配置文件字段含義

延時指令：工具軟件將具體的延時時間發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，會延時相應的時間，再處理其他測試指令[16]；

心跳指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移、累加步長n、累加頻率f信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，以累加頻率f，將當前值累加n，向內存中的數據進行更新[17]；

表4 測試指令類型說明

上升沿指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移、時間t信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，將對應內存中的數據先設置成0，保持時間t，然后設置為1，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

下升沿指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移、時間t信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，將對應內存中的數據先設置成1，保持時間t，然后設置為0，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送[18]；

遞增指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移、最小值、最大值、步長n、頻率f信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，以頻率f，將當前值從最小值開始累加，每次累加步長n，直至累加到最大值后保持，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

遞減指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移、最小值、最大值、步長n、頻率f信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，以頻率f，將當前值從最大值開始遞減，每次遞減步長n，直至遞減到最小值后保持，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送[19]；

系統時間年指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，從當前系統時間中獲取年的數據，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

系統時間月指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，從當前系統時間中獲取月的數據，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

系統時間日指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，從當前系統時間中獲取日的數據，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

系統時間時指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，每小時從當前系統時間中獲取時的數據，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

系統時間分指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，每分鐘從當前系統時間中獲取分的數據，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

系統時間秒指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，每秒鐘從當前系統時間中獲取秒的數據，向內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送[20]；

范圍內指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移、極大值、極小值信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，取極大值與極小值范圍內的隨機數據，向對應內存中的數據進行更新，由后臺線程自動獲取內存數據進行發送；

獲取指令：工具軟件將具體鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息發送給自動化接口測試裝置，裝置接收到該信息后，從對應內存中取出一次實時數據，然后通過TCP通訊向工具軟件發送結果；

7)自動化接口測試裝置收到測試指令后，根據指令中攜帶的鏈路名稱、數據標識、字節偏移、位偏移信息，操作內存數據，從分配的內存中設置或者獲取數據；當獲取到數據后，向工具軟件返回獲取到的數據，工具軟件根據此數據判斷執行是否通過；

4 自動化接口測試實驗結果與分析

4.1 自動化接口測試實驗步驟

由于自動化接口測試裝置可以測試的情況比較多，以TCP服務器一對一通訊為例，即被測設備作為TCP客戶端，裝置作為TCP服務器，對被測設備進行接口測試，測試系統連接如圖9所示。

圖9 測試系統連接

測試前需要按照被測設備的要求修改裝置的IP地址。通過修改腳本文件即可配置本裝置的網口IP地址。IP地址腳本內如下：

#eth1

ifconfig eth1 down

ifconfig eth1 172.30.131.60 netmask 255.255.255.0 up

#eth2

ifconfig eth2 down

ifconfig eth2 172.30.131.61 netmask 255.255.255.0 up

#eth3

ifconfig eth3 down

ifconfig eth3 172.30.131.62 netmask 255.255.255.0 up

eth1、eth2、eth3分別分別對應設備上的三個網口；

被測設備的TCP客戶端信息：172.31.41.50，端口8001，與其通訊的TCP服務器信息：IP地址172.31.41.36，端口8000；由裝置主動發送1001數據，然后被測設備回復1002數據。

步驟1:通過交換機，將被測設備、工具軟件以及設備進行組網連接；

步驟2:按照設備IP地址修改方法，修改腳本文件eth1的IP地址：

#eth1

ifconfig eth1 down

ifconfig eth1 172.31.41.36 netmask 255.255.255.0 up

步驟3:編寫通訊配置文件，如表5所示。

表5 通訊配置文件內容

此配置文件供裝置使用，由于被測設備作為TCP客戶端，需要使用裝置模擬與被測設備通訊的TCP服務器;配置文件中，通訊類型填寫TCP，通訊方式填寫服務器，通訊本方信息填寫與被測設備通訊的TCP服務器的地址端口信息，通訊對方信息填寫被測設備的信息；

步驟4:編寫數據配置文件如表6所示，其中1001數據由接口測試裝置主動發出，1002為裝置接收被測設備返回的數據；該配置文件供裝置和工具軟件使用；

表6 數據配置文件內容

步驟5:編寫數據收發關系配置文件，文件內容如表7所示。

表7 收發關系配置文件內容

此配置文件供自動化接口測試裝置使用，內容描述了裝置Ch-1通訊鏈路下，收取1002的數據，主動發送1001的數據。

步驟6:將上述配置文件通過FTP工具導入設備，并重啟接口測試裝置；

步驟7:在工具軟件中編寫測試指令，設置或者獲取變量的數據，下發至接口測試裝置；

步驟8:工具軟件根據設備返回的數據，判斷測試是否通過。

4.2 實驗結果及分析

在自動化執行完接口測試后，工具軟件會將測試結果保存成表格的形式，結果如表8所示。

表8 自動化接口測試結果記錄

保存的結果記錄中，會記錄工具軟件每次執行的動作，收取自動化接口測試裝置返回的變量名以及對應的實際數據，工具軟件可以根據動作中的期望，自動判斷測試的結果是否正確，并在測試結論中給出Pass或者Fail，方便測試人員查看測試結果。

5 結束語

借助基于TCP與UDP通訊的設備自動化接口測試方法，能夠進行TCP服務器、TCP客戶端、UDP單播、UDP組播通以及四種通訊方式任意組合的接口測試；接口測試裝置對外提供6個測試網口，IP地址可配置，可以通過數據配置文件以及數據收發關系配置文件，指導自動化接口測試裝置的數據收發，使得測試不同被測設備時無需修改代碼，提高了測試的靈活性、通用性以及效率，為設備的穩定運行提供保障。