謝昊飛，王淮民，周進艷

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶400065）

引 言

IETF于2004年11月成立了6LoWPAN（IPv6over Low Power Wireless Personal Area Networks）工作組，該工作組的目標(biāo)是研究制定在LoWPAN 上運行IPv6協(xié)議棧的一系列技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的因特網(wǎng)TCP／IP 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)相比，6LoWPAN 在層次結(jié)構(gòu)上多了一個適配層。由于IPv6協(xié)議棧不能直接運行于IEEE 802.15.4之上，適配層的加入能在IPv6與無線傳感網(wǎng)之間實現(xiàn)無縫連接［1］。適配層協(xié)議的實現(xiàn)是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)能否正常運行的關(guān)鍵，那么如何對適配層進行測試就顯得非常重要。

1 適配層分片與重組技術(shù)分析

IPv6協(xié)議規(guī)定的鏈路層最小MTU 為1 280字節(jié)，對于不支持該MTU 的鏈路層，協(xié)議要求必須提供對IPv6透明的鏈路層的分片和重組。而IEEE 802.15.4MAC層最大幀長僅為127字節(jié)［2］，因此，適配層需要通過對IP報文進行分片和重組來傳輸超過IEEE 802.15.4MAC層最大幀長的報文。

1.1 分 片

當(dāng)上層遞交一個超過適配層最大載荷長度的報文給適配層后，適配層需要對該報文分片進行發(fā)送。適配層分片的判斷條件為：負載報文長度＋不分片頭部長度＋Mesh Delivery字段長度（或Broadcast字段長度）＞IEEE 802.15.4 MAC層的最大載荷長度。在使用16位短地址并且不使用IEEE 802.15.4安全機制的情況下，負載報文長度最大為95（102-2-5）字節(jié)。適配層分片的具體過程如圖1所示。

適配層的分片過程如下：

①對于第一個分片，會將分片頭部的LF字段設(shè)置為01，表示第一個分片。prot＿type字段設(shè)置為上層協(xié)議的類型，特別的，如果是IPv6協(xié)議該字段設(shè)置為1。另外，由于是第一個分片，Offset必定為0，所以在該分片中不需要fragment＿offset字段。如果需要在Mesh 網(wǎng)絡(luò)中路由，Mesh Delivery字段應(yīng)該緊隨在分片頭部之后并在負載報文碎片之前。

圖1 適配層分片全過程

②對于后繼分片，分片頭部的LF 字段設(shè)置為11或者10，表示中間分片或者最后一片。fragment＿offset字段則設(shè)置為當(dāng)前碎片相對于原負載報文起始字節(jié)的偏移，需要注意的是這里的偏移是以8字節(jié)為單位的，因此每個分片的最大負載報文碎片長度也必須是8字節(jié)邊界對齊的，也就是說負載報文碎片的最大長度實際上只有88字節(jié)。

1.2 重 組

當(dāng)適配層收到一個分片的幀后，根據(jù)以下兩個字段判斷該分片是屬于哪個負載報文：源MAC地址和適配層分片頭部的datagram＿tag字段。對于同一個負載報文的多個分片，其重組過程可如圖2所示。

圖2 適配層重組全過程

適配層的重組過程：如果是第一次收到某負載報文的分片，節(jié)點記錄下該被分片的源MAC 地址和datagram＿tag字段，以供后繼重組使用。如果已經(jīng)收到該報文的其他分片，則根據(jù)當(dāng)前分片幀的fragment＿offset字段進行重組。如果發(fā)現(xiàn)收到的是一個重復(fù)但不重疊的分片，應(yīng)該使用新收到的分片進行替換。如果本分片和前后分片有重疊，則應(yīng)該丟棄當(dāng)前分片。同時，為了避免長時間等待未達到的分片，在60s內(nèi)重組沒有完成就需要丟棄所有接收到的分片，解除重組過程。如果成功接收到所有分片，將所有分片按Offset進行重組，并將重組好的原始負載報文遞交給上層。

2 測試方法的分析與設(shè)計

協(xié)議一致性測試實質(zhì)上是利用一組測試序列，在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對被測實現(xiàn)（Implement Under Test，IUT）進行黑盒測試，通過比較IUT 的實際輸出與預(yù)期輸出的異同，判定IUT 在多大程度上與協(xié)議描述相一致，確定通過一致性測試的IUT 在互聯(lián)時成功率的高低。為了對6LoWPAN 適配層分片與重組技術(shù)進行測試，首先需要對標(biāo)準(zhǔn)中所描述的分片與重組技術(shù)進行分析，得出測試需求。

2.1 測試需求分析

認清協(xié)議特點、明確測試需求是開展有效測試活動的前提。通過對適配層分片過程的分析，對于適配層分片技術(shù)，需要進行如下內(nèi)容的測試：

①分片條件：在使用16位短地址并且不使用IEEE 802.15.4 安全機制的情況下，負載報文長度最大為95（102-2-5）字節(jié)，超過該值就需要進行分片傳輸。

②分片幀格式：判斷第一個分片以及后繼分片是否符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的分片幀格式，其中還包括了fragment＿offset字段與實際偏移值是否一致，同一個負載報文的分片datagram＿tag以及datagram＿size字段的值是否不變。

③分片數(shù)據(jù)的完整性：原始數(shù)據(jù)被分片以后是否能夠保證完整。

同樣，經(jīng)過對適配層重組過程的分析，以下內(nèi)容需要被測試：

①重組條件：被測協(xié)議是否能夠根據(jù)接收到數(shù)據(jù)幀的適配層幀頭判斷重組的條件。

②分片重復(fù)：如果發(fā)現(xiàn)收到的是一個重復(fù)但不重疊的分片，應(yīng)該使用新收到的分片進行替換；如果本分片和前后分片有重疊，則應(yīng)該丟棄當(dāng)前分片。

③分片順序、亂序到達：分片數(shù)據(jù)在順序和亂序的兩種情況到達接收設(shè)備時，接收設(shè)備是否能夠正確對數(shù)據(jù)進行重組。

④分片超時：在重組過程中，可能存在分片數(shù)據(jù)的丟失，在60s內(nèi)重組沒有完成，被測設(shè)備能否丟棄所有接收到的分片，解除重組過程。

⑤多設(shè)備同時發(fā)送分片：除了單一設(shè)備發(fā)送分片包進行重組，在多設(shè)備同時發(fā)送分片包的情況下，接收設(shè)備能否按設(shè)備進行正確的重組。

2.2 測試方法設(shè)計

協(xié)議一致性測試使用在特定點PCO（Point of Control and Observation）對被測實現(xiàn)的層間服務(wù)原語和協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行控制和觀察的原理。根據(jù)PCO 位置的不同，在ISO／IEC 9646（協(xié)議一致性測試方法和框架）中已被標(biāo)準(zhǔn)化的抽象測試方法有本地測試法和外部測試法。本地測試法適合于在產(chǎn)品內(nèi)部測試；外部測試法適合于遠程的第三方測試，又可分為分布式、協(xié)調(diào)式和遠程式測試［3］。

在實際的協(xié)議測試中，被測協(xié)議實現(xiàn)是根據(jù)地址來判斷測試包是從哪一個測試器來的。利用這個事實，再結(jié)合對適配層分片與重組測試需求的分析，在進行適配層分片與重組測試時需要用到多個測試設(shè)備來對被測協(xié)議進行測試。因此，在實際的測試過程中，我們提出用一臺物理測試器、不同被測條件下對等層的MAC地址來實現(xiàn)多個下測試器的測試方法——虛擬測試法。該測試方法是對分布式測試法進行的優(yōu)化與改進，測試結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 虛擬測試法結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是用單臺測試器實現(xiàn)的對IUT 進行一致性測試的虛擬測試結(jié)構(gòu)。測試器（Tester）是測試活動發(fā)起者和控制者，其中，虛擬下測試器（Virtual Lower Tester，VLT）1到n是由同一臺測試器實現(xiàn)的多個虛擬測試器。下測試器（Lower Tester，LT）在測試執(zhí)行時，間接控制和觀察IUT 的下層服務(wù)接口。上測試器（Upper Tester，UT）位于被測系統(tǒng)中IUT 的上方，用于控制和觀察IUT的上層服務(wù)接口。測試協(xié)調(diào)過程（Test Coordination Procedures，TCP）明確或隱含地定義了LT 和UT 之間的協(xié)同操作規(guī)則。測試器利用協(xié)議規(guī)范的抽象服務(wù)訪問點（Abstract Service Primitives，ASP）和協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）與IUT 進行交互，并通過PCO 查看測試事件和測試過程［4］。

由于分片與重組的測試是在適配層進行，因此，被測的適配層協(xié)議僅僅根據(jù)數(shù)據(jù)包的MAC 地址來判斷報文的來源和去處。對于一個被測節(jié)點收到的各種數(shù)據(jù)包，如果包的源MAC地址不同，被測節(jié)點就會認為這些包是不同的源節(jié)點發(fā)出的。因此，該測試結(jié)構(gòu)的實質(zhì)就是用一個測試器來模擬多個測試器，所有虛擬測試器的MAC地址都是不同的，即用一臺測試器發(fā)送測試包時，在測試包的MAC層使用不同的源地址。在接收到這些包時，被測設(shè)備就會認為是由不同的節(jié)點發(fā)出的，從而實現(xiàn)了用一臺測試器模擬多臺測試器的效果。

運用這種測試方法，可以不用考慮各測試器之間的同步問題，便于對IUT 的控制，消除了測試器非同步造成的錯誤，使測試更可靠，同時便于測試者協(xié)調(diào)、監(jiān)控測試進程，得出更精確的測試結(jié)果。

3 測試方法實現(xiàn)

根據(jù)所設(shè)計的測試方法，搭建了如圖4所示的測試系統(tǒng)。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該測試系統(tǒng)由測試器、測試主機以及被測設(shè)備組成，測試實物如圖5所示。測試器主要實現(xiàn)了多個虛擬下測試器的功能，包括了虛擬下測試器控制模塊和IEEE 802.15.4 MAC／PHY 無線功能模塊。

圖5 測試實物圖

虛擬下測試器控制模塊包括測試事件管理、測試信息解析、測試命令執(zhí)行以及下測試器地址管理的功能。其中，事件管理模塊主要負責(zé)測試事件的管理和維護，以及下測試器之間的協(xié)調(diào)和切換；消息解析模塊完成對測試命令和響應(yīng)的解析與存儲；命令執(zhí)行模塊通過調(diào)用MAC原語來執(zhí)行相應(yīng)的下測試器命令，間接實現(xiàn)控制和觀察IUT的下層服務(wù)接口；地址管理模塊對下測試器發(fā)送報文的MAC地址進行修改，實現(xiàn)用一臺測試器模擬多臺測試器的功能。

被測設(shè)備利用串口與測試主機相連。上測試器位于被測實現(xiàn)之上，用于觀察和控制IUT 的上層服務(wù)接口，通過串口接收測試主機發(fā)送的測試命令，并將測試響應(yīng)傳送回測試主機［5］。

測試主機主要完成可執(zhí)行測試集的生成，上測試器與下測試器的協(xié)調(diào)控制，測試響應(yīng)的接收與分析，最后給出測試結(jié)果和分析報告。

在對適配層分片技術(shù)進行測試時，測試主機控制UT調(diào)用被測協(xié)議適配層的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，通過改變所發(fā)送的數(shù)據(jù)載荷來模擬各種協(xié)議行為。測試器在收到被測設(shè)備發(fā)送的分片報文以后，立即交由測試主機進行分析和判斷。

在對適配層重組技術(shù)進行測試時，測試主機將設(shè)計的分片載荷傳輸給測試器，測試器通過調(diào)用MAC層數(shù)據(jù)發(fā)送接口將分片載荷按序發(fā)送給被測設(shè)備。在需要多設(shè)備發(fā)送分片報文時，測試器會模擬多個下測試器的功能，將分片載荷按照所設(shè)計的順序發(fā)送給被測設(shè)備。同時，被測設(shè)備中的UT 會將IUT 重組完成后的報文上傳給測試主機進行相應(yīng)的分析和判斷。

4 測試案例與驗證

通過搭建測試系統(tǒng)，完成了對適配層分片與重組所有測試需求的測試，本文以重組技術(shù)中多設(shè)備同時發(fā)送分片的情況為例來驗證測試方法的實現(xiàn)。在進行該項測試時，需要多個設(shè)備同時交錯發(fā)送分片包給被測設(shè)備，從而驗證被測設(shè)備能否完成對多設(shè)備同時發(fā)送分片的報文進行重組的功能。

進行測試時，測試主機會控制測試器模擬兩個測試設(shè)備同時向被測設(shè)備發(fā)送分片報文，可以通過Packet Sniffer for CC2430軟件抓包進行驗證。Sniffer for CC2430抓包如圖6所示，交錯發(fā)送的分片報文是由兩個測試設(shè)備產(chǎn)生，其MAC地址分別為0x0001和0x0002，分片報文的目的地址都為同一個被測設(shè)備0x0000。測試器實現(xiàn)了模擬多個測試器的功能，實現(xiàn)了多測試器的協(xié)調(diào)運行，并按序準(zhǔn)確地將分片報文發(fā)送到被測設(shè)備。

圖6 Sniffer for CC2430抓包

被測設(shè)備的適配層將接收到的分片報文按設(shè)備重組以后傳遞給上層，上層UT 在收到重組報文以后傳送給測試主機并用串口工具顯示，串口接收的UT 數(shù)據(jù)如圖7所示。每一個分片報文由0～99 的數(shù)據(jù)構(gòu)成，總長度為100，對數(shù)據(jù)進行分析可知，被測設(shè)備準(zhǔn)確地完成了對多個設(shè)備同時發(fā)送分片報文的重組過程。

圖7 串口接收的UT數(shù)據(jù)

結(jié) 語

通過實際驗證表明，測試系統(tǒng)通過使用該測試方法，在減少測試設(shè)備數(shù)量的同時，充分完成了對測試需求的測試。該測試方法不僅適用于6LoWPAN 適配層分片與重組技術(shù)的測試，對于需要使用多個測試設(shè)備相互協(xié)作來完成的測試，都可以借鑒此方法。

［1］IETF.IPv6over Low Power WPAN WG（6lowpan）［EB／OL］.（2006-07-07）［2012-10］.http：／／datatracker.ietf.org／wg／6lowpan／.

［2］IEEE Std 802.15.4-2006 Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（WAPNs）［S］.

［3］ISO／IEC 9646-1—1994Information technology-Open systems Interconnection-Conformance testing methodology and framework-Part 1：General concepts［S］.

［4］王浩文.EPA 協(xié)議一致性測試方法研究［J］.自動化儀表，2006，27（10）.

［5］張華良，曾鵬.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)測試平臺研究［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2008（5）：25-27.