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(xié)議一致性測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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(wǎng)絡標準工作組PG3項目組提出的低速無線傳感器網(wǎng)絡(Low-rateWirelessSensorNetworks，LR-WSN)網(wǎng)絡層和應用支持子層規(guī)范，搭建LR-WSN多方協(xié)議一致性測試平臺，對測試系統(tǒng)部分功能與性能進行驗證與分析，驗證LR-WSN多方測試系統(tǒng)的優(yōu)越性。

LR-WSN；多方協(xié)議一致性測試；抽象測試集；測試系統(tǒng)

隨著低速無線傳感器網(wǎng)絡應用的不斷發(fā)展，相關產(chǎn)品和系統(tǒng)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(wǎng)之間、不同廠家設備之間互聯(lián)互通的問題也會越來越突出，嚴重時會引起整個網(wǎng)絡的不穩(wěn)定[2]。通過對WIA-PA一致性測試系統(tǒng)、艾默生公司的WirelessHART一致性測試系統(tǒng)和WCI開發(fā)的ISA100.11a一致性測試系統(tǒng)進行對比分析，現(xiàn)有的測試系統(tǒng)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(wǎng)絡測試網(wǎng)絡的動態(tài)變換性、協(xié)議復雜性以及對測試效率的要求，簡單的單方測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足上述需求，而多方測試系統(tǒng)能夠在一定程度上有效地解決上述問題，靈活地構(gòu)建測試拓撲結(jié)構(gòu),較高地覆蓋協(xié)議規(guī)范內(nèi)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(wǎng)絡的多方協(xié)議一致性測試系統(tǒng)對增加設備之間互聯(lián)互通的可能性以及加快低速無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)化進程具有重大意義[6]。

1　LR-WSN協(xié)議一致性多方測試系統(tǒng)設計方案

1.1協(xié)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(xiàn)測試的自動化，無法覆蓋路由、廣播、最大深度、地址分配等內(nèi)容的測試，且多個測試案例之間難以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，如圖1所示[7]。此種結(jié)構(gòu)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(xié)議實現(xiàn)(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(jù)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(wǎng)絡多方一致性測試結(jié)構(gòu)

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

多方測試結(jié)構(gòu)中，采用單個的UT結(jié)構(gòu)。UT位于被測系統(tǒng)中，為一段人工用戶編程代碼，測試執(zhí)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(xié)作過程(TestCoordinationProcedure，TCP)提供測試協(xié)調(diào)規(guī)程，包括LT與LT、LT與UT以及LTCF與UT之間的協(xié)調(diào)[8]。

1.2測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

綜合各個系統(tǒng)的優(yōu)勢以及前面對LR-WSN一致性測試系統(tǒng)的方法分析，設計測試系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡中包括測試路由器、協(xié)議分析儀和第三方廠家的被測設備。

圖2　測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)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(jù)這些信息和協(xié)議規(guī)范生成可執(zhí)行測試集，通過下發(fā)的屬性配置、角色配置、測試命令和控制信息，控制和協(xié)調(diào)測試網(wǎng)絡中的測試路由器、協(xié)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(xié)議分析儀發(fā)送上來的測試響應、設備屬性、網(wǎng)絡屬性及協(xié)議報文等信息動態(tài)顯示給測試用戶。

1.3測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

LR-WSN一致性測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(xié)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(zhí)行過程的控制和管理，并通過測試管理服務接口和測試數(shù)據(jù)服務接口與測試路由器與協(xié)議分析儀進行數(shù)據(jù)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(tǒng)配置、測試案例生成過程、測試執(zhí)行控制、測試監(jiān)控信息、測試結(jié)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(zhí)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(huán)境形成過程后，調(diào)用下測試代理功能對被測實現(xiàn)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(xié)議分析儀

協(xié)議分析儀通過數(shù)據(jù)采集端實時捕獲測試網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包并對其進行分析，可提供協(xié)議解碼、性能分析、網(wǎng)絡分析等功能，為測試結(jié)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(xié)議實現(xiàn)的設備，可以是被測協(xié)調(diào)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(xié)議實現(xiàn)和上測試代理(UpperTesterAgent，UTA)兩部分構(gòu)成。

2　LR-WSN多方協(xié)議一致性測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1測試路由器的設計與實現(xiàn)

如圖3所示，測試路由器硬件結(jié)構(gòu)主要包括LM3S8962主控制器、CC2530模塊、以太網(wǎng)通信模塊和電源管理模塊。LM3S9862主控制器分別通過以太網(wǎng)通信模塊和串口通信接口實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

測試路由器軟件功能結(jié)構(gòu)的設計主要由操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件抽象層、網(wǎng)絡通信協(xié)議層以及測試執(zhí)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(wǎng)通信、RS-232串口通信、IEEE802.15.4無線通信；網(wǎng)絡通信協(xié)議層主要包括TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)和LR-WSN參考協(xié)議實現(xiàn)；測試執(zhí)行管理層主要包括下測試代理模塊，下測試代理由測試執(zhí)行、測試協(xié)調(diào)、測試監(jiān)控、協(xié)議監(jiān)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(jié)構(gòu)

2.2被測設備上測試代理的設計與實現(xiàn)

2.2.1上測試代理的位置

UTA由測試方提供，在測試執(zhí)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(xiàn)

上測試代理的軟件結(jié)構(gòu)包括UTA命令管理器、測試協(xié)調(diào)、UTA命令解析器、UTA命令執(zhí)行器和UTA測試接口，如圖5所示。

圖5　UTA軟件結(jié)構(gòu)圖

UTA測試命令管理器主要是對LTA轉(zhuǎn)發(fā)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(zhí)行器通過對UTA的協(xié)議監(jiān)控接口進行調(diào)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(xié)議監(jiān)控接口以及測試行規(guī)命令接口。

3　LR-WSN測試系統(tǒng)驗證

3.1LR-WSN多方協(xié)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(wǎng)絡，測試路由器根據(jù)測試網(wǎng)絡的需要，啟動并加入網(wǎng)絡。

圖6　LR-WSN多方協(xié)議一致性測試平臺實物圖

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

圖7　LR-WSN多方協(xié)議一致性測試平臺界面(截圖)

測試執(zhí)行區(qū)包括PICS表單信息查看、PIXIT表單信息查看和測試集執(zhí)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(qū)主要查看設備的一些網(wǎng)絡屬性和設備屬性；測試過程動態(tài)顯示區(qū)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(tài)解析區(qū)提供的動態(tài)測試報文解析便于用戶查看測試報文以及分析網(wǎng)絡中測試狀況。

3.2LR-WSN多方協(xié)議一致性測試系統(tǒng)驗證

3.2.1LR-WSN多方協(xié)議一致性測試系統(tǒng)功能驗證

1)測試系統(tǒng)功能驗證平臺搭建

本系統(tǒng)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(wǎng)絡接口與測試主機相連，測試主機可以向測試路由器發(fā)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(wǎng)絡中的無線數(shù)據(jù)包進行監(jiān)控。

圖8　測試系統(tǒng)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(zhuǎn)發(fā)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(tǒng)驗證平臺如圖8所示，測試路由器1為協(xié)調(diào)器，被測設備為路由器，成功組網(wǎng)后，通過TCP&UDP測試工具向測試路由器1下發(fā)查看設備信息命令，然后在測試工具測試響應區(qū)查看響應報文的信息是否正確。

如圖9所示，測試請求區(qū)向測試路由器1下發(fā)的查看設備信息命令，測試響應區(qū)顯示響應報文，接口調(diào)用狀態(tài)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(tài)、PANID信息、信道信息、子設備個數(shù)信息以及子設備地址信息。如圖10所示，協(xié)調(diào)器給路由器分配短地址0x1C17，PANID為0x1AAA，協(xié)調(diào)器的長地址以及短地址等信息均與圖9中測試響應區(qū)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(zhí)行以及協(xié)議棧監(jiān)控接口與測試行規(guī)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(shù)據(jù)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(jié)論

本文在分析LR-WSN協(xié)議一致性測試的重要意義和方法的基礎上，設計實現(xiàn)了面向LR-WSN的多方協(xié)議一致性測試系統(tǒng)，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(xié)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(xiàn)進行驗證，證明了多方一致性測試方法的優(yōu)勢作用。未來可進一步完善LTCF協(xié)議與TCP協(xié)議，提高測試效率以及準確性。

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

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

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謝昊飛(1978— )，副教授，研究方向為網(wǎng)絡化控制；

蔡龍騰(1990— )，碩士生，主研物聯(lián)網(wǎng)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電視技術，2016，40(8)：71-75.

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