劉洋+徐超+王凱+趙鵬

【摘 要】通信產(chǎn)品迭代速度快、測(cè)試周期短、軟件穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)間不足，造成了隱含缺陷的產(chǎn)品流入市場(chǎng)的情況。針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種時(shí)間模擬率的穩(wěn)定性測(cè)試方法，測(cè)試一天可模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行N天，并通過(guò)TETRA平臺(tái)框架層面的通信接口進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該測(cè)試方法可以有效地縮短測(cè)試周期，在有限的研發(fā)周期內(nèi)更大程度地提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)定性測(cè)試 時(shí)間模擬率 TETRA D-Bus

Study on the Testing Method Based on the Time Simulation Rate

[Abstract] Communication products have characteristics of quick renewed products， the short testing period and the insufficient testing time of the software stability， leading to impliedly defective products entering the market. In view of this situation， a stability testing method based on the time simulation rate was proposed in this paper， which can simulate the practical operation of N days in one day. In addition， it was tested by means of the communication interface on the architecture of the TETRA platform. Experiments show that the testing method can effectively reduce the testing period and highly enhance the stability of products in the limited R&D cycle.

[Key words]stability test time simulation rate TETRA D-Bus

1 引言

隨著當(dāng)今通信技術(shù)的日益迅猛發(fā)展，專業(yè)通信產(chǎn)品的市場(chǎng)越來(lái)越龐大，但同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)也越發(fā)激烈，在產(chǎn)品更新迭代加快推動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí)，也暴露了由于研發(fā)周期短，產(chǎn)品穩(wěn)定性測(cè)試驗(yàn)證時(shí)間不足，導(dǎo)致流入消費(fèi)者手中的產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)各式各樣的問(wèn)題的情況發(fā)生，嚴(yán)重影響了客戶體驗(yàn)。因此，在有限時(shí)間內(nèi)，如何更有效地加強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性性能測(cè)試已經(jīng)成為通信行業(yè)急需攻克的難題。目前已提出的測(cè)試?yán)碚摱嗥販y(cè)試流程和開(kāi)發(fā)流程；而實(shí)際上，在產(chǎn)品的實(shí)際使用和測(cè)試中，其質(zhì)量問(wèn)題會(huì)更多的體現(xiàn)在產(chǎn)品業(yè)務(wù)和技術(shù)方面，傳統(tǒng)的測(cè)試?yán)碚搶?duì)此卻缺乏關(guān)注。特別是對(duì)于需較長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試才能暴露的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室有限時(shí)間的測(cè)試難以百分百地發(fā)現(xiàn)，這就要求有一套理論來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的質(zhì)量，并基于此進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)試。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種時(shí)間模擬率的測(cè)試概念，即實(shí)驗(yàn)室測(cè)試1天可以模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行N天，通過(guò)壓縮測(cè)試時(shí)間，力爭(zhēng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多的產(chǎn)品隱患。對(duì)基于時(shí)間模擬率開(kāi)發(fā)的TETRA的平臺(tái)框架層面的接口測(cè)試方案進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并將測(cè)試結(jié)果與產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明該方法具有可行性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。作為評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)度量衡，對(duì)于其他非通信類型產(chǎn)品的測(cè)試，希望能提供比較好的借鑒和啟發(fā)意義。

2 測(cè)試時(shí)間模擬率及應(yīng)用策略

測(cè)試時(shí)間模擬率是一種測(cè)試時(shí)間相對(duì)產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行壓縮的比值，在測(cè)試時(shí)間和測(cè)試設(shè)備數(shù)量均受限的情況下，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境以一定的時(shí)間比例模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行，從而發(fā)現(xiàn)更多的產(chǎn)品穩(wěn)定性問(wèn)題。該模擬率可以用數(shù)學(xué)比例1：N來(lái)代替，“1”指實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測(cè)試時(shí)間，N則是對(duì)應(yīng)的可以模擬的實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

測(cè)試時(shí)間模擬率區(qū)別于常規(guī)的壓力測(cè)試，后者旨在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能支持的最大負(fù)載，常規(guī)地為了檢查系統(tǒng)的反應(yīng)、運(yùn)行速度等性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的性能瓶頸；測(cè)試時(shí)間模擬需要結(jié)合壓力測(cè)試、性能測(cè)試和自動(dòng)化測(cè)試等手段對(duì)測(cè)試時(shí)間進(jìn)行壓縮。

在應(yīng)用策略方面，一般而言，測(cè)試時(shí)間模擬率的具體應(yīng)用需要結(jié)合產(chǎn)品的業(yè)務(wù)和技術(shù)特點(diǎn)，給出多角度多維度的評(píng)判。一般來(lái)說(shuō)，基于產(chǎn)品面臨的外部挑戰(zhàn)，應(yīng)用策略可以分為以下兩種。

業(yè)務(wù)角度的應(yīng)用策略：針對(duì)產(chǎn)品的業(yè)務(wù)模型，分析在一定測(cè)試時(shí)間內(nèi)所能觸發(fā)的業(yè)務(wù)量、業(yè)務(wù)復(fù)雜度與現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間的比值，則可推演出要達(dá)到同等業(yè)務(wù)量，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試所需時(shí)間與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行所需時(shí)間的比值。如測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的在線用戶數(shù)比值、用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求量比值等。因產(chǎn)品業(yè)務(wù)的差異，應(yīng)用策略千差萬(wàn)別。

技術(shù)角度的應(yīng)用策略：從產(chǎn)品自身的技術(shù)特性可以分析其技術(shù)角度的模擬率比值。如單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品涉及到的配置組合（產(chǎn)品所采用的服務(wù)器類型、參數(shù)類型等）、所經(jīng)歷的外部環(huán)境情況（工作溫度范圍、GPS信號(hào)變化情況等）等。

結(jié)合產(chǎn)品自身的設(shè)計(jì)，可以從產(chǎn)品組成模塊/網(wǎng)元的角度，進(jìn)一步分析模擬比，模塊可以分為：

業(yè)務(wù)模塊：直接處理產(chǎn)品業(yè)務(wù)的模塊；

平臺(tái)模塊：不直接處理產(chǎn)品業(yè)務(wù)，但支撐業(yè)務(wù)模塊，比如操作系統(tǒng)，可以通過(guò)分析其內(nèi)存使用，發(fā)現(xiàn)線程掛死等異常發(fā)生幾率的比值。

下文以通訊系統(tǒng)中的D-Bus平臺(tái)為例，深入展示測(cè)試時(shí)間模擬率的應(yīng)用。

3 模擬率測(cè)試案例及驗(yàn)證

3.1 D-Bus通信簡(jiǎn)介

D-Bus是一種高級(jí)的進(jìn)程通信機(jī)制，具有低延遲、低開(kāi)銷、高可用性等特性，是desktop-bus的簡(jiǎn)稱。該通信協(xié)議由freedesktop.org開(kāi)源項(xiàng)目組提供，并基于GPL進(jìn)行許可發(fā)行。其主要概念為總線，注冊(cè)之后的進(jìn)程可通過(guò)總線發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文信息，或者等待內(nèi)核相應(yīng)事件響應(yīng)，例如系統(tǒng)某種服務(wù)狀態(tài)變更或是主機(jī)發(fā)出某種內(nèi)核操作指令。由于基于D-Bus協(xié)議的消息傳遞相對(duì)比較高效且穩(wěn)定，目前已被廣泛地應(yīng)用到多個(gè)版本的Linux操作系統(tǒng)當(dāng)中，而且軟件開(kāi)發(fā)人員能利用D-Bus協(xié)議去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的通信軟件開(kāi)發(fā)。

作為D-Bus的進(jìn)程間通信機(jī)制，總線通常會(huì)在一個(gè)操作系統(tǒng)中存在很多條，并由D-Bus總線守護(hù)程序進(jìn)行相應(yīng)管理。以系統(tǒng)總線（System Bus）為例，其在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核引導(dǎo)時(shí)，就會(huì)被載入到系統(tǒng)的內(nèi)存當(dāng)中，此時(shí)只有內(nèi)核級(jí)別的程序、Linux桌面程序以及高權(quán)限級(jí)別的軟件程序才能進(jìn)行總線的消息寫(xiě)入，以確保操作系統(tǒng)的安全，并且能有效預(yù)防惡意或未授權(quán)的程序進(jìn)行的相應(yīng)寫(xiě)入嘗試。會(huì)話總線（Session Buses）能同時(shí)存在很多條，一般由普通進(jìn)程創(chuàng)建，并且被某個(gè)進(jìn)程私有獨(dú)占，其被用于進(jìn)程間消息的傳遞。其中，程序進(jìn)程首先必須進(jìn)行注冊(cè)，之后才能進(jìn)行總線消息的接收。

D-Bus提供了一種匹配器（Matchers）機(jī)制，以使程序能有選擇性地進(jìn)行消息接收。同時(shí)運(yùn)行中的進(jìn)程程序均會(huì)注冊(cè)一個(gè)回調(diào)函數(shù)，便于在收到指定消息時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。這種機(jī)制能有效防止不相關(guān)消息的接收，從而避免導(dǎo)致程序運(yùn)行時(shí)的性能較弱。

在D-Bus機(jī)制中，對(duì)象、服務(wù)、消息等概念相對(duì)比較重要。其中對(duì)象是一個(gè)封裝后的匹配器與回調(diào)函數(shù)實(shí)體，它以端到端（peer-to-peer）方式使每個(gè)消息都具有唯一的源地址以及目的地址，以便確定通信路徑。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在總線注冊(cè)時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的消息對(duì)象。在進(jìn)程注冊(cè)到某個(gè)地址后，相應(yīng)的總線服務(wù)會(huì)被自動(dòng)獲取。D-Bus提供了服務(wù)查詢接口，進(jìn)程可通過(guò)該服務(wù)查詢接口判斷服務(wù)是否存在。注冊(cè)的進(jìn)程能通過(guò)發(fā)送信號(hào)的方式將消息放到總線上，此時(shí)，其他進(jìn)程則通過(guò)總線接收并解析消息。回調(diào)函數(shù)會(huì)在注冊(cè)進(jìn)程收到相關(guān)信息后，自動(dòng)做出反應(yīng)并且返回相應(yīng)的方法。

3.2 案例驗(yàn)證背景

一般而言，在系統(tǒng)測(cè)試中，一些系統(tǒng)隨機(jī)性問(wèn)題（尤其較嚴(yán)重問(wèn)題）隨著時(shí)間的推移會(huì)不斷被暴露出來(lái)，繼而被研發(fā)人員改進(jìn)和修復(fù)；在版本的不斷演進(jìn)中，問(wèn)題被暴露的概率越來(lái)越低，甚至難以被日常的測(cè)試所發(fā)現(xiàn)。對(duì)此，需要明確缺陷問(wèn)題有無(wú)根本修復(fù)；問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)室有限的環(huán)境和有限的測(cè)試時(shí)間下是否能夠充分暴露；如何確保此類問(wèn)題不會(huì)在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生。要對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行一個(gè)時(shí)間比的探討，才能使其在某一數(shù)量級(jí)的硬件條件和一定的運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)暴露出來(lái)。

下文將分析一個(gè)平臺(tái)的接口級(jí)壓力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室的人員和設(shè)備極其有限（尤其是系統(tǒng)設(shè)備數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)）。以某一中型項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)為例，TETRA系統(tǒng)基站數(shù)高達(dá)70個(gè)，基于有限的設(shè)備和人員，如何盡可能地模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的多種交互，這對(duì)系統(tǒng)的模擬覆蓋測(cè)試提出了更高的要求。

目前TETRA系統(tǒng)業(yè)務(wù)層面的壓力測(cè)試由于比較常見(jiàn)而容易被關(guān)注，且一般TETRA系統(tǒng)廠家會(huì)進(jìn)行比較廣泛的測(cè)試。而平臺(tái)框架層面的接口測(cè)試往往會(huì)被一般的廠家所忽略，在現(xiàn)場(chǎng)大業(yè)務(wù)量運(yùn)行時(shí)，除了業(yè)務(wù)模塊軟件承載巨大壓力，底層接口同樣也承載巨大的壓力。因此，為了提高測(cè)試模擬率，自動(dòng)化測(cè)試開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)基于通用平臺(tái)的通信流程，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信程序，并且基于測(cè)試環(huán)境測(cè)試，最終根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了模擬率的驗(yàn)證。

3.3 自動(dòng)化測(cè)試工具設(shè)計(jì)

底層平臺(tái)接口層面的通信分為客戶端及服務(wù)端兩部分，通信基于D-Bus協(xié)議。該D-Bus平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)通信包的轉(zhuǎn)發(fā)，其中，服務(wù)端程序功能主要為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)接口，并發(fā)布接口對(duì)象，從而生成對(duì)象路徑及總線名；客戶端程序功能主要為通過(guò)總線訪問(wèn)對(duì)應(yīng)服務(wù)端程序中的接口，客戶端連接到服務(wù)端需要設(shè)定服務(wù)端的IP地址、端口號(hào)以及總線名。

為了測(cè)試這個(gè)通用平臺(tái)的穩(wěn)定性，分別用C++和Python語(yǔ)言對(duì)同一平臺(tái)接口開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化測(cè)試工具，不僅涉及到軟件的線程間通信、主機(jī)內(nèi)進(jìn)程間通信，還涉及到跨主機(jī)的進(jìn)程間通信。其中，測(cè)試程序設(shè)計(jì)中不涉及系統(tǒng)中各類實(shí)際存在的通信程序的交互，如基站守護(hù)進(jìn)程、網(wǎng)元程序等，即模擬測(cè)試程序和實(shí)際基站系統(tǒng)運(yùn)行程序均基于D-Bus通用平臺(tái)，但模擬程序不會(huì)影響實(shí)際程序的運(yùn)行，僅加大接口模擬的力度，使實(shí)際程序調(diào)用接口時(shí)更易發(fā)生、暴露缺陷問(wèn)題。整體測(cè)試通信模型如圖2所示：

為了盡可能地模擬現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)，在測(cè)試軟件設(shè)計(jì)中加入了線程間通信、主機(jī)內(nèi)進(jìn)程間通信、跨主機(jī)間進(jìn)程間通信，這樣底層平臺(tái)的多種業(yè)務(wù)能夠得到有效模擬。

此外，為了盡可能模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)異常程序，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)絡(luò)接口異常及系統(tǒng)服務(wù)級(jí)的自動(dòng)化異常干擾?？蛻衄F(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境會(huì)不定期地出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葐?wèn)題，周期約為1～3天一次，采用該方法，設(shè)定一個(gè)小周期（5分鐘到半小時(shí)），通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層面會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生丟包、亂序、亂碼等狀況，且網(wǎng)絡(luò)接口會(huì)定時(shí)啟用、禁用，系統(tǒng)服務(wù)也會(huì)在隨機(jī)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行服務(wù)的禁用及啟用。據(jù)此，能較充分且隨機(jī)地模擬現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)的多種突發(fā)狀況以進(jìn)行測(cè)試，暴露問(wèn)題缺陷，最終保證系統(tǒng)運(yùn)行的健壯性及穩(wěn)定性。圖3為網(wǎng)絡(luò)傳輸及接口異常模擬程序框架圖：

3.4 測(cè)試環(huán)境

由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源有限且多數(shù)資源用于其它多種測(cè)試，最終分別在一臺(tái)兩載波基站、9臺(tái)Linux虛擬機(jī)主機(jī)（模擬基站）環(huán)境上部署了開(kāi)發(fā)的測(cè)試程序，并分別設(shè)定主機(jī)間和同一主機(jī)內(nèi)的單一業(yè)務(wù)和多業(yè)務(wù)交叉通信場(chǎng)景，以達(dá)到時(shí)間模擬上的效果。其中，每主機(jī)新增40個(gè)通信測(cè)試進(jìn)程并活躍運(yùn)行，每進(jìn)程調(diào)用25個(gè)線程，所以主機(jī)內(nèi)運(yùn)行1000個(gè)線程，10主機(jī)共運(yùn)行1萬(wàn)線程來(lái)進(jìn)行平臺(tái)通信。

3.5 模擬率估算及測(cè)試結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測(cè)試環(huán)境中，一臺(tái)基站的活躍進(jìn)程為5～10個(gè)左右，取平均值為7，每進(jìn)程中活動(dòng)線程為10個(gè)左右。在模擬測(cè)試程序設(shè)計(jì)運(yùn)行后，一臺(tái)真實(shí)基站（加上虛擬主機(jī)）一天的模擬量約等于“10000/（7×10×4）=35.7”臺(tái)基站一天的模擬量，即模擬率約為1： 35.7。

經(jīng)過(guò)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)通信平臺(tái)的接口缺陷問(wèn)題只能被常規(guī)測(cè)試有限地發(fā)現(xiàn)，但有了自動(dòng)化模擬程序后，能更多更快地發(fā)現(xiàn)相關(guān)缺陷，且自動(dòng)化模擬程序發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題能覆蓋到常規(guī)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的同樣問(wèn)題。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)缺陷問(wèn)題出現(xiàn)的數(shù)量及所需時(shí)間進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)，

實(shí)際模擬的概率提升為“15/0.47”，約為32倍，即實(shí)際模擬率為1： 32，接近理論估算值1： 35.7。

根據(jù)上述結(jié)果對(duì)比，通過(guò)模擬程序測(cè)試效率和質(zhì)量得到了大幅提升，測(cè)試覆蓋到了業(yè)務(wù)層面的壓力測(cè)試、平臺(tái)框架層面的通信及異常干擾等盡可能多的場(chǎng)景。因此在實(shí)驗(yàn)室可快速模擬項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的通信量，盡早暴露問(wèn)題，以避免問(wèn)題遺落在現(xiàn)場(chǎng)而導(dǎo)致隱形及難以估量的損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)較典型的通信接口級(jí)壓力測(cè)試案例來(lái)闡述模擬時(shí)間比這個(gè)概念，值得關(guān)注的是，真正做到系統(tǒng)級(jí)的時(shí)間模擬的估算和測(cè)試需要針對(duì)每一個(gè)隨機(jī)問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)分析，然后定量地分析，最后根據(jù)時(shí)間模擬率方法，采取相應(yīng)的測(cè)試手段。

整體而言，本文提供了一個(gè)理論標(biāo)準(zhǔn)——問(wèn)題模擬發(fā)現(xiàn)率，并提供了兩個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)：時(shí)間比例和覆蓋比例，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)歷，就相關(guān)理論的驗(yàn)證進(jìn)行了舉例說(shuō)明，使產(chǎn)品的質(zhì)量有了一個(gè)量化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，有助于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。海能達(dá)公司的ACCESSNET-T IP DIB R5是最新專注研制的一款TETRA專網(wǎng)通信系統(tǒng)，由中國(guó)總部和德國(guó)子公司共同研制，就其架構(gòu)而言，相比上一代產(chǎn)品，很多特性得到了改進(jìn)和優(yōu)化，并且模塊化的程序更高、支持組網(wǎng)方式更靈活、業(yè)務(wù)流程更合理、功能相對(duì)更完善，并且由于測(cè)試方法的提升，相應(yīng)的產(chǎn)品測(cè)試也更加充分，保證了產(chǎn)品的可靠性能。

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