田萬勇，趙露露，杜利剛，胡軍鋒

基于建模與仿真的Link-16協(xié)議一致性測試

田萬勇，趙露露，杜利剛，胡軍鋒

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

數據鏈是實現作戰(zhàn)單元互操作的決定性因素，作戰(zhàn)單元對協(xié)議實現的一致性是互操作性的基礎。本文針對消息協(xié)議表述易產生歧義和測試模型通用性不足等問題，將測試重點聚焦于語法與語義，以Link-16消息與規(guī)則為測試對象，基于建模與仿真方法構建一致性測試模型。美軍JITC的測試案例說明，該方法可以實現典型語法與語義的一致性測試，擴展性較好。

數據鏈；一致性；建模與仿真

0 引言

數據鏈是一種基于標準化的消息格式和通信協(xié)議，以面向比特的方式在傳感器平臺、指控平臺以及武器平臺間實時傳輸數字化信息的戰(zhàn)術無線通信系統(tǒng)，是網絡中心戰(zhàn)和體系化作戰(zhàn)的核心支撐系統(tǒng)[1]。Link-16數據鏈是美軍聯合作戰(zhàn)的主要工具，可在作戰(zhàn)成員間交換敵方目標數據、己方平臺狀況、成員位置、電子偵察/電子戰(zhàn)情報、危險警告、導航、控制與指揮引導等信息，是全面提升美軍聯合作戰(zhàn)能力的重要保障。

消息協(xié)議，又稱消息標準，是數據鏈系統(tǒng)或設備終端所應遵循的標準化協(xié)議和規(guī)范，以實現系統(tǒng)或設備級的信息交互[2]。消息協(xié)議包括消息格式、數據元素字典和通信協(xié)議等內容，是數據鏈特有的標準[3]。Link-16消息協(xié)議涉及近百條消息和一萬多條規(guī)則，內容繁多，應用功能多樣。協(xié)議一致性測試是對數據鏈設備的協(xié)議實現進行檢驗，確定是否符合消息標準的規(guī)定。通常試驗人員需要深入理解標準規(guī)范，清楚各部分之間的內在聯系，然后借鑒已有的經驗來設計試驗想定。這種方法通常會帶來兩個問題，一是工作量非常大，耗時長，進度難以保障；二是對試驗人員要求非常高，測試用例的典型性和全面性難以保障，缺陷的漏檢率較高。此外，針對實裝設備的消息協(xié)議一致性測試通常采用人工方式進行測試用例加載和逐條測試，難以對待測裝備施加大量用例和極限應力測試，實際應用場景覆蓋性、數據的充分性以及測試模型擴展性難以保證。

本文首先分析了數據鏈協(xié)議一致性測試方面的國內外研究現狀，其次介紹了離散事件系統(tǒng)（Discrete Event System Specification，DEVS）模型，并基于建模與仿真理論闡述了語法與語義一致性測試方法與流程，再次以美軍聯合互操作測試司令部（Joint Interoperability Test Command，JITC）的測試案例說明了測試流程與建模方法，最后對該方法進行了分析與總結。

1 國內外研究現狀

美軍JITC對數據鏈消息協(xié)議一致性測試方法進行了研究，旨在為戰(zhàn)術數據鏈標準的一致性測試探索出一條行之有效的道路。JITC通過將系統(tǒng)理論、建模與仿真（Modeling and Simulation，M&S）等概念應用到一致性測試中，提高了協(xié)議一致性測試的效率和自動化水平。目前，已對航跡相關、解相關、航跡管理、報告職責、航跡質量、網絡管理以及數據注冊等方面進行了測試，后續(xù)將對其他功能進行測試并計劃將該技術應用于全球信息柵格的測試。

國內相關學者在數據鏈一致性測試技術方面也開展了大量研究。文獻[4]提出了一種數據鏈協(xié)議一致性測試平臺架構，設計了數據鏈協(xié)議測試用例生成方法，并針對本地測試和分布式測試需求提出了數據鏈協(xié)議一致性測試評估方法。文獻[5]闡述了數據鏈協(xié)議一致性測試原理，提出基于因果圖的測試用例設計方法，保證測試用例的覆蓋性，可以對消息編解碼、收發(fā)與處理進行全面測試，保證各平臺消息實現的一致性。文獻[6]從一致性與互操作性的內涵出發(fā)，基于統(tǒng)一的消息處理要求，闡述了數據鏈系統(tǒng)一致性與互操作性的實現方法和條件。文獻[7-8]基于建模與仿真方法構建數據鏈一致性和互操作性測試模型，實現了數據鏈協(xié)議一致性和互操作性動態(tài)測試。文獻[9]從協(xié)議一致性測試的協(xié)議形式化描述技術入手，分別對協(xié)議一致性測試過程中的描述、測試序列生成、測試實現與執(zhí)行進行了綜合研究，闡述了其中存在的問題并給出了基本解決思路。

2 DEVS模型

數據鏈系統(tǒng)是一個由連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)構成的混合系統(tǒng)，建模和仿真需要以明確、無二義的方式描述數據鏈系統(tǒng)的動態(tài)行為特征。離散事件系統(tǒng)規(guī)范（Discrete Event System Specification，DEVS）作為一種系統(tǒng)建模與仿真的模塊化、層次化和形式化描述機制，可用于描述離散、連續(xù)以及連續(xù)和離散事件構成的混合系統(tǒng)。DEVS從一般系統(tǒng)理論出發(fā)，提供的形式化描述可為實現其他基本系統(tǒng)表示的行為提供計算基礎[10]。

2.1 基本模型

DEVS基本模型有兩種：DEVS原子模型和DEVS耦合模型，其具體定義參見文獻[11]。其中，原子模型描述了離散事件系統(tǒng)的自治行為，包括系統(tǒng)狀態(tài)轉換、外部輸入事件響應和系統(tǒng)輸出等。原子模型可以通過連接形成耦合模型。耦合模型中包含多種成員，每個成員既可以是原子模型，也可以是耦合模型。

DEVS模型有兩種行為：發(fā)送消息和接收消息。這2種行為可以通過3個原子模型來表示：holdSend、waitReceive和waitNotReceive。holdSend表示在剩余時間過期之后發(fā)送消息。接收消息的行為由waitReceive和waitNotReceive這2個原子模型來表示。waitReceive表示以定義好的時間間隔等待一條消息，并通過將接收消息的值與預定義好的值相比較來確定pass-fail的條件。waitNotReceive表示不等待接收任何消息，并且使模型空閑一段預定義好的時間間隔。每個原子模型和耦合模型都有2個輸入端：start和in_Jmsg，2個輸出端：out_Jmsg和pass。DEVS原子模型與耦合模型如圖1所示。

圖1 DEVS原子模型與耦合模型

2.2 組合模型

基本模型描述了消息的輸入與輸出。如圖2所示，將基本模型按照消息輸入/輸出的邏輯順序串聯起來，構成組合模型，該組合模型由開始端的開始事件觸發(fā)。當前一個基本模型的條件滿足時，將觸發(fā)下一個基本模型。相對于基本模型，組合模型可描述系統(tǒng)更復雜的行為。

圖2 組合模型

每一個組合模型通常代表一個測試場景。測試人員可以將一系列的組合模型級聯起來形成更復雜的測試場景。通過設計不同的基本模型與組合模型，可實現對不同場景下協(xié)議的充分測試。

3 測試方法與流程

本文從語法一致性和語義一致性兩方面測試Link-16協(xié)議一致性。其中，語法一致性主要測試數據鏈設備按照協(xié)議發(fā)送、接收消息并按照規(guī)定格式解析數據的能力，包括消息格式、數據元素的完整性、正確性與發(fā)送周期等方面是否與消息協(xié)議規(guī)定一致。語義一致性主要測試數據鏈設備對于交換的戰(zhàn)術信息具體含義的理解能力，即是否按照收發(fā)與處理規(guī)則正確實現消息協(xié)議。通過檢驗模型是否符合消息處理流程，以及模型處理以后形成的功能和能力是否滿足消息標準，例如是否正確實現指控交接和航跡相關等功能。

協(xié)議一致性測試包含消息協(xié)議規(guī)則獲取組件、規(guī)則集正確性分析組件、測試模型生成組件和測試發(fā)生組件4個部分，總體架構如圖3所示。

根據Link-16數據鏈消息協(xié)議中的消息格式、信息處理流程和功能定義，語法與語義一致性測試方法如圖4所示。選擇一組測試用例，產生所需的激勵數據和約束數據，按順序觸發(fā)模型。執(zhí)行過程中，測試分析工具采集輸出結果，與預期結果進行比對分析，判斷測試項是否通過。測試人員可以在測試過程中設置狀態(tài)采集點，通過在狀態(tài)采集點收集相關信息對模型進行測試。

圖3 數據鏈協(xié)議一致性測試總體架構

圖4 消息協(xié)議一致性測試方法

本文將M&S方法與DEVS理論應用于數據鏈消息協(xié)議一致性測試中，以提高數據鏈消息標準的自動化測試能力和有效性。按照圖3所示的總體架構，協(xié)議一致性測試流程如圖5所示，主要包含以下步驟：消息處理規(guī)則分析與提取、測試用例生成、測試模型構建和測試執(zhí)行。其中：

（1）規(guī)則分析與提?。悍治鰯祿渽f(xié)議，提取消息處理輸入與輸出之間的對應關系。

（2）測試用例生成：將消息的事務處理分解為一系列離散事件（Discrete Event System，DEV），建立事件之間的關系，分析消息執(zhí)行路徑，并根據路徑形成測試用例，實現對消息處理路徑的全部覆蓋。

（3）DEVS測試模型構建：采用規(guī)范的方法，將測試順序轉換為統(tǒng)一的可執(zhí)行模型。

（4）測試執(zhí)行：利用測試模型觸發(fā)待測系統(tǒng)（System Under Test，SUT）測試行為，實現被測功能。

圖5 消息協(xié)議一致性測試流程

4 測試案例

基于M&S方法，美軍JITC針對Link-16數據鏈系統(tǒng)的消息協(xié)議進行了一致性測試。其中，Link-16的測試環(huán)境分為兩類：獨立式與分布式。在獨立式環(huán)境中，Link-16分別是集成架構行為模型（Integrated Architecture Behavior Model，IABM）和空中防御系統(tǒng)集成（Air Defense System Integrator，ADSI）的子系統(tǒng)。表1總結了2種環(huán)境中Link-16功能的一致性測試結果，測試的功能分別為自動航跡相關、解相關、相關窗口大小、航跡管理、報告職責、航跡質量和身份差異辨識。未來JITC將對更多的Link-16系統(tǒng)功能進行一致性測試。

表1 JITC的Link-16一致性測試結果

以自動航跡相關功能為例，其功能實現流程為：當SUT從遠端Link-16單元接收到空中航跡（J3.2），并在本地航跡的相關窗口內時，啟動嘗試相關過程。如果接收到第二個航跡并在本地航跡相關窗口內，則通過向遠端發(fā)送相關請求（J7.2）將其相關，并保持為通用本地航跡。如果本地航跡號大于遠端航跡號，則本地系統(tǒng)放棄自己的航跡并發(fā)出丟棄航跡通知（J7.0）；否則，遠端Link-16單元會丟棄它的航跡并發(fā)出通知。自動航跡相關流程圖如圖6所示。

圖6 自動航跡相關流程圖

自動航跡相關組合模型如圖7所示，該組合模型包含5個原子模型，分別為：waitReceive（J3.2，data1），waitReceive（J3.2，data1），holdSend（J7.2，data3），waitReceive（J7.0，data4），holdSend（J7.0，data5）。

圖7 自動航跡相關組合模型

5 結論

數據鏈消息協(xié)議主要采用以文檔為中心的實現方式，通過大量文字和表格的形式描述，存在不全面、有歧義和變更追溯困難等問題，導致消息協(xié)議一致性測試復雜度高、任務量大和功能覆蓋難以實現，嚴重制約了數據鏈互操作水平的提升。協(xié)議一致性測試是協(xié)議測試中關鍵的一環(huán)，也是互操作性測試的基礎。針對數據鏈協(xié)議一致性測試問題，本文將測試重點聚焦于語法與語義，即以消息與協(xié)議規(guī)則為測試對象，基于建模與仿真理論構建測試模型。該方法可提高數據鏈消息協(xié)議測試自動化程度和通用性，降低數據鏈裝備測試復雜性和研制風險，并為數據鏈裝備互操作性測試提供指導和借鑒。

[1] 梅文華，蔡善法. JTIDS/Link 16數據鏈[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 駱光明. 數據鏈——信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3] 牛英滔，尹浩，陳強. 美軍戰(zhàn)術數據鏈格式化消息標準的發(fā)展[J]. 電訊技術，2006（5）：6-11.

[4] 牛煜. 數據鏈測試技術研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2009.

[5] 陳升來. Link 16數據鏈協(xié)議一致性測試方法研究[J]. 信息化研究，2014，40（1）：38-41.

[6] 石教華. 戰(zhàn)術數據鏈互操作性實現方法和條件[J]. 火力與指揮控制，2015，40（8）：136-139.

[7] 趙露露，王蘇樂，田萬勇. 基于建模與仿真的數據鏈互操作性動態(tài)測試[C]. 第七屆中國指揮控制大會論文集，2019：560-564.

[8] Tian Wanyong, Chen Chilian, Zhao Lulu. Modeling and Interoperability Testing of Data Link Based on DEVS[C], IEEE 3rd International Conference on Electronic Information and Communication Technology (ICEICT), 2020.

[9] 李強，余祥，齊建業(yè)，等. 協(xié)議一致性測試研究進展[J]. 西南科技大學學報，2013，28（4）：85-92.

[10] 邱曉剛，段偉. DEVS研究進展及其對建模與仿真學科建立的作用[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2009，21（21）：6697-6704，6709.

[11] B.P. Zeigler, Tag Gon Kim, H Praehofer. 建模與仿真理論——集成離散事件與連續(xù)復雜動態(tài)系統(tǒng)[M]. 李革，等，譯. 2版. 北京：電子工業(yè)出版社，2017：59-106.

Consistency Testing for Link-16 Protocol Based on Modeling and Simulation

TIAN Wanyong, ZHAO Lulu, DU Ligang, HU Junfeng

Data link is the determining factor to realize interoperability for combat units. The implementation consistency of protocol among combat units is the basis of interoperability. According to the problems of ambiguity of message protocol expression and lack of generality of test model, the paper focuses on syntax and semantics test. We take messages and rules of Link-16 as test objects and construct consistency model based on modeling and simulation. Experiment results of JITC show that the method can conduct consistency testing of typical syntax and semantics and has good scalability.

Data Link; Consistency; Modeling and Simulation

TN914

A

1674-7976-(2021)-04-284-05

2021-04-14。田萬勇（1982.08-），安徽含山人，博士，高級工程師，主要研究方向為數據鏈。本文受國防基礎科研計劃（JCKY2017210A001）、軍委裝備發(fā)展部技術基礎項目（JZX6J20191201BZ0816）支持。