（计算机应用技术专业论文）基于617842的epa一致性测试研究与开发.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 随着e p a 标准的逐步推广应用，国内有很多厂商正在从事e p a 产品 的开发工作。为检查各个不同生产厂家的实现是否与e p a 标准相一致，并 保证不同实现版本之间能够完全地相互访问并进行可靠的通信，需要进行 e p a 一致性测试。同时，一致性测试是认证开放系统互联产品的重要步骤， 是e p a 产品产业化和商业运营的关键因素。 本文首先介绍了实时以太网及其应用行规“测量与控制数字数据通信 一实时应用中的基于i s o i e c 8 8 0 2 3 的通信网络行规”6 1 7 8 4 2 ，接着概述 了e p a 标准的发展趋势。在6 1 7 8 4 2 指导下，在对e p a 规范及其通信特 点进行深入研究的基础上，结合描述协议一致性测试基本方法和基本结构 的协议文本i s 0 9 6 4 6 “o s i 协议一致性测试的方法和框架”，其它同学 共同提出了e p a 一致性测试内容和测试系统结构，接着介绍了抽象测试集 的层次结构模型，描述了e p a 抽象测试集的设计流程，对抽象测试集进行 形式化描述。并以读服务为例说明抽象测试集的实现。抽象测试集是测试 的核心和主线，一个好的抽象测试集可以极大的减轻测试系统的负担，而 且能确保协议一致性测试的准确性。最后阐述所参与的e p a 协议服务测试 软件和时间同步测试软件的设计。 关键词：实时以太网，e p a ，致性测试，抽象测试集 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c e s s a n tg e n e r a l i z i n ga n da p p l i c a t i o no fe p as t a n d a r d ，m o r ea n d m o r em a n u f a c t u r e r s b e g i n t o d e v e l o p a n d p r o d u c e e p ap r o d u c t s e p a c o n f o r m a n c et e s t i n gn e e dt ob ed o n ei no r d e rt og u a r a n t e et h a tv a r i o u sp r o t o c o l i m p l e m e n t i n gc a na c c e s se a c ho t h e r , c o m m u n i c a t ed e p e n d a b l ya n di ft h ep r o t o c o l i m p l e m e n t i n g o fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si sc o n s i s t e n tw i t he p as t a n d a r d c o n f o r m a n c et e s t i n gi st h ek e ye l e m e n to f e p a p r o d u c t si n d u s t r i a l i z a t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h er e a l t i m ee t h e r n e ta p p l i c a t i o np r o f i l e6 1 7 8 4 - - 2a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe p as t a n d a r d ，u n d e rd e e p l ya n a l y z i n ge p as t a n d a r d ，t e s t i n g s y s t e ms t r u c t u r ea n dc o m p o n e n tp a r t so fe p ac o n f o r m a n c et e s t i n ga r ep r e s e n t e d a c c o r d i n g t oi s 0 9 6 4 每- o s l p r o t o c o l c o n f o r m a n c et e s t i n gm e t h o da n d s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r f o r m a l i z a t i o nd e s c r i b i n gt h ea b s t r a c tt e s ts u i t e ，p r e s e n t i n g t h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h ee p aa b s t r a c tt e s ts u i t ea n dat e s tc a s ee x a m p l ef o r s e r v i c et e s ta r eg i v e na b s t r a c tt e s ts u i t ei st h ek e ye l e m e n ti nt h ec o n f o r m a n c e t e s t i n gag o o da b s t r a c tt e s ts u i t ec a nl i g h t e nt h et e s ts y s t e m sb u r d e na sw e l la s p r o m i s et h ev e r a c i t y t h ed e s i g n i n gs c h e m eo f s e r v i c et e s t i n gs o f t w a r ei sp r o v i d e d o nt h eb a s i so ff u l lc u s t o m e rs u r v e y sa n da n a l y z i n go ft h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t f i n a l l y , t h ed e s i g n i n go ft h ee p at i m es y n c h r o n i z a t i o nt e s t i n gs o f c w a r ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i la l s ot h es e r i e s d i s p o s i n gm o d u l ea n dt e s t i n gi n f o r m a t i o n m a n a g i n gm o d u l ei sr e a l i z e d k e yw o r d s ：r e a l - t i m ee t h e r n e t ，e p a , c o n f o r m a n c et e s t i n g ，a b s t r a c tt e s ts u i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆 邮皇太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：阿乡冬耳 签字日期：州年娟，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖整壹盔堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽鲣皇太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：a 杀鲜 签字日期： 纠7 年舌月f 日 导师签名：z 务 签字日期： 司年占月7 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 实时以太网 1 1 1 实时以太网概述 第一章绪论 随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖 了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层 到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络 技术为基础的企业信息化系统。 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生 产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运 动和转换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适 应性、总线供电等特殊要求和特点。 在这种背景下，2 0 世纪8 0 年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数 字的通信代替4 2 0 m a 电流的模拟传输方式，使得控制系统与现场仪表之间 不仅能传输生产过程测量与控制信息，顽且能够传输现场仪表的大量非控制 信息，使得工业企业的管理控制一体化成为可能。并且促使目前的自动化仪 表、d c s 和可编程控制器( p l c ) 等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大 变革。 以太网具有通信不确定性的特点，这成为它应用于现场总线的主要障碍。 因此，仅仅通过采取一些措施，提高以太网设备应用的可靠性和环境适应性， 仍然没有能够解决通信实时性问题。 为此，世界各大公司开始研究基于以太网的通信确定性和实时性问题。 2 0 0 3 年5 月，i e c s c 6 5 c 成立了w g l l 工作组，置在适应实时以太网市场应 用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。 所谓实时以太网，就是基于i s o i e , c 8 $ 0 2 3 协议并能实现实时通信的网 络。即根据工业数据通信的要求和特点，在i s o i e c 8 8 0 2 3 协议基础上，通过 增加一些必要的措施，使以太网具有实时通信能力。实时以太网具有以下特 点： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 ( 1 ) 网络通信在时间上的确定性，即在时间上。任务的行为可以预测： ( 2 ) 实时响应适应外部环境的变化，包括任务的变化，网络节点的增减， 网络失效诊断等； ( 3 ) 减少通信处理延迟，使现场设备间的信息交互在极小的通信延迟时间 内完成。 1 1 2i e c 6 1 7 8 4 2 实时以太网应用行规 随着实时以太网逐渐进入工业自动化领域，为了适应实时以太网市场应 用地要求，国际电工委员会( m c ) 成立了实时以太网工作组，制定实时以太 网的国际标准。制定出的国际标准有：i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准和i e c6 1 7 8 4 系列标准。其中i e c6 1 7 8 4 又分为四个标准：i e c6 1 7 8 4 1 ，用于过程控制的 功能块通信集行规；m c6 1 7 8 4 2 ，用于实时应用中基于i s o ，m c8 8 0 2 3 通信 网络的测量和控制数字数据通信行规；6 1 7 8 4 3 ，用于工业网络功能性安全通 信的测量和控制数字数据通信的行规；m c6 1 7 8 4 4 用于工业网络中的安全通 信铡量和控制的数字数据通信的行规。c6 1 7 8 4 2 标准包括通信行规子 集( c p f ，c o m m u n i c a t i o np r o f i l ef a m i l y ) 2e t h e m e t i p 、c p f 3p r o f i n e t 、c p f 4 p n e t 、c p f 6i n t e r b u s 、c p f l 0v n e t ，口、c p f l lt c n e t 、c p f l 2e t h e r c a t 、 c p f l 3e t h e r n e tp o w e r l i n k 、c p f l 4e p a ( q b 国) 、c p f l 5m o d b u s t c p 以及c p f l 6 s e r c o s 等1 1 种实时以太网行规。 1 2 e p a 标准 e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 标准( 全称 用于工业测量与控 制系统的e p a 系统结构与通信标准) 是在解决了以太网用于工业现场设备问 通信的确定性通信调度、总线供电、网络安全、可互操作等关键技术的基础 上，起草的现场总线国家标准。是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信 息网络通信技术，适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表闯相互通信的 工业控制网络通信标准。该标准针对工业测量与控制系统网络通信特点，以 工业控制工程师为应用对象，规定了以太网( 和无线技术) 、t c p ，之上的应 用层、用户层以及认证、测试与应用行规。以以太网和无线技术统一管理层、 监控层和现场设备层等工业企业综合自动化系统的所有网络层次，实现各网 络层次上信息的无缝集成，为用户应用程序提供服务接口以及相关管理方面 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的规范。e p a 标准解决了：以太网实时通信，总线供电、可靠性与抗干扰、 远距离传输、网络安全以及基于以太网控制系统的体系结构等难题。 经过e p a 工作组几年不懈努力的工作，e p a 标准以它先进的设计思想，完 整的工业控制解决方案，赢得了国际同行业的认可，于2 0 0 5 年2 月2 6 日经过 国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的投票已作为公共可用规范( p u b l i c l ya v a i l a b l e s p e c i f i c a t i o n ，p a s ) i e c p a s6 2 4 0 9 标准化文件正式发布并作为公共行规 ( c o m m o n p r o f i l e f a m i l y1 4 ，c p f1 4 ) 列入正在制定的实时以太网应用行规国 际标准i e c 6 1 7 8 4 和正在修订的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ( 第四版) 。从而 成为我国工业控制领域内第一个被国际权威标准组织所采纳的现场总线标 准，是我国第一个被国际认可和接收的工业自动化领域的标准，改变了我国 现场总线技术和产品开发一直所处的跟踪研究现状，实现了我国在自动控制 领域国际标准零的突破。 e p a 标准的主要特点有： 1 ) 兼容性。e p a 控制系统兼容i e e e s 0 2 3 ，i e e e $ 0 2 i p & q 、i e e e 8 0 2 id 。 i e e e 8 0 2 1 l 、i e e e 8 0 2 152 及u d p ( t c p ) i p 等协议。 2 ) 微网段化系统结构。e p a 控制系统中，控制网络划分为若干个控制区 域，每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过e p a 网桥与其他 网段进行分隔，该微网段内e p a 设备间的通信被限制在本控制区域内 进行，而不会占用其他网段的带宽资源。处于不同微网段的e p a 设备 闽的通信，需由相应的e p a 网桥进行转发控制。 3 )确定性通信。在数据链路层与网络层之间定义了一个确定性通信调度 管理接口，用于处理e p a 设备的报文发送调度。通过该通信调度管理接 口，e p a 设备按组态后的顺序，采用错时发送的方式向网络上发送报文， 以避免报文冲突，并确保通信的确定性。 4 ) 支持e p a 报文与通用网络报文并行传输。在不影响实时性的前提下。支 持e p a 报文与通用网络报文并行传输。 。 5 ) 分层安全控制导则。对基于e p a 的分布式现场网络控制系统，从企业 信息管理层、过程监控层和现场设备层3 个层次，采用不同的安全技术， 如防火墙技术、网络隔离、硬件加锁等安全措施。 6 ) 网络供电。基于i e e e 8 0 2 ，3 a f 标准，e p a 标准规定了基于以太网的网络 供电方法。 7 ) 冗余管理。e p 标准规定了e p a 网络冗余的相关技术，如网络冗余、设 备冗余以及必要的故障检测和故障恢复措施。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 8 ) 基于x m l 的e p a 设备描述。e p a 标准采用x m l 结构化文本语言，规定了 e p a 设备资源的描述方法，以实现不同e p 设备的互可操作。 9 ) 可靠性与抗干扰要求。为适应工业现场应用环境，e p a 标准也规定了可 靠性与工程应用导则。 1 3e p a 协议一致性测试的重要性 随着e p a 协议的逐步推广应用，各种相关产品蜂拥而来，由于对协议理 解不同，同一协议标准会存在许多不同的实现版本。为检查各个不同生产厂 家的e p a 实现是否与标准文本相一致，并保证协议的不同实现版本之间能够 完全地相互访问并进行可靠的通信，需要对协议进行一致性测试。所谓一致 性测试就是验证协议实现在多大程度上与相应的协议标准一致。在多个厂家 进行设备互联时，通过一致性测试会提高人们对设备( 协议实现) 符合相应 协议标准的置信程度，提高相同标准不同实现之间互联的概率，以减少产品 在现场运行时发生错误的风险性。实际上，一致性测试是认证开放系统互联 产品的重要步骤，是e p a 产品产业化和商业运营的关键因素。同时，既a 一 致性测试是互可操作性测试和性熊测试的前提，也是现阶段e p a 标准推广的 基础。 1 4 一致性测试国内外研究现状 国外开展一致性测试的研究工作较早。1 9 8 1 年，i s o 委托英国n p l 的 d a v i dg a y n e r 带领一个研究小组，负责一致性测试技术的研究工作。其它的 一些组织，如法国的a d i 、美国的n b c 、西德的g m d 、意大利的g r e i 及加 拿大蒙特利尔大学和渥太华b n r 实验室等，对一致性测试技术的研究工作也 很突出。经过这些研究单位的共同努力，国际标准化组织i s 0 通过了描述协 议一致性测试基本方法和基本结构的协议文本i s 0 9 6 4 6 一“o s i 协议一致性 测试的方法和框架”。该标准用自然语言描述了基于o s i 七层参考模型的协 议测试过程、概念和方法，由七个相关的文件组成。卜。 i s o9 6 4 6 1 对一致性测试的目标、常用测试方法和测试集的结构及组成 进行了说明，并定义了测试中常用到的术语。常用的测试方法有本地测试法、 分布式测试法、协调测试法和远程测试法四种。i s o9 6 4 6 2 为抽象测试集规 范，对测试集进行描述，并提供通用的途径对抽象测试集进行开发，其中包 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 括所使用的设计准则以及对测试集结构和覆盖面的指导：给出了抽象测试方 法的定义。i s o9 6 4 6 3 定义了测试集的树表结合表示法描述语言t t c n ( t r e e a n dt a b u l a rc o m b i n e dn o t a t i o n ) 。t t c n 是一种标准化的a t s 独立于协议、测试 方法和测试设备的抽象语言，被广泛应用在通信协议测试中。共定义了两种 t t c n 的表示方式：图形方式和机器处理方式。i s o9 6 4 6 4 首先对测试实现进 行定义，即测试实现是一种产生测试方法的过程，该测试方法可用于被测试 协议实现( i u t ) 与基于一致性测试标准及其抽象测试集( a t s ) 的o s i 协议 测试规范一致性测试。接着提出了对测试实现的要求，从而对测试实现提供 指导。i s o9 6 4 6 5 说明一致性评估过程对测试实验室和客户的要求。i s o 9 6 4 6 6 和i s o9 6 4 6 7 是协议轮廓测试规范和实现一致性声明。 随着计算机网络技术的不断发展，新的协议越来越复杂，协议一致性测 试工作遇到了很多困难。在这个过程中，大量形式化方法被引进到协议弱试 研究领域。1 9 9 5 年，i s o 推出了“一致性测试中的形式化方法”国际标准， 对协议一致性测试过程各个阶段使用的形式化方法进行了说明但由于协议 一致性测试本身的复杂性，使得该标准一直停留在草案阶段。 国外的很多国家还建立了一致性测试中心。例如法国的电信研究中心 c n e t 提出研制o s i 一致性测试工具的a ri o s t e 方案，在欧洲建立协调的 终端设备测试系统，测试通信网协议( x 2 5 、x ，2 1 、i s d n ) o s i 中间层i 电 子邮政、文件传递、智能用户电报等应用的高层( 表示层和应用层) 。国外的 一些仪器生产厂家也推出了一些具有测试网络接口一致性的产品，如西德西 门子公司的规程测试仪k i1 9 5 ，它具有对x 2 5 协议的一致性测试功能。 随着一致性测试国际标准的制定，一致性测试得到了较快的发展，国内 的大专院校、研究单位积极跟踪技术发展，开发相关的一致性测试软件。例 如，清华大学开发了p p p 一致性测试系统；中国科学院计算技术研究所开发 了i p v 6 协议一致性测试系统；北京邮电大学开发的t d s c d m a 终端r a m 一致性钡0 试系统：重庆邮电大学对e p a 标准进行一致性测试系统的研究与开 发工作，并起草了e p a 协议一致性测试规范。 1 5e p a 协议一致性测试内容 根据6 1 7 8 4 - 2 实时以太网应用行规，在详细分析e p a 协议的基础上，确 定了e p a 协议一致性测试的测试内容。即：服务测试、时间同步测试、确定 性调度测试、冗余恢复时间以及响应时间测试等五方面的测试。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 服务分为证实和非证实服务两种。对于非证实服务主要测试被测试协议 实现( t ) 发送报文的能力；对于证实服务，e p a 协议的服务测试是从三个 方面进行测试：测试t 发送请求报文的能力，发送正响应报文的能力，发 送负响应报文的能力。时间同步测试主要是测试被测试协议实现( n r r ) 的时 间同步精度是否达到e p a 标准的要求；确定性调度的测试是测试被测试协议 实现( i u t ) 是否能按e p a 的标准对报文进行调度，包括确定性调度精度的测 试和调度顺序的测试；冗余恢复时间的测试主要测试两个e p a 设备互为冗余 时，从主设备发生永久失效开始到备份设备起作用变成完全可操作时的时间 间隔：响应时间测试主要是测试一个e p a 设备接收服务请求的反应速度。 1 6 本章小结 本文首先介绍了实时以太网及i e c 6 1 7 8 4 2 实时以太网应用行规，分析了 e p a 标准一致性测试的重要性及主要测试内容，并对国内外一致性测试的研 究现状做了介绍。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章i e c 6 1 7 8 4 2 实时以太网应用行规介绍 第二章ie c 6 17 8 4 - 2 实时以太网应用行规介绍 以太网由于采用c s m a c d 的介质访问控制机制，具有通信不确定性的特点， 并一度成为它应用于现场总线的主要障碍。因此，仅仅通过采取一些措施，提高 以太网设备应用的可靠性和环境适应性，工业以太网仍然没有能够解决通信实时 性问题。实时以太网根据工业数据通信的要求和特点，在i s o ，正c 8 8 0 2 3 协议基 础上，通过增加一些必要的措施，使以太网具有实时通信能力。这些必要措施包 括：( 1 ) 实时性，即确定性通信；( 2 ) 现场设备之间的时间同步行为：( 3 ) 充分、 频繁的短长度数据交换。实时以太网e p a 就采取了这些必要措施。 为了满足实时以太网市场应用需求，2 0 0 3 年5 月，m c ，s c 6 5 c 成立了w g l l 工作组，制定实时以太网应用行规国际标准i e c6 1 7 8 4 - 2 测量与控制数字数据通 信一实时应用中的基于i s 0 1 e c 8 8 0 2 - 3 的通信网络行规”。此行规定义了三部分内 容： ( 1 ) 实时以太网需求的分类框架； ( 2 ) 基于i s o i e c8 8 0 2 3 、i e c 6 1 7 8 4 1 ( 或i e c 6 1 1 5 8 ) 、新的实时以太同 p a s ( p u b l i c l ya v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ) 应用行规和相关网络组件应用行规； ( 3 ) 与现有标准相关的引用参考。 2 1 性能指标制定依据 由于应用不同，实时以太网用户对性能的需求也不同。按照通信行规规定， 为了以一种最佳的方式满足用户的需求，本标准列出了不同的性能。性能指标用 来描述实时以太网通信网络和实时以太网终端节点的能力，并作为实时以太网行 规用户和根据实时以太网行规生产产品的制造商交互的桥梁。本行规中性能指标 描述了； 1 ) 实时以太网终端设备的能力。 2 ) 实时以太网通信网络的能力。 3 ) 实时以太网应用需求的能力。 4 ) 超出本行规范围外的性能指标的选择。最好说明这些指标的范围或限度。 5 ) 这些指标的相互信赖关系。 6 ) 用表列出相似的性能指标的值。每个表有一个或多个主要性能指标。这 些主要指标应预先指定值，表中其它指标应标出与主要指标的关系。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e c 6 1 7 8 4 2 实时以太网应用行规介绍 7 ) 性能指标的关系。 前三个指标主要用来描述实时以太网的能力，其中一些性能指标是相互联系 的，一些指标的值依赖另一些指标的值。本行规没有定义以太网的边界值，如果 一个符合通信行规的产品声明符合本行规，则设备提供者应给出边界值。 2 2 性能测试指标 本行规定义了实时以太网性能的9 个指标， 1 ) 递交时间 递交时间( d e l i v e r yt i m e ) 是指一个节点将一个应用协议数据单元( a p d l 0 传递 到另一个节点所需要的时间。递交时间在应用进程和应用实体应用层接口处进行 测试。应描述无传输错误和无丢失帧情况下的最大递交时间。 2 ) 终端节点个数 终端节点个数( n u m b e ro fe n dn o d e s ) 是指通信行规所支持的实时以太网终端 节点的最大个数。应指出一个通信行规所支持的实时以太网最大终端节点个数。 3 ) 基本网络拓扑 基本网络拓毒卜( b a s i cn e t w o r kt o p o l o g y ) 是指通信行规所支持的的基本网络拓 扑结构。基本网络拓扑类型有星型、环形、菊花链型。应用时可以是三种基本拓 扑的组合。基本的网络拓扑类型有：星形、环形和菊花链形。 4 ) 终端节点间交换机的个数 终端节点问交换机的个数( n u m b e ro fs w i t c h e sb e t w e e ne n dn o d e s ) 是指通信行 规所支持的终端节点间交换机的最大个数。 5 ) 网络吞吐量 网络吞吐量( t h r o u g h p u tr t e ) 是指一条链路进行数据传输时，每秒钟能够传输 的最大字节数。 6 ) 非实时通信带宽 非实时通信带宽( n o n - r t eb a n d w i d t h ) 是指一条链路上，能够用于传输非实时 信息的带宽占总的带宽的百分比。网络吞吐量和非实时通信带宽是互相联系的。 吞吐量和非实时通信带宽指标相互联系的。 7 ) 时间同步精度 时间同步精度是指任意两个节点时钟的最大偏差。 8 ) 非基于时阃的同步精度 非基于时间的同步精度是指任意两个节点的最大抖动值，抖动由周期事件触 发。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章i e c 6 1 7 8 4 - 2 实时以太网应用行规介绍 9 ) 冗余恢复时间 冗余恢复时闻指从一个设备失效开始到另一个同样功能设备正常工作开始的 最大时间。 2 3 一致性测试指导 本行规指出，一致性测试主要是测试被测设备是否符合通信行规所规定的指 标。一致性测试应保证根据同一个应用行规开发的设备应能互连互通。 一致性测试中的测试例应能重复执行，测试结果应以文档的形式进行保存， 并作为一致性声明的基础。设备的一致性测试应测试根据通信行规生产产品功能 的实用性和正确性，以及与网络和设备相关的指标值。 2 3 1 测试环境和测试例 根据不同的通信行规，应定义出不同的测试环境和测试例。测试环境应包括 以下指标： 1 ) 节点个数 2 ) 网终拓扑 3 ) 节点间交换机的个数 4 ) 实时以太网吞吐量 5 ) 非实时以太网通信带宽 对每个测试指标，测试环境和测试例文档还应写出测试目的、测试设置、测 试过程和和判断标准。 2 3 2 测试过程 测试过程描述怎样进行测试，包括执行测试指定的指标要求。 测试包括递交时间、网络吞吐量、非实时通信带宽、时间同步精度、非基于 时间的同步精度和冗余恢复时间这些测试指标。 2 3 3 测试报告 为使测试能够重复进行。测试报告应该包括足够的信息。应包括一致性测试 方法参考目录、性能指标定义的参考目录、依据6 1 7 8 4 - 2 通信行规参考、一致性 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e c 6 1 7 8 4 2 实时以太网应用行规介绍 测试环境描述( 包括网络竞争者、测试设备，执行测试的测试人员或组织、测试日 期) 、被测设备( 卷4 造商、硬件和软件舨本) 、连接到网路上的设备个数和类型、测 试案例规范的参考、测量值、符合通信规范的声明。 2 4 本章小结 本章对6 1 7 8 4 2 的内容做了详细的研究。介绍了性能指标制定的依据，并对 九个性能测试指标做了分析，最后说明了对一致性测试测试环境及测试例的要求。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章e e a 协议抽象测试集的设计 第三章e p 协议抽象测试集的设计与实现 根据i e c 9 6 4 6 中定义的一致性测试方法，测试标准包括3 部分：抽象测试集 ( a t s ) 、协议实现一致性说明( p i c s ) 和协议实施附加信息( p d t ) ，在以上3 部分的基础上生成可执行测试集( e t s ) 。其中，抽象测试集是测试的核心和主线， 一个好的抽象测试集可以极大的减轻测试系统的负担，同时，只有生成一个完全 符合协议且完善的抽象测试集才能确保协议一致性测试的准确性。因此，抽象铡 试集的设计至关重要。 3 1e p a 协议一致性测试原理 协议一致性测试实质上是利用一组测试序列，在一定的网络环境下，对被测 实现( r u t ) 进行黑盒测试，通过比较i u t 的实际输出与预期输出的异同，判定 i u t 在多大程度上与协议描述相一致，确定通过一致性测试的i u t 在互联时成功 率的高低。 i s o i e c 9 6 4 6 提供了协议一致性的基本方法和框架，为测试集制定了设计步 骤及描述方法，并对测试系统的实现提供了指导。当前的协议一致性测试基本上 是依照国际标准化组织所制定的“协议一致性测试的方法和框架”进行的。整个 的测试过程基本上可以分成三个阶段：第一阶段是将协议文本描述成一个抽象测 试集，称为“测试生成”：第二阶段是“测试实现”，将抽象测试集中的测试例 转变为可执行的测试例，此阶段最主要的任务是提供一个实际的一致性测试系统； 第三阶段是在实际的测试环境中，运行测试例与被测协议实现( i 【】t ) 进行通信， 完成“测试操作”。 一致性测试具体步骤如下： 1 ) i u t 的协议实现一致性说明( p i c s ) 分析，对i u t 进行静态一致性要求 检查，分析该p i c s 与有关标准指定的一致性要求是否一致。 2 ) 根据规范定义测试目的，使用协议实施附加信息( p i x i t ) 提供的信息和 一致性测试组合量化测试例，写出抽象测试集( a t s ) ，然后将a t s 参数 化生成可执行测试集( e t s ) 。 3 ) 使用e t s 自动对m t 进行一致性测试，形成详细的测试报告。 4 ) n j t 的最终一致性考查，将已知的p i c s 和p i x i t 分析与测试结果相综合， 获得t l r r 关于标准要求的一致性结论，记录于一致住测试报告中。 重庆邮电大学硕士论文第三章e p a 协议抽象测试集的设计 3 2 抽象测试集 测试集是进行协议一致性测试的基础，一个好的测试集对于实现一个好的测 试系统起着非常重要的作用。所谓的测试集，是指不依赖于具体的实现且不一定 是可执行的，但在具体实现时，可结合协议实现一致性说明( p i c s ) 和协议实施 附加信息( p r r ) 而成为可执行测试集。一般来说，测试集可以按结构化、层 次化的方法来组织，把他们由大到小分成测试组、测试例、测试步及测试事件， 抽象测试集形成如图3l 所示的层次结构。 在测试集中，测试组提供了对协议实现某一大类功能的测试，它提供了测试 例的逻辑顺序，可以用于辅助进行测试集的规划、开发、理解和执行。与每个测 试组相关的是测试组的目标。测试组的完整测试目标由给定测试组的目标与包含 给定测试组的高层测试组结合形成。 测试例是独立的测试单元，完成对协议某一项功能的测试。测试实例的模块 化结果是测试步。 测试例和测试步的基本单位是测试事件( 例如，到达或来自n 厂r 的单个p d u 或a s p 的传送) ，它实际上是测试序列的每一步，是测试时所采取的动作。所有 的测试步以测试事件或其他测试步的顺序排列规定。因此所有的测试步等于一个 测试事件的顺序排列。 图3 1 抽象测试集层次结构模型 测试例是测试集中较关键的组成部分。每个测试例有它的确定目标来验证 i u t 的某个确定性能。一般来说，测试例由测试前序、测试后序和测试体组成。 测试前序使i u t 达到测试所希望的稳定状态，由测试体进行测试；测试后序则使 i u t 恢复到测试前的稳定状态。 重庆邮电大学硕士论文 第三章e p a 协议抽象测试集的设计 3 3e p a 协议抽象测试集设计流程 1 ) i s o i e c9 6 4 6 - 2 提供了生成a t s 的一般步骤。参照此一般步骤，e p a 协 议抽象测试集设计过程如图3 2 所示，其具体步骤如下： 2 ) 详细分析工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范( 简称e p a 标准) 。由于e p a 标准未给出协议的静态一致性要求，也未给出p i c s ( 协 议实现一致性说明) 及协议实施附加信息( p i t ) ，故需要在深入理解 协议的基础上确定一致性测试要求，并决定必须测试的一致性测试要求 及可选测试。 3 ) 确定测试组。通过分析协议，确定五个测试组：时间同步测试组、服务 测试组、响应时间测试组、冗余恢复时间测试组和确定性调度测试组。 4 ) 确定测试组中每个元素的测试目标：在上一步的基础上，通过对文本的 - 分析，确定测试目标。 5 ) 对测试组中的每个测试意图确定测试目的：对每个测试意图都确定了 组测试目的，每个测试目的对应某个一致性要求或某一组相关的一致性 要求。并确保对被测试一致性要求有完整的覆盖。 6 ) 研究抽象测试方法，得出抽象测试测试例a t c 。根据e p a 协议的通信特 点，在e p a 协议一致性测试中，采用的是远程测试法，e p a 测试器( u 。) 与被测实现i u t 以及u t a 之问通过底层网络进行激励响应的交互。协 议测试使用在观察点p c o ( p o i n to f c o n t r o la n do b s e r v a t i o n ) 对被测实现 的层间服务原语和协议数据单元进行控制和观察的原理，派生出抽象测 试例。 7 ) 选择类形式化语言，描述抽象测试例和测试步集。 8 ) 编写索引和参考，以描述测试例之间、测试例和p i c s ( 协议实现一致性 说明) 之间、测试例和协议实施附加信息( p d t ) 之间的相互关系。 9 ) 维护抽象测试集：在进行多次测试的基础上，对抽象测试集进行验证并 对不完善的地方进行修改。 e p al 抽取i 确定 标准| _ _ 1 一致性 i i 铡试要求 确定 测试组和 测试耳的 抽象 测试例 形式化 描述 测试集 图3 2e p a 协议抽象测试集设计过程 篓恒 参考卜- 叫维护 索引l 一 重庆邮电大学硕士论文 第三章职a 协议抽象测试集的设计 3 4e p a 协议抽象测试集的形式化描述 标准的抽象测试集应使用一种严格定义的、独立于任何实现的形式化描述方 法来描述，以避免抽象测试集的二义性和难以用机器处理这二个问题。国际标准 化组织i s o 推荐了一种专门描述测试集的半形式化的描述语言树表结合表示法 ( t t c n ，t r e et a b u l a rc o m b i n en o t a t i o n ) ，用以描述独立于任何实现的通用测试 集。t t c n 具有两种格式：便于人理解的g r 格式以及便于机器存储和处理的肝 格式。即格式是需要机器识别的格式，因此它必须有形式化的语法定义。 i s 0 9 6 4 6 3 中给出了7 0 0 多条b n f ( b a e k u s - n a u r - f o r m ) 语法定义，完整地定义 了t t c n - m p 的语法。 考虑到完全用t t c n 实现起来比较繁琐，用t t c n 来描述e p a 协议的测试 集并不很理想。因此参考t t c n 的结构框架和思路，定义了一种类形式化语言来 描述e p a 的抽象钡9 试集。为了符合人们的思维习惯，且用最少的测试集对被测试 系统的功能进行最大程度的覆盖，在对e p a 测试集的设计过程中采用了基于目的 的测试集设计方法，即根据e p a 协议标准，提供覆盖协议标准全部行为的测试目 的，按照测试目的设计出适合人理解的图表格式的测试集。所有的测试例采用同 一种形式语言描述。抽象测试集( a t s ) 的结构是树状的，分为以下4 个层次： e p a 抽象测试集，测试组，测试例，测试步骤，其结构如图3 3 所示。 e p a , 抽蠢挺试集 1 ii，i 冗余恢复时间测试 问同步铡试组厦务测试组 响应时间翱试组确定性调度铡试组 组 jijjj 时同变量 设鲁 畸应 冗余 同步 读廒 - 声明 时问 恢复 确定 舅试务舅 腓务 澍试 时间 性调 测试 测试 度测 倒试倒倒 试倒 倒 倒 厂弋7 t丁丁 测试步疆1测试步疆1捌试步骤1 舅试步耳1蔫试步曩1 舅试步骤1 捌试步骤n测试步骤n嗣试步事h 舅试步骤n测试步骤n捌试步骤n 图3 3e p a 抽象测试集结构图 e p a 协议抽象测试集包括五个测试组：时问同步测试组、服务测试组、响应 重庆邮电大学硕士论文第三章e p a 协议抽象测试集的设计 时间测试组、冗余恢复时间测试组和确定性调度测试组。服务测试组有设备声明 服务测试例等十四个测试例：时间同步测试组测试时间同步精度，确定性调度测 试组测试确定性调度偏差和确定性调度规程。冗余恢复时间测试组主要测试两个 e p a 设备互为冗余时，从主设备发生永久失效开始到备份设备起作用变成完全可 操作时的时间间隔；响应时间测试组主要测试一个e p a 设备接收服务请求的反应 速度。 3 5e p a 协议抽象测试集的实现 e p a 一致性测试抽象测试集包括五个测试组。以服务测试为例说明e p a 协议 抽象测试集的实现过程。服务分为证实服务和非证实服务两种。对非证实服务来 说，测试时是由e p a 测试器发送控制命令给u t a ，由e t a 调用相应的接口发送服 务给e p a 测试器，e p a 测试器收到报文后对照标准比较判断是否符合标准定义的 要求：对于证实服务来说，则需要从三个方面进行测试，测试i l r r 发送请求报文 的能力，测试肼返回正响应的能力和测试i u t 返回负响应的能力。从这三个方 面考虑分别设计各自的测试例，测试i u 呵返回负响应的能力时必须考虑到所有能 够触发负响应的错误陷阱，设计出所有的测试例，进行服务测试时，从请求服务、 正响应服务、负响应服务三个方面进行测试。服务测试例的实现过程如图3 4 所 示。 服 务 铡 试 例 请求服务铡试步骤 正响应测试步骤 负响应测试步骤 3 6 抽象测试集示例 e p 测试器发送控制命令指示n r r 发送 相应的请求服务e p a 测试器收到请 求服务报文后按照e p a 标准进行分析 e p a 铡试器发送相应的请求履务激励 i u t 发送正响应报文e p a 铡试器接收 到该报文后按照e p a 标准进行分析 e p a 测试器发送相应的请求服务激励 i u t 发送负响应报文e p a 测试器接收 到该报文后按照e p k 标准进行分析 图3 4 服务测试例实现图 变量读服务是e p a 应用服务里一个很典型的服务，是一个证实服务，测试时 应当从请求报文测试、正响应报文测试、负响应报文测试三个方面进行测试。对 变量读服务负响应报文的测试，应测试出所有的负响应错误陷阱引发的负响应是 重庆邮电大学硕士论文第三章e p a 协议抽象测试集的设计 否与e p a 标准一致，这里列举了两种典型的错误陷阱触发的负响应的测试来描述 变量读服务负响应的测试过程。 请求报文测试 测试过程：e p a 测试器向月发送控制命令报文，指示i u t 发送变量读服务 报文，在最大响应时间内，e p a 测试器接收到i l r r 发送的请求报文，对该报文进 行分析，得出测试结果，若没有收到应发送的请求报文，退出本次测试，显示超 时信息。 测试步骤： 1 ) t r a n s m i tr e a d r e qc o m m a n d e p a 测试器向u t a 发送控制命令，让其指示i l j 呵发送设备读请求报文 2 ) w a i t ( t i m e _ d e l a y ) e p a 测试器等待时间延迟 i f ( w i t h o u t r e c e i v i n g m e s s a g e ) t h e n “d i c o n c u j s i v i 巳 q u i t e l 豫 n e x ts t e p 3 ) r e c e i v e ( r e a d r e qp d u