CN101009602A

CN101009602A - 基于物理层和应用层的多功能网络测试仪

Info

Publication number: CN101009602A
Application number: CN 200610001874
Authority: CN
Inventors: 刘天华; 朱宏峰; 柳敬献; 常桂然; 田红刚
Original assignee: Northeastern University China; Shenyang Normal University
Current assignee: Northeastern University China; Shenyang Normal University
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-01

Abstract

一种基于物理层和应用层的多功能网络测试仪，用于对连接网络的物理层电气链路和基于设备连接的应用层逻辑链路通断状态进行测试。它由主端测显、测试远端硬件以及为应用层链路测试专门开发的嵌入式系统构成。主端测显发出频率可调的电信号至双绞网线，并被网线另一端的测试远端返回，主端测显根据返回的电信号，显示物理层链路的通断状态；使用主端测显可向网络中已知IP的主机发出PING，根据返回的信息测试逻辑层ICMP协议的通断；或使用主端测显访问网络中固定的WEB，或由网络主机访问主端测显WEB，根据访问成功与否判断两节点间逻辑层基于TCP协议的HTTP通断。本发明可以在包括应用层在内的多层内测试网络介质、网络链路和网络协议、网络应用的链接情况，从而满足网络应用连通性的需求。

Description

基于物理层和应用层的多功能网络测试仪

技术领域

本发明涉及一种基于物理层和应用层的多功能网络测试仪，其用于网络系统建设阶段网络链路的测试。

技术背景

网络测试仪在网络硬件建设过程中起着相当重要的作用，目前市场上的网络硬件测试仪器主要可以划分为低档和高档两个层次，低档仪器仅具有测试网线通断的功能，高档仪器不仅可以测试线路的通断、线缆的距离、衰减、串扰参数，而且还可以进行协议分析，它工作在物理层和应用层，具有强大的功能。

随着用户网络系统规模的扩大、网络构建复杂性的提高和交换机技术的发展，在网络工程的实际实施以及网络维护的过程中，不仅要测试单根网线的好坏，还需要测试在路由和VLAN环境下两个网络节点之间的协议连通性，实际上后者比前者测试更可靠、更有效，因此简单的网线测试仪已经不能满足需要。

而目前，可用于网络第三层(网络层)通断测试的手段主要有两种：一种是使用笔记本电脑检测网络层的通断情况。但是，由于笔记本电脑本身不是专用的测试设备，所以，在条件恶劣的工程环境中极易出现故障，且笔记本电脑价格昂贵，重量过重(一般大于2Kg)，因此，使用非常不方便。第二种测试手段是使用基于专用芯片(ASIC)的多功能测试设备。该测试设备虽然可以提供相应的功能，但是价格非常高昂(＞50,000元)，因此，也不适应宽带网络运营的需要。

2003年6月18日公开的中国专利CN2556861Y公开了一种可以检测单根网线通断，并可以检测网络第三层通断情况的便携式网络测试仪，其包括一个核心部件：嵌入式处理器平台，该平台由微处理器、存储有可实现网络层通断检测功能和网线通断测试功能软件的第一存储器和提供软件动态运行空间的第二存储器构成。然而，该测试仪仅仅局限于物理层和网络层的检测功能，由于现在网络环境的复杂性，尤其是网络中多层交换机、路由交换机或防火墙的使用，各子网需要按照要求控制其间的功能通信，因此，该测试仪无法完成对于更高层的应用层的检测能力。本发明可以在包括应用层在内的多层内测试网络介质、网络链路和网络协议、网络应用的链接情况，从而满足网络应用连通性的需求。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种不仅能够进行网线通断测试，并且可以进行应用层测试的多功能网络测试仪，本发明采用了全新的方式来实现物理层和应用层的测试产品。

本发明公开一种基于物理层和应用层的多功能网络测试仪，用于对连接网络的物理层电气链路和基于设备连接的应用层逻辑链路通断状态进行测试，由主端测显部分、测试远端部分以及为应用层逻辑链路测试开发的嵌入式系统构成，其特征在于：主端测显部分发出频率可调的电信号至双绞网线，并被网线另一端的测试远端返回，主端测显根据返回的电信号，显示物理层链路的通断状态；主端测显部分向网络中已知IP的主机发出PING命令，根据返回的信息测试逻辑层ICMP协议的通断；主端测显访问网络中固定的Web，或由网络主机访问主端测显Web，根据访问成功与否判断两者间逻辑层基于TCP协议的HTTP通断。

所述的多功能网络测试仪进一步包括可调超低频脉冲发生器、扫描发生器，可调超低频脉冲发生器按照预先设置的频率发出脉冲给扫描发生器部分，主端测显部分根据扫描发生器提供的脉冲信号频率对连接于主端测显和测试远端间的双绞线各内芯进行扫描，由返回的状态来判断链路的通断。

所述嵌入式系统以TCP/IP协议为基础，进一步支持ARP地址解析协议、IP网际互连协议、RARP、DHCP、TELNET、TCP传输控制协议和Web服务的测试。

所述的多功能网络测试仪进一步包括模式开关，其用于进行物理逻辑链路测试和应用层逻辑链路测试的转换。

附图简述

图1是本发明多功能网络测试仪的系统硬件结构图。

图2是本发明测线部分构成组成框图。

图3是本发明可调超低频脉冲发生器构成组成框图。

图4是本发明扫描发生器结构组成框图。

图5是本发明主端测显部分结构框图。

图6是本发明测试远端的逻辑功能框图。

图7是本发明多功能网络测试仪的软件构成逻辑框图。

具体实施方式

1.装置总体结构原理

多功能网络测试仪包括物理层硬件测线部分和应用层逻辑测线部分。硬件测线部分完成双绞线物理电路通断的测试、并为逻辑链路的测试提供硬件支持；应用层逻辑测线部分主要由软件完成。该装置以单片机为核心，结合电路芯片和网卡芯片，属于嵌入式系统，能满足普通网线测试的需要，还具有网络应用的功能。其硬件原理如图1所示。

系统的核心使用8051单片机芯片承担，编制的软件和一些状态信息放置在EEPROM中，系统上电时程序从EEPROM中读入，在RAM中运行。RJ45是装置与网线的物理和电气接口，RJ45和单片机之间使用RTL8019AS作为网络接口卡芯片，该芯片是一种10M ISA网卡芯片，移植性好，接口简单，带宽充裕(针对51单片机)；有3种配置模式：跳线方式、即插即用(Plug and Play)方式、串行Flash配置方式(这里选择了跳线方式)；端口I/O基地址：240H-25FH；它的封装是100pinPQFP，内部集成了在片RAM(16KB)，并且提供8位和16位两种接口。通过硬件电路的运行来测试物理电路的通断，或在开发的软件控制下，几部分相结合通过对网络数据的处理来判断逻辑链路的通断。通断的状态在显示部分显示。

2.网线物理链路测试模块

网线物理链路测试模块包括可调超低频脉冲发生器、扫描发生器部分、主端测显部分、测试远端部分，如图2所示。可调超低频脉冲发生器按照预先设置的频率发出脉冲给扫描发生器部分，主端测显部分根据扫描发生器提供的脉冲信号频率对连接于主端测显和测试远端间的双绞线各内芯进行扫描，由返回的状态来判断链路的通断。

(1)可调超低频脉冲发生器由频率调节开关、频率范围限制电路、宽范围反馈式频率震荡电路、振荡频率整形电路、隔离缓冲放大电路、输出电路等电路部分构成(如图3)。

电路工作时按照频率调节开关的设定状态通过频率调节电路生成频率调节信号，经过频率范围限制电路的处理，使生成的频率调节信号更加规范。该规范的频率调节信号接入到宽范围反馈式频率震荡电路，震荡电路受到规范的频率调节信号的作用后，输出不规则的脉冲信号，此不规则的脉冲信号再送至振荡频率整形电路，经过振荡频率整形电路后的标准矩形波信号送入隔离缓冲放大电路，使得信号强度增加以及负载对可调超低频脉冲发生器的影响减至最小，最后由输出电路输出并与后级接口。

(2)扫描发生器部分由输入及显示电路、十进制计数器、译码器、功率输出电路等构成，如图4所示。

把主端测显部分接入已做好RJ45接头的双绞线一端，远端测显部分接入双绞线另一端。扫描发生器部分根据可调超低频脉冲发生器产生的脉冲计数，产生十路特定的逻辑电平输出至主端测显部分，通过十进制计数器、译码器和功率输出电路，再经被测双绞线连接到测试远端部分。因连接的双绞线线序、通断、短接、通路电阻等情况直接影响到特定的逻辑电平是否返回正常，主端显示和远端显示部分的状态灯用于指示双绞线内部各芯、各芯与RJ45连接的通断状态，从而获得双绞线制作质量的信息。本部分能够简便且有效率的检测双绞线电气连接性能。

(3)主端测显部分由逻辑检测、检测显示、检测输出/入部分组成，如图5所示。

由扫描电路部分的功率输出电路输出的电平信号经过检测输出/入部分，经过具有显示和逻辑功能的检测显示部分，到达逻辑检测电路。逻辑检测电路通过二极管逻辑推理后，再反馈至双重功能的检测显示部分，并经过限流防损功能的检测输出/入部分的RJ45接口输出，与此同时如果主端测显部分和测试远端间连接有双绞线，则主端测显部分和测试远端的多个发光二极管会显示出该双绞线内部各芯的通断状态。

(4)测试远端由逻辑检测、检测显示、检测输出/入部分组成，如图6所示。

和主端测显部分的原理相似，测试远端收到通过双绞线由主端测显部分通过双绞线和RJ45接口传来的信号后，通过检测输出/入部分，经过具有显示和逻辑功能的检测显示部分，到达逻辑检测电路。逻辑检测电路通过二极管逻辑推理后，再反馈至双重功能的检测显示部分，并经过限流防损功能的检测输出/入部分的RJ45接口输出，与此同时如果主端测显部分和测试远端间连接有双绞线，则主端测显部分和测试远端的多个发光二极管会显示出该双绞线内部各芯的通断状态。

3.应用层逻辑链路测试软件实现

测试仪包含Ping命令和Web功能，因此运行在应用层。该嵌入式系统以TCP/IP协议为基础，将支持ARP地址解析协议，IP网际互联协议，ICMP网络控制报文协议，TCP传输控制协议和Web服务。TCP/IP分为四层，自下而上依次为物理层、互连层、传输层和应用层，图7给出了各层的关系。

(1)物理层：负责把来自主端测显部分RJ45接头的网络电信号变成比特数据供软件处理；同时还负责把来自主端测显上层的数据变成电信号发送到通过RJ45接头连接的双绞线上。

(2)互连层：它把从物理层获得的数据按照标准的TCP/IP的规范，通过软件编程构成数据包，并送至传输层处理；并从传输层接收数据，变成字节后交于物理层传输。该层负责数据包的分片与重组，以及传输过程中的路由选择等，软件支持的主要协议有ICMP、ARP和IP协议。ICMP与应用层的PING配合来实现网络测试的作用，ARP则负责把IP逻辑地址解析成物理MAC地址，IP则是该层的主要协议，完成数据包与帧的封装与解封作用。

(3)传输层：本装置支持TCP协议，TCP是可靠的连接协议，包括HTTP在内的多数应用基于此协议。

(4)应用层：本装置包括目前常用的HTTP协议和PING协议，用以测试网络的逻辑连接特性。

测试过程例：

直接测试一条带有RJ45接头的双绞线的通断，使用该装置的物理通断测试功能；在网络环境下，测试连接于该网络环境设备上的两条双绞线的RJ45接头终端间的逻辑链路通断状态。

(1)测试双绞线的物理通断状态

把双绞线两端分别接到主端测显部分和测试远端的RJ45插孔上，打开主端测显部分的电源，模式开关置于物理电路测试状态，则主端测显和测试远端上的状态灯按照一定顺序开始显示以表明双绞线各芯的通断，灯亮为通，灭为不通。状态灯顺序扫描显示的速度(各芯测试的速度)可通过调整速度开关获得。

(2)测试应用层逻辑电路的通断状态

通过对CPU和网络芯片的编程，使该测试仪具备了TCP/IP网络层协议的支持能力。不仅主端测显部分的逻辑IP地址可以设置，而且还开发并扩展了应用层的能力。为保证应用层测试的实现，在软件层次上该测试仪支持ARP、RARP、DHCP、HTTP、TELNET等功能性协议。

①ICMP逻辑测试：在测试仪中内置了ICMP协议，支持Ping的逻辑链路连通性检测。把主端测显部分连接到欲测试的网络RJ45接头上，打开电源，使用按钮设置好主端测显的IP地址，输入网络中要测试的固定主机的IP地址，选择ping测试功能，于是主端测显按照ICMP协议的要求构造一个三层数据包，在数据包中源IP地址为主端测显部分的IP，包中目标IP地址为欲测试的对方固定IP地址。当对方收到ICMP数据包后，按照原路径产生返回的数据包，主端测显收到返回包后，在液晶上显示数据包从发出到返回的时间结果信息，表明从主端测显到固定主机间的ICMP逻辑连通状态；如果主端测显在1秒内没有收到返回的数据包，则认为该包丢失，显示超时信息，表明链路不通。在从三层数据包形成二层数据帧时，帧中源MAC地址为主端测显网卡的MAC地址，目标MAC地址依据网络的具体情况而定，如果主端测显和目标主机在一个子网内，则为目标地址的MAC，否则为网关的MAC地址。

②WEB应用功能测试：主端测显中内置了HTTP功能协议，用以支持WEB功能。在主端测显上输入网络中WEB主机的IP地址，选择WEB测试功能，主端测显模拟WEB浏览器，向WEB服务器发出一个请求主页的数据包，包中WEB服务器在收到信息后，按照数据包来源路线向源地址返回主页信息。当主端测显收到主页信息包时，说明WEB应用链路可用，于是显示”WEB ACCESSOK”信息。如果在10秒内未收到任何主页信息包，则显示“WEB ACCESS FAIL”信息。另外，在主端测显中还内置了WEB服务器的功能，在网络中任意固定主机上使用浏览器，输入主端测显的IP地址来访问其WEB服务，当主端测显收到使用HTTP协议进行WEB访问的请求时，会把在主端测显中的主页(通常是制造商的标志信息)按照HTTP协议和WEB网页的方式送出，在固定主机上就可看到来自主端测显的主页，说明WEB链路的连通性；如果在固定主机上没有显示主页信息，说明WEB应用链路有问题。

③广泛性应用层功能测试：为实现更为广泛的应用层功能测试，在测试仪中内置了代表各功能协议的端口连通性测试。在主端测显中输入目标IP地址，选择应用层功能测试，然后输入欲测试功能所对应的端口值(功能端口值可参考TCP/IP协议端口定义)并确定，主端测显构建网络连接数据包，用输入的端口值填充信息的端口域，然后该信息被送出。当目标主机收到该信息后，如果该端口对应的功能有效，则会返回一定的信息，否则会忽略该数据包。如果中间的多层网络设备屏蔽了该网络应用，则发送的信息和返回的信息会被该设备的策略阻挡，主端测显也就不能收到返回的信息。主端测显则通过检测是否有返回的合法信息来确定指定功能的连通性。

多功能网络测试仪从目前市场的角度提出，可以填补中档网络测试仪器的市场。

另外，作为一个带网络接口、指出WEB应用的嵌入式系统具有较好的推广价值，并可以应用到工业的各个领域。

在不脱离本发明实质和范围的情况下，本发明的各种修改和变换对本技术领域的普通技术人员是显而易见的。所以本发明覆盖了落入所附权利要求及其等同物范围之内的对本发明作出的修改和变化。

Claims

1、一种基于物理层和应用层的多功能网络测试仪，用于对连接网络的物理层电气链路和基于设备连接的应用层逻辑链路通断状态进行测试，由主端测显部分、测试远端部分以及为应用层逻辑链路测试开发的嵌入式系统构成，其特征在于：

主端测显部分发出频率可调的电信号至双绞网线，并被网线另一端的测试远端返回，主端测显根据返回的电信号，显示物理层链路的通断状态；

主端测显部分向网络中已知IP的主机发出PING命令，根据返回的信息测试逻辑层ICMP协议的通断；

主端测显访问网络中固定的Web，或由网络主机访问主端测显Web，根据访问成功与否判断两者间逻辑层基于TCP协议的HTTP通断。

2、根据权利要求1所述的多功能网络测试仪，其特征在于进一步包括可调超低频脉冲发生器、扫描发生器，可调超低频脉冲发生器按照预先设置的频率发出脉冲给扫描发生器部分，主端测显部分根据扫描发生器提供的脉冲信号频率对连接于主端测显和测试远端间的双绞线各内芯进行扫描，由返回的状态来判断链路的通断。

3、根据权利要求1所述的多功能网络测试仪，其特征在于所述嵌入式系统以TCP/IP协议为基础，进一步支持ARP地址解析协议、IP网际互连协议、RARP、DHCP、TELNET、TCP传输控制协议和Web服务的测试。

4、根据权利要求1所述的多功能网络测试仪，其特征在于进一步包括模式开关，其用于进行物理逻辑链路测试和应用层逻辑链路测试的转换。