CN103064788A - 一种基于接口语义契约模型的Web服务建模与测试方法 - Google Patents

Abstract

一种基于接口语义契约模型的Web服务建模与测试方法，涉及软件测试建模与测试用例自动生成领域，所述方法适用于Web服务测试，可以扩展现有服务接口描述能力、用于生成测试数据和测试用例，通过知识描述和推理技术，提高测试生成的自动化和智能化程度。方法包括三个方面：建立（1）建立服务接口语义契约模型，以扩展现有服务接口描述能力；（2）基于接口数据本体描述，生成测试输入数据，并生成测试用例。

Description

一种基于接口语义契约模型的Web服务建模与测试方法

技术领域：

本发明涉及计算机软件领域，特别涉及基于模型的测试自动化领域。

背景技术：

随着软件服务化的发展，越来越多的软件提供商将软件以服务接口的形式通过互联网向外提供功能，软件开发方式从传统的程序设计转变为利用互联网上可用的服务进行组合。Web服务（Web Service）是实现面向服务计算的主要技术，提供了一套基于标准的服务发布、发现和组合机制以及整合分布式服务组件的开放平台。

Web服务在提供灵活多变的应用架构的同时,也对测试提出了更高要求.首先，服务需要快速、灵活地在线升级演化，服务更迭频繁，因此，快速、有效、持续在线的回归测试成为测试的一个难点。其次，服务的应用场景多样，输入数据不可预测，因此需要大量测试用例提高测试充分性。传统的手工测试资源耗费大且测试充分性难以保证，自动化测试成为服务测试的一个必然发展趋势。Web服务接口信息均遵照基于XML的标准规范进行描述，可以通过工具自动分析其相关文档获取数据结构、接口操作及其语义等必要的测试信息，使服务自动理解、测试自动生成、以及基于Web服务标准的测试自动执行成为可能。通过测试自动化，可有效增强测试用例、测试脚本等测试资产的可重用性，提高测试效率和服务质量，降低测试代价。

在基于服务的软件中，服务接口——如Web服务的WSDL(Web ServiceDefinition Language)——为用户提供标准的软件功能以及参数、返回值等信息的描述，可将其视为设计服务测试的功能需求，是服务提供和服务使用之间互操作的基础，构建了开放的互联网环境中，服务提供商和用户之间的一种基于契约的合作模式，双方对契约理解的一致性是服务能够正确使用的基础。然而，服务提供时通常有适合的应用范围和场景，例如参数的取值范围、操作的调用顺序等；服务使用也建立在对服务的某些隐含假设之上。现有的服务接口规约的描述能力非常有限，缺少足够的信息, 尤其是服务操作和集成的语义信息，无法准确表达这些隐含的约束限制条件，常常造成双方对服务理解的不一致，从而导致运行错误。

针对上述问题，本发明出了一种基于模型的Web服务测试自动化方法，主要由三部分组成：（1）建立服务接口语义契约模型，以扩展现有服务接口描述能力；（2）基于接口数据本体描述生成分区测试数据，为测试用例设计提供输入；（3）基于规则的测试断言生成，为测试用例设计提供预期输出结果。

接口语义契约从以下两个方面扩展服务接口描述：

1. 基于契约设计的思想，建立接口的契约模型。契约模型规定了服务之间的数据依赖关系和控制依赖关系，为服务调用以及服务之间的协同合作提供了所需的场景信息，并定义了在相应场景下的预期结果。

2. 引入基于语义的知识表达技术，定义通用的领域概念模型。本体模型定义了数据类型、数据之间关系、数据的约束限制条件等领域知识。

基于本体的数据生成采用分区测试方法。分区测试是一种广泛应用的测试数据设计方法，其基本思想是将输入数据和环境变量等服务参数划分为多个子域，这样的子域被称作数据分区。根据不同的覆盖率要求，应用不同的策略从这些分区中选择测试数据进行测试。分区测试的有效性很大程度上取决于分区设计算法、分区及其数据是否能够有效发现缺陷，满足覆盖率的要求。传统方法中，分区往往根据测试人员的直觉和经验手动生成，自动生成技术也只能局限于语法信息，例如基于对某特定编程语言中数据类型的分析。本发明的方法中，引入服务的语义信息，通过语义分析，识别数据之间的关系，提高所生成数据分区的有效性。

本发明所提出的测试方法，对实现Web服务的测试自动化，进而提高服务质量、建立用户信任具有重要意义。

发明内容

本发明采用基于模型的软件测试自动化技术，给出一种接口语义契约模型和基于本体知识描述的测试数据生成方法。方法针对目前广泛应用的Web服务测试问题，要求目标系统满足一下条件：（1）被测软件具有明确的服务接口定义；（2）被测软件可获取通用的领域知识，如数据类型及关系的定义等；（2）被测软件可获取其特定服务应用的知识，如数据和操作的约束依赖关系等。

本发明所提出的方法，是在网络络环境下，针对已经发布的Web服务软件S，依次按照以下步骤进行建模与测试：

步骤（1） Web服务平台初始化

输入：Web服务的类型、名称、描述、参数、参数类型和参数描述；

Web服务所需要的接口操作集合以及每个接口所需要的输入参数和输出参数；

Web服务的领域概念以及各种约束依赖关系。

步骤（2） 按以下步骤建立接口语义契约模型：

步骤（2.1）建立接口数据的语义描述，即建立接口语义契约用的数据模型：

Data:=<T,R>，其中：

T={T_i}，为数据类集合，i=1,2,..,i,..I，I为数据类的数目，其中，分为基本数据类型和领域集合类型：

基本数据类型包括：简单数据类型以及由简单数据构成的复杂数据类型；

领域数据类型包括：领域内的基本数据及其相互关系；

R=T×T，为数据类型之间的关系集合，包括：

继承关系Sub(T₁,T₂)，子类数据 T₁继承父类数据T₂所有的属性并可扩展；

等价关系Eq(T₁,T₂)，表示子类数据T₁和父类数据T₂相同，有互换性；

互斥关系Dj(T₁,T₂)，表示数据T₁和数据T₂没有交集；

根据属性，数据分为：

数值型数据，至少包括：有效数据集合、最大值和最小值；

字符串型数据，至少包括：字符串有效长度、最大长度、最小长度和有效排列模式；

复杂数据类型，包括其所包含的数据元素及相互关系。

步骤（2.2）数据约束模型，包括：

基数约束，表述被约束对象的取值数量的限制；

值域约束：表示被约束对象的取值范围的限制；

用语义规则描述的多个数据以及多个属性之间的约束关系，包括：同一数据不同属性之间的约束关系和不同数据的属性之间的约束关系。

步骤（2.3）构建接口契约中的本体数据模型：

服务输入，服务在运行中从外界获取的数据；

服务输出，服务运行后应产生的输出数据以及异常信息；

服务之间的依赖关系，包括控制依赖关系和数据依赖关系，其中：

控制依赖关系，指执行顺序的各种约束条件，顺序约束包括：

在先执行，Before(S₁,S₂)，服务S₁领先服务S₂执行；

在后执行，After(S₁,S₂)，服务S₁滞后服务S₂执行；

并行执行，Parallel(S₁,S₂)，服务S₁和服务S₂并行执行；

数据依赖关系，表述数据在顺序执行中的依赖关系，包括：输入依据，输出依据，以及输入-输出依赖，其中：

输入依赖关系表示为：

若：d₁∈S₁.Input且d₂∈S₂.Input，

则：IIDep(S₁,S₂)，其中：

d₁、d₂分别表述输入、输出数据；

S₁Input、S₂Input分别表示服务S₁的输入数据集合和服务S₂的输入数据集合；

IIDep(S₁,S₂)表示服务S₁和服务S₂存在输入依赖关系，服务S₂的输入参数由服务S₁的输入参数决定。

输出依赖关系表示为：

若：d₁∈S₁.Output且d₂∈S₂.Output，

则：OODep(S₁,S₂)，其中：

S₁.Output、S₂.Output分别表示服务S₁的输出参数集合和服务S₂的输出参数集合；

OODep(S₁,S₂)表述服务S₁和服务S₂存在输出依赖关系，服务S₂的输出参数由服务S₁的输出参数决定。

输入-输出依赖表示为：

若：d₁∈S₁.Output且d₂∈S₂.Input，

则：IODep(S₁,S₂)，表示：服务S₂的输入参数由服务S₁的输出参数决定。

步骤（3） 根据步骤（2.2）得到的数据约束模型和步骤（2.3）得到的本体数据模型，按一下步骤生成测试用例：

步骤（3.1）定义测试数据类的合法性和非法性：

合法测试数据类是指符合服务需求的测试输入，服务应产生正确的执行结果；

非法测试数据类是指不符合服务需求测试输入，服务应能安全地处理各种不合理的输入。

步骤（3.2）根据步骤（3.1）中规定的数据类型的分类标准对各个数据类分区，并建立对应的合法测试数据分区和非法测试数据分区。

步骤（3.3）对步骤（3.2）中的各合法测试数据类，根据其中的子类数据在所述数据依赖关系中的地位建立对应的合法测试数据子分区，再根据各子类数据之间的数据依赖关系定义对应的合法测试数据子分区之间的关系：

若：子类数据之间为等价关系，则：相应的合法测试数据子分区之间也相互等价；

若：子类数据之间为互斥关系，则：相应的合法测试数据子分区之间也相互排斥；

若：子类数据由其他子类数据通过交集、并集或补集运算得到，则：相对应的合法测试数据子分区也要通过相应的合法测试数据子分区经过相同运算得到；

最后，根据所述数据属性类型的取值方式，定义合法测试数据分区中的子分区。

步骤（3.4）对步骤（3.2）中的各非法测试数据分区，根据属性约束条件，定义对应的测试子分区。

步骤（3.5）在步骤（3.3）和步骤（3.4）的每一个数据分区内，根据其数据依赖关系，采用随机生成的方法，生成数据类型的实例，得到每一个类对应的实例集合，每一个实例包括：服务名称、分区序号、分区名称以及分区含义。

步骤（3.6）按以下步骤合成测试数据用例集：

步骤（3.6.1）根据服务所提出的测试目标，确认所设计的各个输入数据I_i∈S.Input所选取的子分区P_p，I_i为与所述测试目标有关的序号为i的输入数据，i=1,2,..,i,..I，I为与所述测试目标有关的所有测试数据的数量，P_p为I_i所选取的序号为p的子分区，p=1,2,..,p,..P，P为子分区总数。

步骤（3.6.2）根据子类数据之间的约束关系，定义选择测试用例时的目标函数。

步骤（3.6.3）搜索所述测试用例输入数据I_i的取值，用I_i.P_p.d_y表示，y为输入数据值的序号，y=1,2,..,y,..Y，Y为输入数据值y的个数，直至所选测试用例的输入数据满足目标函数要求，或是达到限定的最高重复次数，搜索结果得到一个测试用例I_i.P_p.d_y，

步骤（3.6.4）重复步骤（3.6.3），得到一组测试用例，构成一个测试用例集合。

本发明中提出的建模方法借鉴语义Web服务和契约设计的思想，增强了Web服务的描述能力，可有效保证对服务的数据、功能、应用等领域知识理解的正确性。提出的基于本体的测试分区数据生成方法，可从测试覆盖率和故障检测能力两个方面大幅度提升测试效率。

附图说明

图1示出本发明方法的主要结构和步骤；

图2示出本发明方法中测试数据生成的主要结构和步骤；

图3示出本发明方法中的主要步骤。

图4示出一个Web服务的数据本体定义实例。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要根据Web服务的服务规约及领域知识，构建服务接口语义契约模型，基于知识表达和知识推理技术，生成测试数据和测试断言，提高测试用例生成的自动化程度和智能化程度。所述方法采取以下步骤进行：

步骤（1）网络服务初始化

“服务”定义为一种部署在Internet上的提供特定计算能力的应用软件，只发布可以通过标准的Internet协议访问并调用的接口定义，而隐藏了技术实现。“服务”之间松散耦合，广泛接受的标准提供了在各个不同“服务”之间的交互性。

Web服务是实现面向服务计算的主要技术,提供了一套基于标准的服务发布、发现和组合机制以及整合分布式服务组件的开放平台。基于XML描述语言，Web服务定义了一组服务描述、建模、通信的规约，例如WSDL是W3C发布的对服务的基本描述协议，描述了服务的接口操作、消息数据、服务端口及访问协议等信息，将操作和消息抽象描述和具体的网络协议和消息格式绑定，并最终定义具体部署的服务端口。

在此步骤中，可建立服务的标准协议描述，并获取必要的服务操作的领域知识。例如，下表中给出了一个典型的Web服务描述案例。

表1. Web服务案例

步骤（2）构建接口语义契约模型

本发名从以下两个方面扩展基本的Web服务接口描述:

1. 基于契约设计的思想，建立接口的契约模型。采用基于谓词逻辑表达的规则语言，描述服务的数据及流程的约束限制条件。契约模型定义了原子服务的功能以及输入、输出参数，规定了服务之间的数据依赖关系和控制依赖关系，为服务调用以及服务之间的协同合作提供了所需的场景信息，并定义了在相应场景下的预期结果。

2. 引入基于语义的知识表达技术，定义通用的领域概念模型，描述操作的输入/输出参数、与服务运行相关的环境变量、以及系统状态参数等基本数据信息。本体模型定义了数据类型、数据之间关系、数据的约束限制条件等领域知识。约束条件分为两类: 针对单独数据属性定义的简单约束条件,包括基数约束和值域约束；以及针对多数据多属性之间关系的复杂约束条件，采用基于语义的规则描述。

例如，针对上述实例中的Web服务，图4显示了HotelInfo的本体定义。表2和表3中分别给出了数据约束案例，包括基数越是和取值约束。

表2. 数据基数约束案例

表3. 数据取值约束案例

步骤（3）生成测试用例

步骤（3.1）定义测试数据类的合法性和非法性。例如，在本例中，合法输入数据包括合法的宾馆信息，非法输入包括宾馆名称为空字符串、房间数量超出预定范围等。

步骤（3.2）根据步骤（3.1）中规定的数据类型的分类标准对各个数据类分区，并建立对应的合法测试数据分区和非法测试数据分区，例如，针对上述实例中的Web服务，表3显示了生成的测试数据分区案例。

表3. 测试数据分区案例

步骤（3.3）对步骤（3.2）中的各合法测试数据类，根据其中的子类数据在所述数据依赖关系中的地位建立对应的合法测试数据子分区，再根据各子类数据之间的数据依赖关系定义对应的合法测试数据子分区之间的关系：

若：子类数据之间为等价关系，则：相应的合法测试数据子分区之间也相互等价，

若：子类数据之间为互斥关系，则：相应的合法测试数据子分区之间也相互排斥，

若：子类数据由其他子类数据通过交集、并集或补集运算得到，则：相对应的合法测试数据子分区也要通过相应的合法测试数据子分区经过相同运算得到。

最后，根据所述数据属性类型的取值方式，定义合法测试数据分区中的子分区,

步骤（3.4）对步骤（3.2）中的各非法测试数据分区，根据属性约束条件，定义对应的测试子分区。

步骤（3.5）在步骤（3.3）和步骤（3.4）的每一个数据分区内，根据其数据依赖关系，采用随机生成的方法，生成数据类型的实例，得到每一个类对应的实例集合，每一个实例包括：服务名称、分区序号、分区名称以及分区含义。

步骤（3.6）合成测试数据用例集。

例如，在上述Web服务的实例中，可采用模拟退火搜索算法来生成测试数据，主要过程如下：

步骤（3.6.1）定义测试目标，根据测试目标，确认各个输入数据所选取的分区。例如，测试目标为鲁棒性测试，则对每个输入数据I_i∈S.Input，选取一个代表其异常输入的分区

。

步骤（3.6.2）定义目标函数。例如采用Tracey方法，根据数据之间的约束关系，定义选择测试用例的目标函数。

步骤（3.6.3）搜索输入数据的取值

。直至所选测试数据的目标函数为值0或达到限定的最高重复次数。搜索结果即得到测试用例。

步骤（3.6.4）重复（3.6.3）过程，即可获得一组测试用例。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。相关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

本发明具有如下优点：

1)增强了Web服务的描述能力，以保证对服务的数据、功能、应用等领域知识的正确理解。传统的Web服务规约缺少服务操作和集成的语义信息，无法准确表达这些隐含的约束限制条件，常常造成双方对服务理解的不一致，从而导致运行错误。本发明中引入契约设计和语义知识描述的方法，为服务的理解、协同、验证与确认提供了更丰富的语义信息。

2)提高测试自动生成的智能化程度。Web服务接口均遵照基于XML的标准规范进行描述，可以通过工具自动分析其相关文档获取数据接口、接口操作等信息。本发明中进一步定义了服务数据以及操作的约束和依赖关系，将测试生成转化为智能搜索等问题，可以采用知识发现和推理等技术，提高测试用例生成的智能化，从而提高测试用例的有效性和故障检测能力。

Claims (1)

1.一种基于接口语义契约模型的Web服务建模与测试方法，其特征在于，是在开放的Web服务平台上，依次按以下步骤实现的:

步骤（1） Web服务平台初始化

输入：Web服务的类型、名称、描述、参数、参数类型和参数描述，

Web服务所需要的接口操作集合以及每个接口所需要的输入参数和输出参数，

Web服务的领域概念以及各种约束依赖关系，

步骤（2） 按以下步骤建立接口语义契约模型：

步骤（2.1）建立接口数据的语义描述，即建立接口语义契约用的数据模型：

Data:=<T,R>，其中：

T={T_i}，为数据类集合，i=1,2,..,i.,,I，I为数据类的数目，其中，分为基本数据类型和领域集合类型：

基本数据类型包括：简单数据类型以及由简单数据构成的复杂数据类型，

领域数据类型包括：领域内的基本数据及其相互关系；

R=T×T，为数据类型之间的关系集合，包括：

继承关系Sub(T₁,T₂)，子类数据 T₁继承父类数据T₂所有的属性并可扩展，

等价关系Eq(T₁,T₂)，表示子类数据T₁和父类数据T₂相同，有互换性，

互斥关系Dj(T₁,T₂)，表示数据T₁和数据T₂没有交集；

根据属性，数据分为：

数值型数据，至少包括：有效数据集合、最大值和最小值，

字符串型数据，至少包括：字符串有效长度、最大长度、最小长度和有效排列模式，

复杂数据类型，包括其所包含的数据元素及相互关系，

步骤（2.2）数据约束模型，包括：

基数约束，表述被约束对象的取值数量的限制，

值域约束：表示被约束对象的取值范围的限制，

用语义规则描述的多个数据以及多个属性之间的约束关系，包括：同一数据不同属性之间的约束关系和不同数据的属性之间的约束关系，

步骤（2.3）构建接口契约中的本体数据模型：

服务输入，服务在运行中从外界获取的数据，

服务输出，服务运行后应产生的输出数据以及异常信息，

服务之间的依赖关系，包括控制依赖关系和数据依赖关系，其中：

控制依赖关系，指执行顺序的各种约束条件，顺序约束包括：

在先执行，Before(S₁,S₂)，服务S₁领先服务S₂执行，

在后执行，After(S₁,S₂)，服务S₁滞后服务S₂执行，

并行执行，Parallel(S₁,S₂)，服务S₁和服务S₂并行执行，

数据依赖关系，表述数据在顺序执行中的依赖关系，包括：输入依据，输出依据，以及输入-输出依赖，其中：

输入依赖关系表示为：

若：d₁∈S₁.Input且d₂∈S₂.Input，

则：IIDep(S₁,S₂)，其中：

d₁、d₂分别表述输入、输出数据，

S₁.Input、S₂.Input分别表示服务S₁的输入数据集合和服务S₂的输入数据集合，

IIDep(S₁.S₂)表示服务S₁和服务S₂存在输入依赖关系，服务S₂的输入参数由服务S₁的输入参数决定，

输出依赖关系表示为：

若：d₁∈S₁.Output且d₂∈S₂.Output，

则：OODep(S₁,S₂)，其中：

S₁.Output、S₂.Output分别表示服务S₁的输出参数集合和服务S₂的输出参数集合，

OODep(S₁,S₂)表述服务S₁和服务S₂存在输出依赖关系，服务S₂的输出参数由服务S₁的输出参数决定，

输入-输出依赖表示为：

若：d₁∈S₁.Output且d₂∈S₂.Input，

则：IODep(S₁,S₂)，表示：服务S₂的输入参数由服务S₁的输出参数决定，

步骤（3） 根据步骤（2.2）得到的数据约束模型和步骤（2.3）得到的本体数据模型，按以下步骤生成测试用例：

步骤（3.1）定义测试数据类的合法性和非法性：

合法测试数据类是指符合服务需求的测试输入，服务应产生正确的执行结果，

非法测试数据类是指不符合服务需求测试输入，服务应能安全地处理各种不合理的输入，

步骤（3.2）根据步骤（3.1）中规定的数据类型的分类标准对各个数据类分区，并建立对应的合法测试数据分区和非法测试数据分区，

步骤（3.3）对步骤（3.2）中的各合法测试数据类，根据其中的子类数据在所述数据依赖关系中的地位建立对应的合法测试数据子分区，再根据各子类数据之间的数据依赖关系定义对应的合法测试数据子分区之间的关系：

若：子类数据之间为等价关系，则：相应的合法测试数据子分区之间也相互等价，

若：子类数据之间为互斥关系，则：相应的合法测试数据子分区之间也相互排斥，

若：子类数据由其他子类数据通过交集、并集或补集运算得到，则：相对应的合法测试数据子分区也要通过相应的合法测试数据子分区经过相同运算得到，

最后，根据所述数据属性类型的取值方式，定义合法测试数据分区中的子分区,

步骤（3.4）对步骤（3.2）中的各非法测试数据分区，根据属性约束条件，定义对应的测试子分区，

步骤（3.5）在步骤（3.3）和步骤（3.4）的每一个数据分区内，根据其数据依赖关系，采用随机生成的方法，生成数据类型的实例，得到每一个类对应的实例集合，每一个实例包括：服务名称、分区序号、分区名称以及分区含义，

步骤（3.6）按以下步骤合成测试数据用例集：

步骤（3.6.1）根据服务所提出的测试目标，确认所设计的各个输入数据I_i∈S.Input选取的子分区P_p，I_i为与所述测试目标有关的序号为i的输入数据，i=1,2,..,i,..I，I为与所述测试目标有关的所有测试数据的数量，P_p为I_i所选取的序号为p的子分区，p=1,2,..,p,..P，P为子分区总数，

步骤（3.6.2）根据子类数据之间的约束关系，定义选择测试用例时的目标函数，

步骤（3.6.3）搜索所述测试用例输入数据I_i的取值，用I_i.P_p.d_y表示，y为输入数据值的序号，y=1,2,..,y,..Y，Y为输入数据值y的个数，直至所选测试用例的输入数据满足目标函数要求，或是达到限定的最高重复次数，搜索结果得到一个测试用例I_i.P_p.d_y，

步骤（3.6.4）重复步骤（3.6.3），得到一组测试用例，构成一个测试用例集合。

Images