CN104104488A - 一种无线传感器网络协议一致性测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无线传感器网络协议一致性测试系统，以一台CPCI工控机作为系统平台，软件模块包括虚拟端口模块、测试数据生成模块、数据导入/导出模块、数据侦听模块、数据分析模块，硬件模块包括数据收发模块、数据存储模块，其中，数据收发模块包括以太网模块和无线信号收发模块。本发明的测试系统和方法，结构简单，不需要考虑测试设备的同步问题，容易操作；将系统软件和硬件的操作分别设计为不同的测试模块，降低了系统开发和维护的难度。

Description

一种无线传感器网络协议一致性测试系统及方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别涉及一种无线传感器网络协议一致性测试系统，还涉及一种无线传感器网络协议一致性测试方法。

背景技术

协议是确保通信系统中各个通信实体可以正常交互的一系列规范。协议一致性测试是协议测试的重要方面，旨在检测被测协议实现与协议规范的符合程度。无线传感器网络的协议一致性测试是验证其网络节点设备与标准的符合程度，促进无线传感器网络规范化发展的关键。

ISO/IEC为协议一致性测试制定了多种抽象测试方法，由于远程测试法具有良好的环境适应性，目前的无线传感器网络协议一致性测试系统大都是基于这一方法设计的。现有的测试系统通常由控制台设备、测试服务器和其他辅助设备组成。在控制台设备上安装控制软件，提供人机交互界面，向测试服务器发出控制指令。在测试服务器安装测试软件，根据控制台的指令，依据测试集创建测试用例，生成测试数据。被测设备则在辅助设备的帮助下完成测试。

现有的测试系统通常是由若干台测试设备搭建而成的，其中一种设备负责发送控制消息，其他设备负责执行测试，这导致系统结构复杂，部署成本高。测试的执行需要所有设备协同完成，不同设备之间需要同步与协调，延长了测试周期。功能模块划分不清晰，导致测试系统的可扩展性不好，比如当添加新的测试协议类型时，对系统的完善变得困难而复杂。

发明内容

针对上述现有测试系统的缺陷，本发明提出一种无线传感器网络协议一致性测试系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种无线传感器网络协议一致性测试系统，以一台CPCI工控机作为系统平台，软件模块包括虚拟端口模块、测试数据生成模块、数据导入/导出模块、数据侦听模块、数据分析模块，硬件模块包括数据收发模块、数据存储模块；

所述测试数据生成模块：选择测试用例，配置测试参数，生成测试数据；

所述数据导入/导出模块：将生成的测试数据封装成标准的以太网帧，将其提交给虚拟端口；

所述虚拟端口模块创建虚拟端口，配置网络参数，所有待发送和接收到的数据被保存在虚拟端口的内置链表中，供下一级接口读取；

所述数据收发模块包括：FPGA控制电路、千兆网络接口电路、无线接口电路，FPGA控制电路控制数据的接收和发送；千兆网络接口电路配备以太网物理层收发器，支持以太网信号的发送和接收；无线接口电路将测试数据转换为标准的无线信号发送出去，或者将收到的数据转换为标准的以太网数据传递给接口电路；

所述数据侦听模块检测新数据到达，并读取该数据提交给下一级模块；

所述数据分析模块从所述虚拟端口中提取测试帧，将接收到的反馈数据与标准的反馈数据进行对比，根据对比结果，生成测试报告。

可选地，所述配置的网络参数包括：

配置虚拟端口的IP地址；

修改ARP表，添加一条静态ARP项，该ARP项中的目的IP地址和目的MAC地址与数据导入模块中设置的参数保持一致；

添加一条目的地址的网关是该虚拟端口的路由，目的地址与数据导入模块中设置的参数保持一致。

可选地，所述数据收发模块采用数据转发的工作模式，在发送时，提供一条数据发送的链路；在接收时，将收到的数据保存下来，供下一级接口使用。

可选地，所述数据侦听模块读取到数据后，对收到的数据使用源MAC地址+目的MAC地址+源IP地址+目的IP地址+协议类型的过滤方式过滤数据。

基于上述测试系统，本发明还提供了一种无线传感器网络协议一致性测试方法，包括以下步骤：

步骤(a)，虚拟端口模块为测试仪的物理测试端口创建一个与之对应的虚拟端口，为其配置网络参数，并创建以该虚拟端口为网关的路由；

步骤(b)，在测试用例编辑模块中选择测试用例，编辑测试用例的各种参数，保存参数设置，并根据测试用例编辑模块保存的配置参数，生成基于IEEE802.15.4标准的测试报文；

步骤(c)，数据导入模块构造标准的以太网数据帧，帧的目的地址使用步骤(a)中所添加的路由项中的目的地址，该目的地址的网关为虚拟端口，然后通过UDP Socket发送该数据帧；

步骤(d)，数据收发模块读取虚拟端口中的帧数据，然后将帧数据的净荷部分提取出来；在FPGA电路的控制下，经过千兆网络接口电路将提取到净荷部分发送到链路中，无线接口电路将其转换为无线信号发送给DUT；同时，无线接口也将来自DUT的数据提交给千兆网络接口；

步骤(e)，数据存储模块接收到数据后，将其存储，供下一个模块读取；

步骤(f)，数据侦听模块不断检测存储区域，当有新的数据包到达时，读取该数据包，并对该数据进行匹配检测；将匹配的数据包作为净荷，封装在一个目的地址为虚拟端口的标准UDP数据帧中，通过UDP Socket发送该帧；

步骤(g)，当数据分析模块收到来自虚拟端口的数据后，从中提取DUT的反馈数据，并与测试例编辑模块生成的标准反馈数据进行对比，生成测试报告。

可选地，在所述步骤(a)中，配置的网络参数包括：

配置虚拟端口的IP地址；

修改ARP表，添加一条静态ARP项，该ARP项中的目的IP地址和目的MAC地址与数据导入模块中设置的参数保持一致；

添加一条目的地址的网关是该虚拟端口的路由，目的地址与数据导入模块中设置的参数保持一致。

可选地，在所述步骤(d)中，数据收发模块采用数据转发的工作模式，对所有流经的数据的格式不做任何处理：在发送时，提供一条数据发送的链路；在接收时，将收到的数据保存下来，供下一级接口使用。

可选地，在所述步骤(f)中，数据侦听模块读取到数据后，对收到的数据使用源MAC地址+目的MAC地址+源IP地址+目的IP地址+协议类型的过滤方式过滤数据，仅提交与当前测试类型匹配的数据。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单，不需要考虑测试设备的同步问题，容易操作；

(2)将系统软件和硬件的操作分别设计为不同的测试模块，降低了系统开发和维护的难度；

(3)采用了由软件生成测试帧数据的方式，当需要更新测试协议类型时，只需要按照系统设计的规范创建新的测试用例，就可以执行新的协议测试，这使得系统具有良好的可扩展性；

(4)当需要添加新的测试协议时，在不影响以前的功能的前提下，降低了系统的开发成本；

(5)可以向处于工作状态中的网络发送数据，或者捕获来自网络的数据，不会影响网络的正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种无线传感器网络协议一致性测试系统的测试原理框图；

图2为本发明数据导入/导出模块中使用的帧格式的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的测试系统以一台CPCI工控机作为系统平台，软件模块包括虚拟端口模块、测试数据生成模块、数据导入/导出模块、数据侦听模块、数据分析模块，硬件模块包括数据收发模块、数据存储模块。其中，数据收发模块包括以太网模块和无线信号收发模块。CPCI工控机平台采用标准CPCI总线与各模块进行数据交换，包括模块的控制信息、模块的测试结果和捕获的数据等。以太网模块包括以太网接口电路、FPGA、存储器和CPU系统，提供数据收发的通道。无线信号收发模块包括信号发射电路和信号接收电路，获取无线传感器网络节点在通信时发射的无线信号，并将测试数据发送给无线传感器网络节点。

系统软件完成人机交互、硬件控制的功能，本发明采用层次化的设计方法，分为硬件控制层、驱动层、应用层。硬件控制层由独立的板载微处理器系统来实现，以消息应答的形式与主机进行通信，满足高实时性的控制要求。驱动层为应用层提供板级控制的接口，使应用层与板级控制隔离，提高了系统的可靠性及可维护性。应用层提供人机交互的界面，主要完成人机交互、消息序列的生成与处理、测试数据生成与分析、生成测试报告、支持文件保存与管理等功能。

下面结合附图对本发明测试系统的测试原理进行详细说明。

如图1所示，本发明的测试系统包括：虚拟端口模块、测试数据生成模块、数据导入/导出模块、数据收发模块、数据存储模块、数据侦听模块、数据分析模块；各个模块的功能分别是：

测试数据生成模块：选择测试用例，配置测试参数，生成测试数据。其中，测试数据生成模块能够保存当前的参数配置，供再次测试使用；测试参数的配置可以采用手动方式进行，也可以采用导入配置文件的方式进行；测试软件将根据测试用例，生成基于IEEE802.15.4标准的测试报文。

数据导入/导出模块：将生成的测试数据封装成标准的以太网帧，然后将其提交给虚拟端口。当发送测试数据时，使用的是数据导入模块；当接收测试数据时，使用的是数据导出模块。所有待发送和接收到的数据都将被保存在虚拟端口的内置链表中，供下一级接口读取。

导入和导出数据时，都需要将数据封装为标准的以太网帧，帧格式如图2所示。上述数据导入和导出的区别在于：

数据导入：目的地址和源地址是可以任意设置，仅需要确保目的地址的网关是虚拟端口。

数据导出：目的地址设置为虚拟端口的地址。

虚拟端口模块：创建虚拟端口，配置与之相关的网络参数。虚拟端口是一个虚拟的以太网设备，它并不具备一个标准的网络设备应该具备的所有功能，因此，它是一个非标准的网络设备。虚拟端口对外提供标准的读写接口，其他模块可以使用写文件的方式向其发送数据、使用读文件的方式读取存储在其中的数据。配置的网络参数包括：配置虚拟端口的IP地址；修改ARP表，添加一条静态ARP项，该ARP项中的目的IP地址和目的MAC地址与数据导入模块中设置的参数保持一致；添加一条目的地址的网关是该虚拟端口的路由，目的地址与数据导入模块中设置的参数保持一致，该路由的目的是将所有待发送的数据都提交给虚拟端口。

采用虚拟端口的目的是为了降低模块间的耦合性，在这种功能划分的情况下，测试数据生成模块仅负责向下层接口输出标准的Ipv6帧格式的数据，而不必关心硬件的工作模式。

数据收发模块：包括FPGA控制电路、千兆网络接口电路、无线接口电路，作为测试系统与被测试实现进行交互的接口。FPGA控制电路控制数据的接收和发送；千兆网络接口电路配备以太网物理层收发器，支持10M/100M/1000M以太网信号的发送和接收；无线接口电路将测试数据转换为标准的无线信号，发送出去，或者将收到的数据转换为标准的以太网数据，传递给接口电路。

数据收发模块采用数据转发的工作模式，即对所有流经的数据的格式不做任何处理：在发送时，提供一条数据发送的链路；在接收时，将收到的数据保存下来，供下一级接口使用。

数据侦听模块：检测是否有新的数据到达，如果有，则读取该数据，并提交给下一级模块。否则，继续检测。

当读取到数据后，对收到的数据进行过滤，仅提交与当前测试类型匹配的数据。由于在实际的网络中测试时，物理端口也会收到来自其他非目的设备的数据，为了有效的区分有用的测试数据，这里采用多个特征数据相结合的方式进行数据的过滤。由于在同一时刻，在每个端口仅执行一种类型的测试，并且收发数据的源端和目的端是确定的，因此，这里使用“源MAC地址+目的MAC地址+源IP地址+目的IP地址+协议类型”的过滤方式过滤数据。

数据分析模块：从虚拟端口中提取测试帧，将接收到的反馈数据与标准的反馈数据进行对比，根据对比结果，生成测试报告。

基于上述测试系统，结合图1，本发明还提供了一种无线传感器网络协议一致性测试方法，包括以下步骤：

步骤(a)，虚拟端口模块为测试仪的物理测试端口创建一个与之对应的虚拟端口，为其配置网络参数，并创建以该虚拟端口为网关的路由；

步骤(b)，在测试用例编辑模块中选择测试用例，编辑测试用例的各种参数，保存参数设置，并根据测试用例编辑模块保存的配置参数，生成基于IEEE802.15.4标准的测试报文；

步骤(c)，数据导入模块构造标准的以太网数据帧，帧的目的地址使用步骤(a)中所添加的路由项中的目的地址，该目的地址的网关为虚拟端口，然后通过UDP Socket发送该数据帧；

步骤(d)，数据收发模块读取虚拟端口中的帧数据，然后将帧数据的净荷部分提取出来；在FPGA电路的控制下，经过千兆网络接口电路将提取到净荷部分发送到链路中，无线接口电路将其转换为无线信号发送给DUT；同时，无线接口也将来自DUT的数据提交给千兆网络接口；

步骤(e)，数据存储模块存储接收到数据后，将其存储，供下一个模块读取；

步骤(f)，数据侦听模块不断检测存储区域，当有新的数据包到达时，读取该数据包，并对该数据进行匹配检测；将匹配的数据包作为净荷，封装在一个目的地址为虚拟端口的标准UDP数据帧中，通过UDP Socket发送该帧；

步骤(g)，当数据分析模块收到来自虚拟端口的数据后，从中提取DUT的反馈数据，并与测试例编辑模块生成的标准反馈数据进行对比，生成测试报告。

本发明的测试系统和方法，结构简单，不需要考虑测试设备的同步问题，容易操作；将系统软件和硬件的操作分别设计为不同的测试模块，降低了系统开发和维护的难度；采用了由软件生成测试帧数据的方式，当需要更新测试协议类型时，只需要按照系统设计的规范创建新的测试用例，就可以执行新的协议测试，这使得系统具有良好的可扩展性；当需要添加新的测试协议时，在不影响以前的功能的前提下，降低了系统的开发成本；可以向处于工作状态中的网络发送数据，或者捕获来自网络的数据，不会影响网络的正常运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络协议一致性测试系统，其特征在于，以一台CPCI工控机作为系统平台，软件模块包括虚拟端口模块、测试数据生成模块、数据导入/导出模块、数据侦听模块、数据分析模块，硬件模块包括数据收发模块、数据存储模块；

所述测试数据生成模块：选择测试用例，配置测试参数，生成测试数据；

所述数据导入/导出模块：将生成的测试数据封装成标准的以太网帧，将其提交给虚拟端口；

所述虚拟端口模块创建虚拟端口，配置网络参数，所有待发送和接收到的数据被保存在虚拟端口的内置链表中，供下一级接口读取；

所述数据收发模块包括：FPGA控制电路、千兆网络接口电路、无线接口电路，FPGA控制电路控制数据的接收和发送；千兆网络接口电路配备以太网物理层收发器，支持以太网信号的发送和接收；无线接口电路将测试数据转换为标准的无线信号发送出去，或者将收到的数据转换为标准的以太网数据传递给接口电路；

所述数据侦听模块检测新数据到达，并读取该数据提交给下一级模块；

所述数据分析模块从所述虚拟端口中提取测试帧，将接收到的反馈数据与标准的反馈数据进行对比，根据对比结果，生成测试报告。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络协议一致性测试系统，其特征在于，所述配置的网络参数包括：

配置虚拟端口的IP地址；

修改ARP表，添加一条静态ARP项，该ARP项中的目的IP地址和目的MAC地址与数据导入模块中设置的参数保持一致；

添加一条目的地址的网关是该虚拟端口的路由，目的地址与数据导入模块中设置的参数保持一致。

3.如权利要求1所述的无线传感器网络协议一致性测试系统，其特征在于，所述数据收发模块采用数据转发的工作模式，在发送时，提供一条数据发送的链路；在接收时，将收到的数据保存下来，供下一级接口使用。

4.如权利要求1所述的无线传感器网络协议一致性测试系统，其特征在于，所述数据侦听模块读取到数据后，对收到的数据使用源MAC地址+目的MAC地址+源IP地址+目的IP地址+协议类型的过滤方式过滤数据。

5.一种无线传感器网络协议一致性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，虚拟端口模块为测试仪的物理测试端口创建一个与之对应的虚拟端口，为其配置网络参数，并创建以该虚拟端口为网关的路由；

步骤(b)，在测试用例编辑模块中选择测试用例，编辑测试用例的各种参数，保存参数设置，并根据测试用例编辑模块保存的配置参数，生成基于IEEE802.15.4标准的测试报文；

步骤(c)，数据导入模块构造标准的以太网数据帧，帧的目的地址使用步骤(a)中所添加的路由项中的目的地址，该目的地址的网关为虚拟端口，然后通过UDP Socket发送该数据帧；

步骤(d)，数据收发模块读取虚拟端口中的帧数据，然后将帧数据的净荷部分提取出来；在FPGA电路的控制下，经过千兆网络接口电路将提取到净荷部分发送到链路中，无线接口电路将其转换为无线信号发送给DUT；同时，无线接口也将来自DUT的数据提交给千兆网络接口；

步骤(e)，数据存储模块接收到数据后，将其存储，供下一个模块读取；

步骤(f)，数据侦听模块不断检测存储区域，当有新的数据包到达时，读取该数据包，并对该数据进行匹配检测；将匹配的数据包作为净荷，封装在一个目的地址为虚拟端口的标准UDP数据帧中，通过UDP Socket发送该帧；

步骤(g)，当数据分析模块收到来自虚拟端口的数据后，从中提取DUT的反馈数据，并与测试用例编辑模块生成的标准反馈数据进行对比，生成测试报告。

6.如权利要求5所述的一种无线传感器网络协议一致性测试方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，配置的网络参数包括：

配置虚拟端口的IP地址；

修改ARP表，添加一条静态ARP项，该ARP项中的目的IP地址和目的MAC地址与数据导入模块中设置的参数保持一致；

添加一条目的地址的网关是该虚拟端口的路由，目的地址与数据导入模块中设置的参数保持一致。

7.如权利要求5所述的一种无线传感器网络协议一致性测试方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，数据收发模块采用数据转发的工作模式，对所有流经的数据的格式不做任何处理：在发送时，提供一条数据发送的链路；在接收时，将收到的数据保存下来，供下一级接口使用。

8.如权利要求5所述的一种无线传感器网络协议一致性测试方法，其特征在于，在所述步骤(f)中，数据侦听模块读取到数据后，对收到的数据使用源MAC地址+目的MAC地址+源IP地址+目的IP地址+协议类型的过滤方式过滤数据，仅提交与当前测试类型匹配的数据。