CN104507101A - 一种异构无线传感器网络通信协议测试平台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多速率、多协议的异构无线传感器网络通信协议测试平台，包括节点域、网络域和服务域。其中节点域涵盖低速率802.15.4、中速率802.15.1、中速率802.11b和高速率802.11g等4种异构无线节点以及汇聚节点，服务域涵盖支持远程访问的应用服务器、数据库服务器、Web服务器等系统架构部分以及测试服务器，测试服务器用于控制和协调协议测试流程，确保协议测试的有序运行，本发明还提供了基于该测试平台的测试方法，实现用户在物理层、MAC层、网络层以及应用层等多个层面的网络通信协议测试。本发明具有异构性、层次分明，部署方便，使用灵活的优点。

Description

一种异构无线传感器网络通信协议测试平台及其测试方法

技术领域

本发明属于无线网络通信协议测试技术领域，更具体地说，涉及一种异构无线传感器网络通信协议测试平台及其测试方法。

背景技术

与传统的互联网络相比，无线传感器网络具有部署范围广、结构种类多、实际环境复杂等特性，在进行实际系统的部署之前，必须经过实际网络的运行测试才能够充分证实网络运行的可行性、有效性以及可靠性。

目前较多的研究采用建模分析和计算模拟的方法进行测试和验证，但构建数学模型的计算复杂度较大，仿真模拟工具又无法真实体现无线通信的不稳定性，验证的效果与实际有较大的差距。而通过传感器节点建立网络测试平台，可以在实际应用过程中验证测试网络的协议和算法，不仅比较全面地包含了影响网络状态的各个因素，而且也避免了因模型简化导致的理论误差。

当前传感器网络测试平台的研究中，为进行网络的实验测试，已经出现了多种传感器网络测试平台，其中典型的测试平台如Harvard的Motelab和中国科学院计算技术研究所的SNAMP等，这些测试平台均有各自不同的特点，可满足不同需求的传感器网络测试。

传统的测试平台主要是基于同构节点的。随着物联网技术的发展，无线传感器网络已经呈现出一种异构的网络，在网络中会存在多种通信协议传输方式。在上述所提到的测试平台中，并不能够完全满足异构无线传感器网络通信协议的测试需求，主要存在以下问题：(1)设备节点性能接近，不能有效地满足不同应用环境的需求；(2)网络通信协议单一，调试接口资源受限，对于复杂的异构网络支持力度不足。因而，对于传感器网络测试平台内节点也要求其支持异构的、复杂的网络传输的功能，满足对传感器网络进行综合测试的要求。

发明内容

针对以上问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种多速率、多协议的异构无线传感器网络综合测试平台及其测试方法，用于通信协议测试和网络性能分析。

本发明的技术方案如下：

一种异构无线传感器网络通信协议测试平台，包括多种速率的异构传感器节点、网络设备、服务器和测试系统，各异构传感器结点经由网络设备与服务器进行信息交互，并通过测试系统实现用户在物理层、MAC层、网络层、传输层以及应用层等多个层面的网络通信协议测试。

优选的，所述异构传感器节点包括在2.4GHz的ISM频段上，可部署低速率802.15.4、中速率802.15.1、中速率802.11b和高速率802.11g等多种不同速率的异构节点。

优选的，所述网络设备包括汇聚节点、基站、交换机、路由器及防火墙，用于连接各异构传感器结点至以太网络，实现测试和控制数据的传输。

优选的，所述服务器包括应用服务器、数据库服务器、Web服务器以及测试服务器，运行包括数据管理子系统、核心资源子系统和测试工作子系统的功能模块。

优选的，所述测试服务器包括测试用例集模块、测试用例分类器模块、测试用例加载模块和人机交互模块。

优选的，所述测试系统包括性能分析模块、协议统计模块和测试结果模块：根据测试用例集，将网络通信协议的测试数据包发送到测试服务器，接收数据包对报文分组进行协议一致性测试，得到测试结果并发送至所述测试结果输出。

优选的，所述网络通信协议包括物理层、MAC层、网络层、传输层和应用层；其中物理层使用直接序列扩频(DSSS)技术和正交频分复用(OFDM)技术、MAC层使用载波监听多路访问/冲突避免技术(CSMA/CA)和请求发送/清除发送技术(RTS/CTS)、网络层使用平面路由协议和分簇路由协议，传输层使用TCP协议和UDP协议。

一种基于上述异构无线传感器网络通信协议测试平台的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，用户根据预定的网络通信协议编辑测试用例，并将该测试用例加载到测试服务器；

步骤2，测试服务器设置待测异构传感器节点的地址、运行程序、开始时间和运行时间，发送该测试用例信息到测试系统运行测试；

步骤3，测试系统激活待测异构传感器节点群使其形成测试节点，运行该网络通信协议，通过以太网连接到被测网络中对应该些测试节点的设备，控制操作网络运行并获得测试数据，并将其存储在相应数据库存储单元和事件日志；

步骤4，测试节点运行该网络通信协议，并传送协议运行状态信息；

步骤5，测试系统接收处理测试节点发回的运行状态信息，并反馈给测试服务器；

步骤6，测试服务器接收并存储测试系统上传的结果，通过人机交互模块向用户展示该网络通信协议的测试效果，按照物理层、MAC层、路由层和应用层的次序，依次将每个测试节点的各层协议的统计信息输出，并释放每个测试节点的内存空间。

优选的，步骤3进一步包括以下子步骤：

步骤31，测试系统根据接收到的测试用例信息，选择相应的网络通信协议；

步骤32，设定该网络通信协议合适的TTL值；

步骤33，发送该网络通信协议运行通告到待测异构传感器节点，设定节点运行模式；

步骤34，生成该网络通信协议适用的测试数据包，以CSMA/CA方式发送至待测异构传感器节点。

优选的，步骤4进一步包括以下子步骤：

步骤41，该些测试节点以广播方式转发数据包，进行重复分组检测，丢弃重复分组；

步骤42，该些测试节点之间按照被测试的组网协议进行组网；

步骤43，完成协议运行，传送协议运行的状态信息给测试系统。

本发明的有益效果如下：

本发明的测试平台可以通过部署不同数量的异构传感器节点实现不同规模的测试，通过控制异构节点的射频天线位置和收发功率，满足不同用户和应用环境的需要。测量的性能指标包括：节点的电压和能耗，节点发送和接收无线数据包的吞吐量，丢包率，传输速率，网络时延和剩余能量等。该测试平台遵循技术先进性和信息标准化，支持多速率和多协议，可以在实际应用过程中验证测试传感网络的通信协议，较全面地包含了影响异构网络状态的各个因素，可以实现不同数量异构节点和不同规模的网络拓扑结构，满足不同应用环境的异构传感器网络通信协议的测试需求。与现有的无线传感器网络测试平台相比，该平台具有异构性、层次分明，部署方便，使用灵活的优点。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构图；

图2是本发明的网络通信协议图；

图3是本发明的测试系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的拓扑结构图。根据测试需求和应用环境的不同，组成不同的网络规模。左边为无线传感器节点域，包括各种待测异构传感器节点如Zigbee、Bluetooth、WiFi等无线终端，通过单跳或多跳方式接入Sink节点(汇聚节点)后再连接到基站。异构传感器节点包括低速率IEEE802.15.4，支持星型和点对点两种网络拓扑结构，在868/915M、2.4GHz的ISM频段上实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；中速率IEEE802.15.1，采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，在2.4GHz的ISM频段上传输速率为1Mbps；中速率IEEE802.11b，支持点对点模式(ad-hoc mode)和基本模式(infrastructure mode)，采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)技术和请求发送/清除发送(RTS/CTS)技术，使用直接序列扩频(DSSS)技术，在2.4GHz的ISM频段上其数据速率为11Mbps；高速率IEEE802.11g，支持微蜂窝和微微蜂窝结构，使用正交频分复用(OFDM)技术，在2.4GHz的ISM频段上数据速率可达54Mbit/s，与802.11b兼容。

图1的右上边为网络域，包括交换机、路由器、防火墙等设备用于连接以太网络，实现测试和控制数据的传输，运行各种网络通信协议。如图2所示，为本发明的网络通信协议图，包括物理层、MAC层、网络层、传输层和应用层。其中MAC层支持802.15.1/4和802.11b/g异构传感器节点，网络层支持平面路由协议和分簇路由协议，传输层支持TCP和UDP协议等

图1右下边为管理域，包括应用服务器、Web服务器、数据库服务器和测试服务器，应用服务器运行测试平台的网络管理控制系统软件，数据库服务器进行测试数据及事件日志的存储、控制操作网络运行以及对数据的分析结果输出等，Web服务器通过以太网关、防火墙等接入Internet网络，可以供远程用户对测试网络进行控制和获取测试数据。服务器通过网络接口与交换机、路由器、防火墙等相连，再通过互联网络将测试数据传输给远程用户并接受远程控制访问。服务器都基于Linux平台，安装CentOS操作系统，Web服务器采用Apache和PHP技术构建，数据库服务器采用MYSQL，所有平台都遵循GNU标准。

如图3所示，为本发明的测试系统示意图。待测异构传感器节点包括有数据采集模块、数据传输模块及数据存储模块。测试服务器是整个测试平台运行的核心，用于控制和协调协议测试流程，确保协议测试的有序运行，包括测试用例集模块、测试用例分类器模块、测试用例加载模块和人机交互模块等，可对待测异构节点进行协议测试，并将结果发送到测试系统。测试系统包括性能分析模块、协议统计模块和测试结果模块等。

根据待测的通信协议类型设计用户测试用例，主要包括测试数据包和与通信协议对应的参数设置，测试的通信协议不同，所设计的测试用例也不同。根据测试用例集，将IEEE802.15.4、IEEE802.15.1、IEEE802.11b、IEEE802.11g通信协议的测试数据包发送到测试服务器，接收数据包对报文分组进行协议一致性测试，得到测试结果并发送至所述测试结果输出。以下以节点采用CC2530作为节点通信芯片，支持2.4GHz的IEEE802.15.4协议为测试用例运行的主要步骤如下：

步骤1，用户编辑平台将要运行的测试用例，并将用例加载到测试服务器。具体为用户使用测试服务器提供的测试用例集模块设置平台协议为IEEE802.15.4，测试用例分类器模块为待测IEEE802.15.4协议提供用户参数设定及预处理；开启测试用例加载模块，将IEEE802.15.4协议测试用例装入测试系统。

步骤2，测试服务器设置待测网络异构节点的地址、运行程序、开始时间和运行时间，发送测试用例信息到测试系统运行测试。

步骤3，测试平台激活待测异构传感器节点群以形成测试节点，运行IEEE802.15.4协议，通过以太网连接到被测网络对应测试节点中的设备，控制操作网络运行并获得测试数据，并将其存储在相应数据库存储单元和事件日志。具体为测试平台根据接收到的用例测试信息，选择相应的通信协议，此处为IEEE802.15.4协议；设定IEEE802.15.4协议合适的TTL值；发送IEEE802.15.4协议运行通告到测试节点，设定测试节点运行模式；生成测试协议适用的测试数据包，以CSMA/CA方式发送至测试节点。

步骤4，测试节点运行IEEE802.15.4协议，并传送协议运行状态信息；具体为测试节点以广播方式转发数据包，进行重复分组检测，丢弃重复分组；测试节点之间按照被测试的组网协议进行组网；完成协议运行，传送协议运行的状态信息给测试系统，此时通信方式依然遵循IEEE802.15.4协议。

步骤5，测试系统接收处理测试节点发回的测试数据，并反馈给测试服务器；具体为测试系统接收测试节点发送的广播数据包，统计其中预设置的协议测试信息；生成测试结果信息，给出IEEE802.15.4协议运行效果评价参数；上传测试结果到测试服务器。

步骤6，测试服务器接收并存储测试系统的上传结果，通过人机交互模块向用户展示IEEE802.15.4协议的测试效果，按照物理层、MAC层、路由层和应用层的次序，依次将每个测试节点的各层协议的统计信息输出，并释放每个测试节点的内存空间。

上述实施例仅是用来说明本发明的一种异构无线传感器网络通信协议测试平台及其测试方法，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于，包括多种速率的异构传感器节点、网络设备、服务器和测试系统，各异构传感器结点经由网络设备与服务器进行信息交互，并通过测试系统实现用户在物理层、MAC层、网络层、传输层以及应用层等多个层面的网络通信协议测试。

2.根据权利要求1所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于，所述异构传感器节点包括在2.4GHz的ISM频段上，可部署低速率802.15.4、中速率802.15.1、中速率802.11b和高速率802.11g等多种不同速率的异构节点。

3.根据权利要求1所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于，所述网络设备包括汇聚节点、基站、交换机、路由器及防火墙，用于连接各异构传感器结点至以太网络，实现测试和控制数据的传输。

4.根据权利要求1所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于，所述服务器包括应用服务器、数据库服务器、Web服务器以及测试服务器，运行包括数据管理子系统、核心资源子系统和测试工作子系统的功能模块。

5.根据权利要求4所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于，所述测试服务器包括测试用例集模块、测试用例分类器模块、测试用例加载模块和人机交互模块。

6.根据权利要求1所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于所述测试系统包括性能分析模块、协议统计模块和测试结果模块：根据测试用例集，将网络通信协议的测试数据包发送到测试服务器，接收数据包对报文分组进行协议一致性测试，得到测试结果并发送至所述测试结果输出。

7.根据权利要求1所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台，其特征在于所述网络通信协议包括物理层、MAC层、网络层、传输层和应用层；其中物理层使用直接序列扩频(DSSS)技术和正交频分复用(OFDM)技术、MAC层使用载波监听多路访问/冲突避免技术(CSMA/CA)和请求发送/清除发送技术(RTS/CTS)、网络层使用平面路由协议和分簇路由协议，传输层使用TCP协议和UDP协议。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的异构无线传感器网络通信协议测试平台的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，用户根据预定的网络通信协议编辑测试用例，并将该测试用例加载到测试服务器；

步骤2，测试服务器设置待测异构传感器节点的地址、运行程序、开始时间和运行时间，发送该测试用例信息到测试系统运行测试；

步骤3，测试系统激活待测异构传感器节点群使其形成测试节点，运行该网络通信协议，通过以太网连接到被测网络中对应该些测试节点的设备，控制操作网络运行并获得测试数据，并将其存储在相应数据库存储单元和事件日志；

步骤4，测试节点运行该网络通信协议，并传送协议运行状态信息；

步骤5，测试系统接收处理测试节点发回的运行状态信息，并反馈给测试服务器；

步骤6，测试服务器接收并存储测试系统上传的结果，通过人机交互模块向用户展示该网络通信协议的测试效果，按照物理层、MAC层、路由层和应用层的次序，依次将每个测试节点的各层协议的统计信息输出，并释放每个测试节点的内存空间。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述步骤3进一步包括以下子步骤：

步骤31，测试系统根据接收到的测试用例信息，选择相应的网络通信协议；

步骤32，设定该网络通信协议合适的TTL值；

步骤33，发送该网络通信协议运行通告到待测异构传感器节点，设定节点运行模式；

步骤34，生成该网络通信协议适用的测试数据包，以CSMA/CA方式发送至待测异构传感器节点。

10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述步骤4进一步包括以下子步骤：

步骤41，该些测试节点以广播方式转发数据包，进行重复分组检测，丢弃重复分组；

步骤42，该些测试节点之间按照被测试的组网协议进行组网；

步骤43，完成协议运行，传送协议运行的状态信息给测试系统。