WIA-PA協(xié)議一致性測試方法研究

謝昊飛，姚 俊，陸 楠，王淮民

（重慶郵電大學 工業(yè)物聯(lián)網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065）

近年來，一致性測試是國際上非常關注且發(fā)展較快的一個研究領域?，F(xiàn)有的協(xié)議一致性測試方法主要分為三類：計算機互聯(lián)網絡協(xié)議一致性測試方法、移動通信網絡協(xié)議一致性測試方法和工業(yè)無線通信網絡協(xié)議一致性測試方法。計算機互聯(lián)網絡協(xié)議一致性測試方法適用于有線網絡協(xié)議一致性測試，移動通信網絡協(xié)議一致性測試方法雖然也是無線協(xié)議，但是它的協(xié)議體系結構和通信方式與工業(yè)無線網絡協(xié)議有較大區(qū)別，例如移動通信網絡對通信確定性和實時性通常沒有苛刻的要求，而工業(yè)無線網絡必須保證通信的確定性和實時性,需要系統(tǒng)模塊之間的精確時間同步。鑒于以上情況，本文提出一種新的測試方法以滿足WIA-PA協(xié)議一致性測試需求。

1 WIA-PA協(xié)議一致性測試系統(tǒng)結構

WIA-PA協(xié)議一致性測試結構由智能分析儀、被測設備和上層測試軟件組成，其中智能分析儀中包括測試代理模塊、環(huán)境模擬模塊和全信道數(shù)據(jù)捕獲控制模塊[1]。其拓撲結構如圖1所示。上層測試軟件由人機接口模塊和一致性測試模塊組成，其中人機接口模塊為測試人員提供控制測試過程的方法，并且用來顯示測試結果和測試界面；一致性測試模塊由說明文檔一致性檢查模塊、測試例選擇模塊、測試執(zhí)行模塊、測試結果分析模塊和測試報告生成模塊組成。被測設備中有上測試代理（UTA）和被測協(xié)議實現(xiàn)（IUT）[2]。

該WIA-PA協(xié)議一致性測試系統(tǒng)硬件環(huán)境由測試計算機、測試代理設備、被測設備三部分構成。測試計算機軟件由人機接口模塊、功能測試例模塊、案例調度與響應分析模塊構成。人機接口模塊完成以手動或者靜態(tài)文檔導入的方式實現(xiàn)可執(zhí)行測試集的生成、響應分析結果的顯示以及測試報告的生成等功能；測試例庫包含了WIA-PA標準所定義的各協(xié)議層相應功能的測試例集合，供測試時選擇；案例調度與響應分析模塊對可執(zhí)行測試集中的測試例進行自動化調度與響應報文分析。

測試代理設備軟件由下測試代理模塊、標準協(xié)議實現(xiàn)內核和協(xié)議實現(xiàn)接口構成。測試代理模塊完成與測試計算機的交互及標準協(xié)議內核調用的功能；標準協(xié)議實現(xiàn)內核具有WIA-PA標準定義的較為全面的功能模塊；協(xié)議實現(xiàn)接口模塊為下測試代理和協(xié)議內核模塊提供連接插口。

被測設備由上測試代理模塊、被測協(xié)議實現(xiàn)接口模塊和被測協(xié)議實現(xiàn)構成。上測試代理模塊具有較強通用性，能夠嵌入到不同的被測協(xié)議實現(xiàn)中，接收測試代理設備發(fā)送的激勵報文并進行解析,根據(jù)測試命令類型決定采取某種動作。被測協(xié)議實現(xiàn)接口模塊是被測協(xié)議實現(xiàn)提供給上測試代理調用的協(xié)議實現(xiàn)接口。

2 測試代理軟件

為了控制和觀察WIA-PA參考協(xié)議實現(xiàn)和被測協(xié)議實現(xiàn)，需要設計和開發(fā)WIA-PA協(xié)議一致性測試代理軟件模塊。WIA-PA協(xié)議一致性測試系統(tǒng)中，測試代理軟件模塊包括下測試代理LTA(Lower Test Agent)和上測試代理 UTA(Upper Test Agent)，LTA和 UTA作為用戶應用進程在測試前分別嵌入到測試設備和被測設備中，使設備支持WIA-PA協(xié)議一致性測試[3]。

LTA是在執(zhí)行測試前嵌入到參考協(xié)議實現(xiàn) RI（Reference Implementation）中實現(xiàn)下測試代理功能的用戶應用進程，在測試過程中代理測試計算機發(fā)送UTA命令，通過調用RI完成UTA命令的封裝與發(fā)送，并將UTA響應報文上傳至測試計算機。LTA由協(xié)議棧轉換接口模塊和命令分析模塊構成。

UTA是在執(zhí)行測試前嵌入到被測協(xié)議實現(xiàn) IUT（Implementation Under Test）中實現(xiàn)特定功能的用戶應用進程,它通過接收UTA命令對IUT進行控制觀察。UTA由協(xié)議棧轉換接口模塊、命令處理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊構成。使用LTA和UTA對WIA-PA被測實現(xiàn)進行一致性測試的通信過程如圖2所示。

3 WIA-PA協(xié)議一致性測試抽象測試集的設計

WIA-PA協(xié)議遵守ISO/OSI的7層結構,但只定義數(shù)據(jù)鏈路子層、網絡層、應用層，其物理層和介質訪問控制子層則基于IEEE STD 802.15.4-2006[4]。定義了5類物理設備：主控計算機、網關設備、路由設備、現(xiàn)場設備、手持設備及其相應的功能。因此在抽象測試集的設計過程中采用分層次、分類型和分功能的基本原則[5-6]。WIAPA抽象測試集的樹狀結構如圖3所示。

4 WIA-PA協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層典型測試例實現(xiàn)

(1)一致性測試要求：為了保證設備間無沖突的通信，要求網絡中的設備與時間源進行同步。WIA-PA利用信標幀進行時間同步或應用WIA-PA專門設計的時間同步命令幀進行時間同步。

(2)測試目的：驗證被測設備時間同步能力是否在WIA-PA標準所規(guī)定的最大同步誤差范圍內。

(3)預置條件：被測設備為現(xiàn)場設備或路由設備，在網狀結構中，測試設備作為世界協(xié)調時間源，所有路由設備與測試設備進行時間同步；在星型結構中，路由設備作為時間源。

(4)測試步驟：①測試計算機命令測試設備向網絡廣播時間同步測試UTA命令報文，幀載荷中包含時間同步差采樣報文數(shù)量信息。②在所申請的通信資源內，UTA對信標中的時間信息進行采樣，并在本地計算時間同步差值，測試設備將結果上傳至測試計算機，并對被測設備時間同步能力進行評估。③當滿足設定采樣數(shù)量時，測試計算機命令測試設備向網絡廣播時間同步結束命令幀，或者UTA自動檢查采樣報文數(shù)量是否已滿足設定值，從而自動釋放通信資源。

測試結果如圖4所示。圖4中，frame1為測試設備接收到測試計算機通過SComAssistant軟件發(fā)送的測試命令后,向網絡廣播的時間同步測試UTA命令幀。由圖可知,該命令幀的網絡目的地址NWK Dest.Address=0xFFFF，為全網廣播，UTA命令中包含的時間同步差采樣報文數(shù)量為0x64=100條。被測網絡設備的UTA接收并解析該命令后，向測試設備發(fā)送采樣并計算后的時間同步差報文。frame2為源地址NWKSrc.Address=0x0100的被測設備1發(fā)送的時間同步測試響應幀。frame3為源地址NWKSrc.Address=0x0101的被測設備2發(fā)送的時間同步響應幀。frame4為源地址NWKSrc.Address=0x0102的被測設備3發(fā)送的時間同步測試響應幀，測試響應幀包含了采樣序列號和時間同步差值信息。根據(jù)采樣序列號可判斷是否達到設定的采樣報文數(shù)量，根據(jù)時間同步差值信息可計算出時間同步精度，從而評估被測設備的時間同步能力。

測試設備在接收到網絡的時間同步測試響應幀后，上傳至測試計算機進行一致性分析，如圖5所示。測試設備上傳至測試計算機的信息包括被測設備的地址和時間同步信息，測試計算機分析軟件可以依據(jù)這些信息繪制出時間同步曲線并計算出設備的時間同步精度。

本文根據(jù)WIA-PA協(xié)議的特點和要求，給出了一種針對WIA-PA協(xié)議一致性測試的系統(tǒng)結構和測試方法，并對一致性測試所需要的測試代理軟件的功能進行了闡述和實現(xiàn)，設計出了用于LTA與UTA通信的測試協(xié)調協(xié)議及其報文格式，列出了WIA-PA協(xié)議一致性測試抽象測試集并通過數(shù)據(jù)鏈路層網絡時間同步測試例說明了WIA-PA協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一般測試過程。

[1]IEEE Standard 802.15.4-2006.Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs)[S].2006.

[2]工業(yè)無線網絡WIA規(guī)范,第1部分:用于過程自動化的WIA系統(tǒng)結構與通信規(guī)范[S].中華人民共和國國家標準,2010.

[3]ISO/IEC 9646-1 to 7,Information technology-Open systems interconnection-Conformance testing methodology and framework-Part 1 to Part 7[S].1994.

[4]Wireless HARTTM Technical Data Sheet.The official Source for HART Communication Technology[EB/OL].www.hartcomm.org.

[5]ISA100.11a Draft Standard.Wireless systems for industrial automation:Process control and related applications[S].ISA100.11a Working Group.2009.

[6]王平,易明華,王浩文,等.EPA協(xié)議一致性測試方法研究[J].自動化儀表,2006,27(10):7-10.