基于建模與仿真的Link-16協(xié)議一致性測試

田萬勇，趙露露，杜利剛，胡軍鋒

基于建模與仿真的Link-16協(xié)議一致性測試

田萬勇，趙露露，杜利剛，胡軍鋒

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

數(shù)據(jù)鏈是實現(xiàn)作戰(zhàn)單元互操作的決定性因素，作戰(zhàn)單元對協(xié)議實現(xiàn)的一致性是互操作性的基礎(chǔ)。本文針對消息協(xié)議表述易產(chǎn)生歧義和測試模型通用性不足等問題，將測試重點聚焦于語法與語義，以Link-16消息與規(guī)則為測試對象，基于建模與仿真方法構(gòu)建一致性測試模型。美軍JITC的測試案例說明，該方法可以實現(xiàn)典型語法與語義的一致性測試，擴展性較好。

數(shù)據(jù)鏈；一致性；建模與仿真

0 引言

數(shù)據(jù)鏈是一種基于標準化的消息格式和通信協(xié)議，以面向比特的方式在傳感器平臺、指控平臺以及武器平臺間實時傳輸數(shù)字化信息的戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)和體系化作戰(zhàn)的核心支撐系統(tǒng)[1]。Link-16數(shù)據(jù)鏈是美軍聯(lián)合作戰(zhàn)的主要工具，可在作戰(zhàn)成員間交換敵方目標數(shù)據(jù)、己方平臺狀況、成員位置、電子偵察/電子戰(zhàn)情報、危險警告、導航、控制與指揮引導等信息，是全面提升美軍聯(lián)合作戰(zhàn)能力的重要保障。

消息協(xié)議，又稱消息標準，是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)或設(shè)備終端所應(yīng)遵循的標準化協(xié)議和規(guī)范，以實現(xiàn)系統(tǒng)或設(shè)備級的信息交互[2]。消息協(xié)議包括消息格式、數(shù)據(jù)元素字典和通信協(xié)議等內(nèi)容，是數(shù)據(jù)鏈特有的標準[3]。Link-16消息協(xié)議涉及近百條消息和一萬多條規(guī)則，內(nèi)容繁多，應(yīng)用功能多樣。協(xié)議一致性測試是對數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的協(xié)議實現(xiàn)進行檢驗，確定是否符合消息標準的規(guī)定。通常試驗人員需要深入理解標準規(guī)范，清楚各部分之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后借鑒已有的經(jīng)驗來設(shè)計試驗想定。這種方法通常會帶來兩個問題，一是工作量非常大，耗時長，進度難以保障；二是對試驗人員要求非常高，測試用例的典型性和全面性難以保障，缺陷的漏檢率較高。此外，針對實裝設(shè)備的消息協(xié)議一致性測試通常采用人工方式進行測試用例加載和逐條測試，難以對待測裝備施加大量用例和極限應(yīng)力測試，實際應(yīng)用場景覆蓋性、數(shù)據(jù)的充分性以及測試模型擴展性難以保證。

本文首先分析了數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性測試方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，其次介紹了離散事件系統(tǒng)（Discrete Event System Specification，DEVS）模型，并基于建模與仿真理論闡述了語法與語義一致性測試方法與流程，再次以美軍聯(lián)合互操作測試司令部（Joint Interoperability Test Command，JITC）的測試案例說明了測試流程與建模方法，最后對該方法進行了分析與總結(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美軍JITC對數(shù)據(jù)鏈消息協(xié)議一致性測試方法進行了研究，旨在為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈標準的一致性測試探索出一條行之有效的道路。JITC通過將系統(tǒng)理論、建模與仿真（Modeling and Simulation，M&S）等概念應(yīng)用到一致性測試中，提高了協(xié)議一致性測試的效率和自動化水平。目前，已對航跡相關(guān)、解相關(guān)、航跡管理、報告職責、航跡質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)管理以及數(shù)據(jù)注冊等方面進行了測試，后續(xù)將對其他功能進行測試并計劃將該技術(shù)應(yīng)用于全球信息柵格的測試。

國內(nèi)相關(guān)學者在數(shù)據(jù)鏈一致性測試技術(shù)方面也開展了大量研究。文獻[4]提出了一種數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性測試平臺架構(gòu)，設(shè)計了數(shù)據(jù)鏈協(xié)議測試用例生成方法，并針對本地測試和分布式測試需求提出了數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性測試評估方法。文獻[5]闡述了數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性測試原理，提出基于因果圖的測試用例設(shè)計方法，保證測試用例的覆蓋性，可以對消息編解碼、收發(fā)與處理進行全面測試，保證各平臺消息實現(xiàn)的一致性。文獻[6]從一致性與互操作性的內(nèi)涵出發(fā)，基于統(tǒng)一的消息處理要求，闡述了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一致性與互操作性的實現(xiàn)方法和條件。文獻[7-8]基于建模與仿真方法構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈一致性和互操作性測試模型，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性和互操作性動態(tài)測試。文獻[9]從協(xié)議一致性測試的協(xié)議形式化描述技術(shù)入手，分別對協(xié)議一致性測試過程中的描述、測試序列生成、測試實現(xiàn)與執(zhí)行進行了綜合研究，闡述了其中存在的問題并給出了基本解決思路。

2 DEVS模型

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是一個由連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)，建模和仿真需要以明確、無二義的方式描述數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的動態(tài)行為特征。離散事件系統(tǒng)規(guī)范（Discrete Event System Specification，DEVS）作為一種系統(tǒng)建模與仿真的模塊化、層次化和形式化描述機制，可用于描述離散、連續(xù)以及連續(xù)和離散事件構(gòu)成的混合系統(tǒng)。DEVS從一般系統(tǒng)理論出發(fā)，提供的形式化描述可為實現(xiàn)其他基本系統(tǒng)表示的行為提供計算基礎(chǔ)[10]。

2.1 基本模型

DEVS基本模型有兩種：DEVS原子模型和DEVS耦合模型，其具體定義參見文獻[11]。其中，原子模型描述了離散事件系統(tǒng)的自治行為，包括系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換、外部輸入事件響應(yīng)和系統(tǒng)輸出等。原子模型可以通過連接形成耦合模型。耦合模型中包含多種成員，每個成員既可以是原子模型，也可以是耦合模型。

DEVS模型有兩種行為：發(fā)送消息和接收消息。這2種行為可以通過3個原子模型來表示：holdSend、waitReceive和waitNotReceive。holdSend表示在剩余時間過期之后發(fā)送消息。接收消息的行為由waitReceive和waitNotReceive這2個原子模型來表示。waitReceive表示以定義好的時間間隔等待一條消息，并通過將接收消息的值與預(yù)定義好的值相比較來確定pass-fail的條件。waitNotReceive表示不等待接收任何消息，并且使模型空閑一段預(yù)定義好的時間間隔。每個原子模型和耦合模型都有2個輸入端：start和in_Jmsg，2個輸出端：out_Jmsg和pass。DEVS原子模型與耦合模型如圖1所示。

圖1 DEVS原子模型與耦合模型

2.2 組合模型

基本模型描述了消息的輸入與輸出。如圖2所示，將基本模型按照消息輸入/輸出的邏輯順序串聯(lián)起來，構(gòu)成組合模型，該組合模型由開始端的開始事件觸發(fā)。當前一個基本模型的條件滿足時，將觸發(fā)下一個基本模型。相對于基本模型，組合模型可描述系統(tǒng)更復雜的行為。

圖2 組合模型

每一個組合模型通常代表一個測試場景。測試人員可以將一系列的組合模型級聯(lián)起來形成更復雜的測試場景。通過設(shè)計不同的基本模型與組合模型，可實現(xiàn)對不同場景下協(xié)議的充分測試。

3 測試方法與流程

本文從語法一致性和語義一致性兩方面測試Link-16協(xié)議一致性。其中，語法一致性主要測試數(shù)據(jù)鏈設(shè)備按照協(xié)議發(fā)送、接收消息并按照規(guī)定格式解析數(shù)據(jù)的能力，包括消息格式、數(shù)據(jù)元素的完整性、正確性與發(fā)送周期等方面是否與消息協(xié)議規(guī)定一致。語義一致性主要測試數(shù)據(jù)鏈設(shè)備對于交換的戰(zhàn)術(shù)信息具體含義的理解能力，即是否按照收發(fā)與處理規(guī)則正確實現(xiàn)消息協(xié)議。通過檢驗?zāi)Ｐ褪欠穹舷⑻幚砹鞒?，以及模型處理以后形成的功能和能力是否滿足消息標準，例如是否正確實現(xiàn)指控交接和航跡相關(guān)等功能。

協(xié)議一致性測試包含消息協(xié)議規(guī)則獲取組件、規(guī)則集正確性分析組件、測試模型生成組件和測試發(fā)生組件4個部分，總體架構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)Link-16數(shù)據(jù)鏈消息協(xié)議中的消息格式、信息處理流程和功能定義，語法與語義一致性測試方法如圖4所示。選擇一組測試用例，產(chǎn)生所需的激勵數(shù)據(jù)和約束數(shù)據(jù)，按順序觸發(fā)模型。執(zhí)行過程中，測試分析工具采集輸出結(jié)果，與預(yù)期結(jié)果進行比對分析，判斷測試項是否通過。測試人員可以在測試過程中設(shè)置狀態(tài)采集點，通過在狀態(tài)采集點收集相關(guān)信息對模型進行測試。

圖3 數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性測試總體架構(gòu)

圖4 消息協(xié)議一致性測試方法

本文將M&S方法與DEVS理論應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈消息協(xié)議一致性測試中，以提高數(shù)據(jù)鏈消息標準的自動化測試能力和有效性。按照圖3所示的總體架構(gòu)，協(xié)議一致性測試流程如圖5所示，主要包含以下步驟：消息處理規(guī)則分析與提取、測試用例生成、測試模型構(gòu)建和測試執(zhí)行。其中：

（1）規(guī)則分析與提取：分析數(shù)據(jù)鏈協(xié)議，提取消息處理輸入與輸出之間的對應(yīng)關(guān)系。

（2）測試用例生成：將消息的事務(wù)處理分解為一系列離散事件（Discrete Event System，DEV），建立事件之間的關(guān)系，分析消息執(zhí)行路徑，并根據(jù)路徑形成測試用例，實現(xiàn)對消息處理路徑的全部覆蓋。

（3）DEVS測試模型構(gòu)建：采用規(guī)范的方法，將測試順序轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的可執(zhí)行模型。

（4）測試執(zhí)行：利用測試模型觸發(fā)待測系統(tǒng)（System Under Test，SUT）測試行為，實現(xiàn)被測功能。

圖5 消息協(xié)議一致性測試流程

4 測試案例

基于M&S方法，美軍JITC針對Link-16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的消息協(xié)議進行了一致性測試。其中，Link-16的測試環(huán)境分為兩類：獨立式與分布式。在獨立式環(huán)境中，Link-16分別是集成架構(gòu)行為模型（Integrated Architecture Behavior Model，IABM）和空中防御系統(tǒng)集成（Air Defense System Integrator，ADSI）的子系統(tǒng)。表1總結(jié)了2種環(huán)境中Link-16功能的一致性測試結(jié)果，測試的功能分別為自動航跡相關(guān)、解相關(guān)、相關(guān)窗口大小、航跡管理、報告職責、航跡質(zhì)量和身份差異辨識。未來JITC將對更多的Link-16系統(tǒng)功能進行一致性測試。

表1 JITC的Link-16一致性測試結(jié)果

以自動航跡相關(guān)功能為例，其功能實現(xiàn)流程為：當SUT從遠端Link-16單元接收到空中航跡（J3.2），并在本地航跡的相關(guān)窗口內(nèi)時，啟動嘗試相關(guān)過程。如果接收到第二個航跡并在本地航跡相關(guān)窗口內(nèi)，則通過向遠端發(fā)送相關(guān)請求（J7.2）將其相關(guān)，并保持為通用本地航跡。如果本地航跡號大于遠端航跡號，則本地系統(tǒng)放棄自己的航跡并發(fā)出丟棄航跡通知（J7.0）；否則，遠端Link-16單元會丟棄它的航跡并發(fā)出通知。自動航跡相關(guān)流程圖如圖6所示。

圖6 自動航跡相關(guān)流程圖

自動航跡相關(guān)組合模型如圖7所示，該組合模型包含5個原子模型，分別為：waitReceive（J3.2，data1），waitReceive（J3.2，data1），holdSend（J7.2，data3），waitReceive（J7.0，data4），holdSend（J7.0，data5）。

圖7 自動航跡相關(guān)組合模型

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)鏈消息協(xié)議主要采用以文檔為中心的實現(xiàn)方式，通過大量文字和表格的形式描述，存在不全面、有歧義和變更追溯困難等問題，導致消息協(xié)議一致性測試復雜度高、任務(wù)量大和功能覆蓋難以實現(xiàn)，嚴重制約了數(shù)據(jù)鏈互操作水平的提升。協(xié)議一致性測試是協(xié)議測試中關(guān)鍵的一環(huán)，也是互操作性測試的基礎(chǔ)。針對數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性測試問題，本文將測試重點聚焦于語法與語義，即以消息與協(xié)議規(guī)則為測試對象，基于建模與仿真理論構(gòu)建測試模型。該方法可提高數(shù)據(jù)鏈消息協(xié)議測試自動化程度和通用性，降低數(shù)據(jù)鏈裝備測試復雜性和研制風險，并為數(shù)據(jù)鏈裝備互操作性測試提供指導和借鑒。

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Consistency Testing for Link-16 Protocol Based on Modeling and Simulation

TIAN Wanyong, ZHAO Lulu, DU Ligang, HU Junfeng

Data link is the determining factor to realize interoperability for combat units. The implementation consistency of protocol among combat units is the basis of interoperability. According to the problems of ambiguity of message protocol expression and lack of generality of test model, the paper focuses on syntax and semantics test. We take messages and rules of Link-16 as test objects and construct consistency model based on modeling and simulation. Experiment results of JITC show that the method can conduct consistency testing of typical syntax and semantics and has good scalability.

Data Link; Consistency; Modeling and Simulation

TN914

A

1674-7976-(2021)-04-284-05

2021-04-14。田萬勇（1982.08-），安徽含山人，博士，高級工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)鏈。本文受國防基礎(chǔ)科研計劃（JCKY2017210A001）、軍委裝備發(fā)展部技術(shù)基礎(chǔ)項目（JZX6J20191201BZ0816）支持。