（计算机科学与技术专业论文）域间路由协议bgp4健壮性测试技术的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文摘要随着计算机网络技术的蓬勃发展，i n t e m e t 已经成为全球通信的核心基础设施。协议是计算机网络中各种通信实体相互交换信息时必须遵守的一组规则，它是i n t e m e t 的灵魂。而协议中的任何错误和缺陷都将给系统的稳定性、可靠性、安全性、容错性、互通性和互操作性带来巨大的危害，面向协议错误和缺陷的健壮性研究正在成为协议工程的研究热点。b g p 协议健壮性测试研究具有重要理论意义和实际应用价值。b g p 位于i n t e m e t 的核心控制层面，是域问路由的事实标准，b g p 的脆弱性直接影响i n t e m e t 路由的稳定性。b g p协议健壮性测试取得任何突破性进展，将直接提高i n t e m e t 的可靠性和可用性。此外b g p协议具有路由协议的一般性特征，b g p 健壮性测试使用的测试方法和测试框架可以方便地推广到其他协议的健壮性测试中。本论文通过对b g p 协议组的分析，根据b g p 协议的特点、i n t e m e t 发展的新趋势和b g p面临的挑战，提出了适合于b g p 健壮性测试的测试方法和测试框架，并对其中的一些关键问题进行了研究。本论文的主要研究工作包括以下几个方面：第一，健壮性缺陷分析和分类。虽然b g p 协议标准中含有健壮性设计的内容，但是当b g p 应用到i n t e m e t 之后，面对复杂的i n t e m e t 环境还是表现出众多的健壮性缺陷。利用测试机构提供的测试数据，互联网上公布的监测信息、统计结果和b g p 失效实例，以及本实验室多年从事b g p 研究、开发和测试的文档资料，本论文详细分析了b g p 协议在设计、实现、使用和扩展等阶段可能出现的健壮性缺陷。对b g p 健壮性缺陷的分析和分类将帮助协议设计和实现工程组在以后各自的工程中不再重复这些错误，更为健壮性测试确定了测试目标，使后续工作做到有的放矢。第二，n c 的健壮性测试集合研究。b g p 协议的功能可以分成两部分：网络通信( n c ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ) 和路由信息处理( r i p r o ，r o u t i n gh l f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) 。n c的作用是为路由信息流提供稳定可靠的通信通道。b g p 协议的n c 在协议标准中使用f s m描述，该状态机实现了对等体的建立，维护t c p 连接和参数协商等功能。我们提出了基于r f s m ( r 0 b u s t l l e s sf i i l i t es t a t em a c l l i n e s l 的健壮性测试方法，该方法对f s m 的功能部分和功能保护部分进行了严格区分，对功能部分提出用c f s m ( c o r ef s m ) 描述，对功能保护部分提出使用r f s m 进行描述。本文详细地构造了b g p 的r f s m ，并提出了r f s m 的构造方法。在构造r f s m 的过程中还重点探讨了冲击集合，以及特征序列和测试预言等健壮性测试面临的新问题。该测试方法可以系统地生成b g p 协议n c 部分的反向测试集合，此外该健壮性测试方法具有通用性：对于通信协议的f s m ，都可以使用该方法构造新的r f s m ，实现健壮性测试案例的生成。第三，r i p r o 的健壮性测试集合研究。砌p r o 是路由协议软件的核心，其主要功能是路由信息的计算和路由表的更新，以及新路由信息的生成和传播。r i p m 的测试不仅具有第t 页国防科学技术大学研究生院学位论文协议测试的特点，更具有软件测试的特征。本文提出了基于场景模型的r p r o 健壮性测试方法，首先，该方法提出了适用于健壮性分析和测试的场景模型。基于该模型，r i p r o 的健壮性测试可以抽象表示成：p ( 兀，6 1 = j - ，它反映r j p m 实现在异常的参数配置、策略定义和输入数据的处理路径。然后，利用规范变异的方法，在重新定义的r j p r o 上使用本文提出的场景单元变异、表达式变异和接口变异等变异操作生成了基本关系集合，又使用搜索空间和i m e m e t 实际缺陷对基本关系集合进行了扩展。最后，给出了利用矛盾关系构造应用场景的指导性原则。该测试方法可以系统地生成b g p 协议r i p m 的反向测试集合，此外该健壮性测试方法具有通用性：对于任何具有严格定义和详细功能描述的过程，都可以使用场景模型描述该过程，通过对其关系集合的变异生成矛盾关系集合，实现面向过程的健壮性测试案例的生成。第四，错误注入的测试系统研究。健壮性测试对测试系统提出了新要求，要求测试系统能够提供精确、高速、灵活的报文发送、发送方和接收方的时间精确同步、可靠的事件捕获和多样的报文接收方式等，最重要的是该测试系统必须能够产生出测试案例所需要的异常环境、错误冲击和矛盾参数，策略等，并且测试系统能够把这些错误注入到i u t 中，并能及时捕捉i u t 对错误输入的响应，检查i u t 的健康状态等。本文提出了面向错误注入的测试系统，该测试系统具有灵活、精确的报文发送；多样、可信的报文接收；高效、强大的底层协议支持；多通道、多代理的协同能力。本课题提出的体系结构满足了健壮性测试对测试系统的要求，顺利地实现了对f u t u r e 、z c b r a 、c i s c o 、华为路由器以及自身研发的y h - a 1 i o t h 和银河风云路由器中b g p 的健壮性测试，获得了许多有价值的结论。综上所述，本论文对b g p 协议健壮性测试所进行了初步探索，取得了一定的研究成果。但是由于健壮性测试机制的复杂以及人力、实验环境等条件的限制，本课题的研究仅仅是一个起步，还有很多理论和实践的难题，有待于我们的不懈努力。关键词：计算机网络协议工程健壮性测试b g pr f s m场景模型测试系统体系结构反向测试集合第1 i 页，一，。，! ! 。，塑：些堡垄奎耋丝圣兰堡兰堡圣：垒，。一，一a b s t r a c tw i t l lt h ed e v e l o p m e mo fc o m p u t e rn e t 、v o r kt e c h n o l o g i e s i m e m e th a sb e c o m e 血ec o r e2 l o b a lc o m m u n i c a t i n gi n 丘a s t r i l c n l r e a sm es o l eo fi n t e m e t ，p r o t o c o li sm es p e c i a ls y n t a c t i ca n ds e m a i 】t i cs e to fm l e so rc o n v e n t i o n sf o re x c h a l l g i n gi n f o 砷a t i o na m o n gc o m m u n i c a t i n gd c v i c e s b u ta n yf l a w so rf 矗u l t so fp r o t o c o lw i l lb r i n gd i s a s t e rt om es 钯b i l i t y d e p e n d a b i l i t 致s e c u 慨c o n n e c t i v i t y ，i n t c m p e r a t i o no rf a u l t t o l e r a n to ft h ew h o l es y s t e m n o w a d a y s ，r e s e a r c h e r sa r ek e e no nd e s i g n i n g ，i m p l e m e n t i l l ga 1 1 dt e s t i n go f m b u s tp r o t o c 0 1 t h eb o r d e rg 砒e w a yp r o t o c o lv e r s i o n4i st h ed e f a c t os t a n d a 柑i n t e r - 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t e s t i n gc a s ec a i lb eg e n e 瑚瞳e dc o m p l c t e l y a 1 it 1 1 ea b o v ec o m p o s et h es y s t c 】= 1 1 a t i cr o b u s m e s st e s t i n ga p p r o a c h a tl 碰t h em b u s t n e s s t e s t i n gs u i to fr h l r oi sg e n e r a t e db ym ep r e s e m e da p p r o a e h f u 曲e 抽o r e ，吐d sa p p a c hb a s e do n 砌- p r oi sg e n e r a l p u r p o s em e t l l o d ，a n di tf i t sm b u s t l l e s s - t c s t i n go f a n yp r o c e d l l r ew i t hc l e a rd e f j n a 廿0 n 4 n l er o b u s t n e s s - t e s t i n gs y s t e mo fb g pr o b u s h l e s s t e s t i n gr e q u i r e st 1 1 et e s t i n gs ”t e mt o ：( 1 ) s e n dp a c k e t sa c c u r a t e l y ，q u i c k l ya i l dn e x i b l y ，( 2 ) s y n c h r o n i z em es e n d e r 删r e c e i v e r ，( 3 )c a p t l l r ee v e n t sr e l i a b l y ，a n d ( 4 ) r e c e i v ep a c k e t sw i mm u l t i p a t t e m a n dm o r ei m p o r 豳ti s 幽et e s t i n g s y s t e mm u s tc o n s 臼m c tu n e x p e c t e de n v o r i o m e m s ，g e n e r a li m p a c t sa i l dd e v i s ec o n n i c tr e l a t i o n s h i p s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e s 也ea r c l l i t e c n 】r eo ft e s t 协gs y s t e mf o rr o b u s t i l e s s t e s t i n gb g p t h et e s t j n gs y s t 锄m e e t st h er e q 谢r e m e n t s0 f 册b u s m e s s t e s m l 易a n dh a sa b n i t yt os e n dt h e s ep e r t u r b a t i o n s ，c a p t i l r et l l er e s p o n s e sa i l dc h e c kt 1 1 eh e a l m yo fi u t a p p l y i n gt 1 1 er o b u s 协e s s t e s d n gt of u t u r e z e b r a ，鲫【db g pi m p l c m e n t a t i o no fc i s c o ，h u a w e i ，y h a l i o m 觚dg f 8 5 1 6i n d i c a t e s 也a tt 1 1 i sp f a c t i c a l 把s t i n gs y s t e mc a i ld e t e c tm eb g p ss t a b i l i 霹a n dr e l i a b i l t ye f f e c t i v e l j tc a nb ec o n c l u d e d 矗o mt h ed i s s e r a t i o nt h a tt h er e 3 e a r c ho fr o b u s t n e s s - t e s t i n gt e c h n o l o g i e so fb g pi sa ni m p o r t a n ta c a d e n l i ca n dp r a c t i c a lw o r k ，b a c a u s eo ft 坨c o m p l e x i t yo ft h es y s t e ma n dt h er e s t r i c t i o no f t h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss t ma1 i m ea s p e c ti nt h er e s e a r c ho fn e t w o r ks t a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t ! ，w h i c hr e q u r e sp e r s i s t e n tp a s s i o na n dl u l r e m i t t i n gw o r ko f u s k e y w o r d s ：c o m p u t e rn e t w o r k ，p r o t o c 0 1e n g i n e e r i n g ，r o b u s t n e s s - t e s t 崦，b g p ，灯s m ，s c e n 撕om o d e l ，a r c h t c c t l 】r eo f t e s t i n gs _ y s t e m ，n e g a t i wt e s t i n gs u i t第1 v 页国防科学技术大学研究生院学位论文图】一】图l 一2图2 1图2 2图2 。3图2 4图2 5图2 6图4 1图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6图4 7图4 - 8图5 1图5 2图5 3图5 4图6 1图目录i s o9 6 4 6 一致性测试方法和框架2三、四、五、六章关系图1 3b g p 协议应用示意图1 7n e x th o p 规则( a ) 1 8n e x th o p 规则( b ) 1 9n e x th o p 规则( c ) 一1 9l o c a lp r e f 使用示意图1 9a g g r e g a t o r 使用示意图2 0b g p 状态机4 8b g p 的c f s m ，5 2长延迟冲击的r f s m 5 2无效报文冲击的r f s m 5 3连接冲突的r f s m 5 4b g p 各状态健壮性处理的总体框架5 7路由协议嵌入系统和应用环境5 8测试集合关系5 9b g p 路由更新处理过程6 6路由更新处理过程的场景模型6 8路由搜索空间框架7 3配置信息搜索空问框架回绕法和横断法图6 2 具有中心控制的远程横断测试方法图6 3 错误注入技术分类一7 38 0818 2第v 页国防科学技术大学研究生院学位论文图6 4 健壮性测试错误注入示意图8 3图6 5 测试系统体系结构8 4图6 6n d i s 网络驱动程序结构一8 6图6 7 以太网链路中报文传输示意图图6 - 8 报文在线时间的精确测量示意图图6 9 核心控制模块的控制示意图图6 一1 0 专用硬件特定报文发送流程图6 1 lm w l 平台结构图6 1 2 测试连接图图6 1 3 测试逻辑连接图e 88 99 5一9 7一9 89 91 0 2第v i 页国防科学技术大学研究生院学位论文表目录表l 一1单方测试单层协议的指导性测试集合结构表2 1表2 2表2 3表3 1表3 2表3 3表3 4表4 1表4 2表4 3表4 4表4 5表4 6表4 7表4 8表4 9表5 1表5 2表5 3表5 4表5 5b g p 属性分类b g pn o t i f i c a t i o n 报文差错编码b g pn o t i f i c a t i o n 报文错误子码一1 7一2 1b g p 设计的健壮性缺陷3 2b g p 实现的健壮性缺陷3 7b g p 使用的健壮性缺陷3 9b g p 扩展的健壮性缺陷4 3c f s m 构造算法5 l无效报文r f s m 的迁移函数5 3连接冲突r f s m 的迁移函数5 4构建r f s m 算法5 4d r a r i e t f _ i d r _ b g p 4 1 8 定义的事件集合5 5构造冲击特征序列算法5 9构造健壮性测试序列算法6 0错误处理案例与反向测试对比6 2正向测试与反向测试检错能力对比6 2b g p 路由信息库6 6最佳路由选择过程比较6 6产生路由畸形的配置矛盾关系7 4a n v l 和场景模型生成的反向测试集合7 7正向和反向测试的检错能力对比7 7表6 1m a c 报文格式第v i i 页国防科学技术大学研究生院学位论文表6 - 2u p d a t e 报文撤销路由的数据结构9 2表6 3c o r l t c x tb l o c k 的数据结构表6 4 配置文件实例表d 一1b g p 状态机的状态集合和事件集合表表d 2b g p 状态机的迁移表一表d 3b g p 状态机的触发事件和状态迁移表表e 一1使用e x p e c t 脚本配置静态路由9 39 91 2 8一1 2 8一1 2 9独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均巳在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题日：缝粗墅直垃送g g 坠! 熊挂挂型遗挂盎煎盈盔学位论文作者签名：堇乐垂日期：2 即，年口尹月2 7 日学位论文版权使用授权书本入完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：蕉回整直接达! ! = ! 健挂蛙捌达拉盛盟煎蕉学位论文作者签名：墨象砻一作者指导教师签名弛日期：矽厂年一宁月二7 日慨如产鼋勇z 国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论1 1 问题的提出1 1 1 研究背景随着计算机网络技术的蓬勃发展，新的计算机网络和网络应用同新月异，层出不穷。电子商务、视频点播、远程教育和远程医疗等网络应用将数据、文字、语音、图像和视频集成在一起在高速计算机网络上传输，i n t e m e t 已经成为全球通信的核心基础设施。世界上许多著名的计算机专家都预测，二十一世纪的计算机用户将置身于一个网络化的环境中，在计算机网络中将实现真实世界和虚拟世界的映射。计算机通讯、计算机网络、多机系统等分布系统的灵魂是l 删络协议。所谓协议( p r o t o c 0 1 )是指计算机网络和分布式系统中各种通信实体或进程问相互交换信息时必须遵守的一组规则。为了使各种各样的计算机系统方便可靠地相互连接通信，并且提供高效率的分布式应用服务，国际标准化组织i s o 提出了开放系统互连i s 0 肥s i 参考模型1 2 1 ，目的是统一国际上计算机网络和分布式系统的体系结构及其相应协议的标准。目前以t c p i p 协议为核心的i n t e m e t 己经成为计算机网络的工业标准。随着计算机网络和分布式系统的发展，使得协议日趋复杂。协议复杂性的提高不仅意味着开发难度大、周期长、而且潜在错误多。而协议设计和实现中任何错误和缺陷都将给系统的稳定性、可靠性、健壮性、安全性、容错性、互通性和互操作性带来巨大的危害。为了减少协议开发中潜在的错误，提高协议开发效率，促进协议标准化的发展，诞生了一令重要的研究领域，叫做协议工程f 3 1 。协议工程试图将一体化( i n t e g r a t e d ) 和形式化( f o n a l )的理论和技术应用到协议开发中。其研究范围包括协议的设计与描述、协议验证与分析、协议实现和协议测试等领域。其中协议测试是协议工程中难度最大，实现最困难的研究课题，引起了人们广泛关注和兴趣【4 ”。协议测试包括协议的一致性测试、互操作性测试、性能测试和健壮性测试例。 一致性测试：致性测试是依据协议描述对协议实现进行测试，榆测被测系统中的协议实现i u t ( i m p l e m e n t a t i o nu n d e rt c s t ) 是否严格遵守相应的协议描述。互操作性测试：互操作性测试是检测不同的协议实现之间是否能够成功可靠地进行通信交互的测试类型，其重点是测试协议实现之间互操作的能力。性能测试：性能特性通常建立在功能测试的基础上，着重关注于协议实现的性能第1 页国防科学技术大学研究生院学位论文参数，包括吞吐量、传输延迟、抖动等，并以此对系统做出正确的性能评价。健壮性测试：健壮性性测试主要监测协议实体或者系统在恶劣环境下正常运行和错误恢复的能力。其中一致性测试是其他几种测试的基础，只有保证协议实现与标准的一致性，才能进行下一步的互操作性、性能以及健壮性测试。近年来，协议一致性测试技术得到了很好的发展和完善，国际标准化组织已经提出了协议一致性测试的标准。1 1 2 一致性测试协议的制定、验证以及测试一直是标准化组织关心的问题，国际标准化组织( i s o )制定了针对o s i 模型的协议一致性测试方法和框架的标准一i s 0 9 6 4 6 1 2 18 1 。这七个文档在协议一致性过程中分别所处的位置可由图1 1 清晰描述：。产罾。一li w l e m n lc o n f b 臻a n c e孰甜e _ 盯n i( p n7 ，t e g ts p e c i f i 口t e s tl l e a l i z 盯c l i c n t 如dt e s tl a b o r a t o r yp r o f i i ed e f i n i n g图1 1i s o9 6 4 6 一致性测试方法和框架协议的一致性测试依据协议标准对协议的实现进行测试，即依据协议规范，测试设备向i u t 发送测试数据报文，根据i u t 做出的响应，判断i u t 实现是否符合协议规范要求。由于协议规范的编写主要是对整个协议的正确形式，及其正确行为进行描述；对复杂、开放式的网络环境，以及如何处理网络错误或异常条件没有说明，或说明较少，因此协议的第2 页怒等阡雎。国防科学技术大学研究生院学位论文。一致性测试只停留在对协议正确行为的测试上。目前在协议测试领域出现了以下的尴尬局面：一一方面实际应用急需能够对协议进行全面测试的测试集合，另一方面一致性测试却仅对协议进行正常行为测试。基于以上的原因，越来越多地研究开始转向对协议实现特定属性的测试，其中互操作测试重点验证实现实体的互操作特性，性能测试主要验证实现实体的性能指标，而协议实现对异常事件处理能力的验证则留给健壮性测试。1 1 3 协议健壮性测试协议的健壮性是指协议在无效数据输入、异常事件发生时或者在高强度输入环境下，其各项功能保持正确运行的能力 1 9 。本课题将协议的健壮性分为协议设计的健壮性和协议实现的健壮性。健壮性设计是指协议规范中设计了健壮性保护的内容，它是保证协议健壮性的基础。健壮性实现是指协议实现者依据协议规范实现协议实体时，充分考虑该实体在未来的应用环境下所要面临的各种情况，实现中增加了严格的保护性措施。健壮协议实现应用到复杂系统后，可以在恶劣环境下为上层应用提供稳定可靠的服务。网络协议设计和实现中存在以下现实：协议设计中并没有专门章节对无效输入、异常事件和高强度输入的处理进行强制规定。而i n t e m e t 协议的健壮性原则【2 0 】却是“宽以待人，严以律己”，它要求协议实现要宽容地接收外部信息，同时对自身发出信息要谨慎和严格。因此在网络健壮性领域的矛盾显现出来，一方面没有健壮性处理的标准可以遵守，另一方面协议实体的健壮性在开放式的i n t e m e t 上却面临严峻挑战。目前协议实体的健壮能力完全由协议实现者的水平决定。例如，t c p 口网络的各种协议对错误码有明确定义，但怎样处理错误就规定很少。i p 协议1 明确指出，协议实现者决定i p 网络健壮性；i p 协议文本只描述什么是正确的报文和如何处理正确的报文，i c m p 【2 2 】协议文本只描述i c m p 错误报文的定义，错误处理留给协议实现者去完成。在协议测试领域，人们很早就认识到健壮性测试的重要性，在早期的协议测试研究中都把健壮性作为测试的重要内容。例如，i s o9 6 4 6 中给出了单方测试单层协议的测试集合结构( 由表1 1 列出) ，该指导性的测试集合结构中有一半以上的测试案例是健壮性测试的内容。表1 - 1 单方测试单层协议的指导性测试集合结构单方测试单层协议的指导性测试集合结构a 能力测试a 1 必须实现的能力溅试a 2 可选实现的能力测试b i u t 对合法行为的响应( 测试序歹n 以及澳4 试数据根据协议规范是合法的( v 8 t i d ) )b 1 注重于向i u t 发送什么第3 页国防科学技术大学研究生院学位论文b j i 连接建立阶段b j 。j i 每个状态t 改变溉试事件b1 j 。2 改变定时时钟之值b i ! 3 改变单个协议参数值b i ji 4 改变p d u 编码之值b 1 j i 5 多个参数值的组合改变b 1 2 注重于扶l u t 接收什么( 类同f b i i ，略)b 。1 3 注重于si u t 的交换( 类囝于b i 1 咯)b 2 数据传输阶段( 类同f b i 路)b 3 连接释放酚段( 类同于b 1 。略)c i u t 对语法上不舍法行为的响应( 溺试序确所根据的协议规范是合法的，但是测试数据是非法的( 舯a 1 d ) )c i 联接建立阶段c 1 1 注重于向i u t 发送什么c 1 1 1 每个状态一f 改变测试事件c 1 1 2 改变p d u 编码之值c j i 3 改变单个协议参数值c 1 j4 多个协议参数值的组合改变c 1 2 注重f 请求i u t 发送什么c 。1 2 i 单个不合法参数值c ? j22 多个不合法参数值的组合c 2 数据传输阶段( 类同f c 1 略)c 3 连接释放阶段( 类同于c i ，略)di u t 对不合适事件的响应( 不合适( i n o p p o r t 硼e ) 事件为异常事件，对协议规范来说它是不合法的)第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文d 1 联接建立阶段d i ? l 注重于向j u t 发送什么d 1 1 i 每个状态下改变灏试事件d 1 1 2 改变定时时钟之擅d 1 1 3 改变单个协议参数值d i i ? 4 改变p d u 编码之值d j 1 。5 多个参数值的组合改变d 。1 2 注重于请求i u t 发送什么( 类同于d 1 j 略)d 2 数据传输阶段( 类同于d 1 。略)d 3 连接释放阶段( 类同于d j ，略)尽管该指导性的测试集合不能包含全部的测试内容，但是从中可以窥见全面测试的大体结构。而目前广泛使用的协议一致性测试，由于它是协议标准的忠实体现，所以测试集合中的c ，d 部分在一致性测试集合中很少涉及，或案例很少，而这些测试案例恰恰反映了l u t 在异常和恶劣环境中的行为表现，是全面测试协议实现不可缺少的重要内容。健壮性测试恰恰弥补了一致性测试对以上c 和d 部分测试薄弱的不足，此外健壮性测试还包含对网络特性、协议的应用环境以及上厂f 层服务能力