（计算机系统结构专业论文）移动ipv6协议测试研究与实践.pdf

摘要 i p v 6 是下一代互联网协议，是为解决口v 4 面临的地址不足、路由表膨胀等问题而 提出的。在解决这些问题的基础上，i t n , 6 重点考虑了移动问题，其中定义的许多特性 就是专门针对解决移动问题而提出的，基于移动p v 6 的移动互联网将是未来网络的发 展方向之一。测试是伴随着新技术的出现而产生的，新技术测试系统的出现又是该项技 术发展成熟的标志和推动此技术进一步发展的重要因素。移动i p v 6 协议目前正处在不 断发展的阶段，新技术不断被提出、新实现不断被开发出来。随着支持移动p v 6 的网 络产品日益增加，各实现与协议标准不一致的问题也日益严峻，对移动i p v 6 实现进行 一致性测试的需求也越来越强烈。开展移动i p v 6 协议一致性测试研究和实践具有重要 的理论和现实意义。 在现实需求的驱动下，本文对移动毋、r 6 协议和一致性测试技术进行了全面深入的 分析，对适用于移动m v 6 协议的测试技术进行了深入的研究。本文详细介绍和分析了 移动m v 6 协议，分析了i s o9 6 4 6 定义的标准测试框架用于移动i p v 6 测试的不适宜性， 在此基础上提出移动i p v 6 测试框架，其中自定义了一种测试数据包描述格式，采用测 试描述法和执行系统互动的方式解决了测试中复杂计算的实现问题；提出了网络接口和 通信实体相结合的计算机网络协议测试传输方法；提出环境辅助测试方法，简化了测试 设计工作；提出层次化协议描述方法，解决了测试生成问题。根据本文提出的理论和方 法，设计了完整的移动i p v 6 测试集和测试系统，并集成到商用的i p v 6 测试仪表中，通 过对具体协议实现的测试验证了本文提出的理论和方法的有效性。 论文的创造性工作主要体现在阻下几个方面： 提出移动i p v 6 测试框架。在分析移动i p v 6 特点和测试需求的基础上，指出i s o 9 6 4 6 中定义的标准测试框架在测试数据描述、复杂计算实现等方面不适合移动 i p v 6 测试。本文提出一种新的测试框架，其中自定义了一种测试数据包描述格 式；打破了标准测试框架中测试集和执行系统相互独立的特征，采用测试描述 法和执行系统互动的方式实现复杂计算。测试数据包描述格式可用于所有具备 结构化特征测试数据的描述，测试框架可用于所有包含复杂计算过程协议的一 致陛测试。 2 提出计算机网络协议测试传输方法。移动i p v 6 实现可能运行在多种不同介质 之上，传输方法在移动i p v 6 测试中十分重要。根据测试设计和测试传输分离 的思想，本文提出网络接口和通信实体相结合的测试传输方法。采用网络接口 摘要 向测试集设计者屏蔽与测试传输有关的内容，并且使得系统的并发测试能力与 硬件资源无关。 3 提出环境辅助测试方法。单纯的主动测试方法或者被动测试方法用于移动i p v 6 测试都存在不足之处，借鉴这两者的特点，本文提出环境辅助测试方法。通过 辅助测试环境能够使被测试系统自动获得特定信息或者运行到特定状态，简化 准备阶段的测试行为，同时能够对被测试系统进行有针对性地测试。 4 提出层次化协议描述和测试生成方法。移动i p v 6 协议是一种离散协议，不能 够对协议整体进行形式化描述。本文提出层次化协议描述方法，分四个层次对 移动i p v 6 协议进行描述，分别对协议运行流程、协议节点类型、内部数据结 构处理、离散功能进行了形式化描述，定义了有限状态机和多节点有限状态机 模型，设计了针对有向图的测试序列集生成算法，得到了针对整个移动i p v 6 协议的可验证测试序列集。 5 基于以上各项研究，设计了完整的移动i p v 6 协议测试集、设计开发了测试系 统，并集成到商用的i p v 6 测试仪表中。通过对l i n u x 平台上的移动i p v 6 实现 进行实际测试，发现了该实现的一些问题，同时验证了本文提出的理论和方法 的有效性。 关键词：移动珏6 ，协议测试，测试框架，测试传输，测试方法，测试生成 a b s t r a c t i p v 6i st h en e x tg e n e r m i o ni n t e m e tp r o t o c o l ，w h i c hi sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m s t h a tp v 4i sf a c e dw i t h m o b i l i t yi so n eo ft h em o s ta t t r a c t i v ef u n c t i o n si n i p v 6 m a n y f e a t u r e sa r ed e f i n e di ni p v 6i no r d e rt oi m p l e m e n tm o b i l i t y m o b i l ei n t e m e ti so n eo ft h e d i r e c t i o nt o w a r d sw h i c hn e t w o r kw i l lt e n di nt h e f u t u r e t e s t i n gc o m e s i n t ob e i n g d u r i n gn e w t e c h n i q u ep r o p o s e d b e f o r ean e wt e c h n i q u eb e c o m e sm a t u r e ，t h er e l e v a n t t e s t t e c h n i q u e m u s th a v eb e e nm a t u r e m o b i l ei p v 6i si ni t sg r o w i n gs t a g e ，i nw h i c hn e wt e c h n i q u e sa r e p r o p o s e da n d n e w i m p l e m e n t a t i o n sa r ed e v e l o p e d v e n d o r s h a v e b e g u n t oi m p l e m e n tm o b i l e i p v 6i n t ot h e i rn e t w o r kd e v i c e s h o w e v e r , d u et oh u m a ne r r o r s ，ap r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n m a y n o tb e h a v e 船s p e c i f i e d t h u s c o n f o r m a n c et e s t i n gi su s e dt oe n s u r et h ec o n s i s t e n c y b e t w e e na p r o t o c o ls t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n a n di t si m p l e m e n t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e s m o b i l ei p v 6 p r o t o c o l i nd e t a i la n d s u r v e y s t h er e c e n t d e v e l o p m e n ti nt h es t a t e o f - t h e - a r to fp r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n g ，b a s i n go nw h i c ht e s t t e c h n i q u e sf o r m o b i l ei p v 6a r er e s e a r c h e d t h es t a n d a r dt e s tf r a m e w o r k , d e f i n e di ni s o9 6 4 6 c a n tm e e tm o b i l ep v 6t e s tr e q u i r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e si t s e l f t ot e s tt e c i m i q u e sf o r m o b i l ei p v 6t e s t i n g , i n c l u d i n gt e s tf r a m e w o r k , t e s tt r a n s p o r t ，t e s tm e t h o da n dt e s tg e n e r a t i o n a l s om o b i l ei p v 6 t e s t i n gi sp r a c t i c e do n s o m e i m p l e m e n t a i o n t h em a i nc r e a t i v i t i e so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ee x p l a i n e da sf o l l o w s ： 1 m o b i l ei p v 6t e s tf r a m e w o r k i s 09 6 4 6d e f i n e st h es t a n d a r dt e s tf r a m e w o r k t h e r e a r et w o d i f f i c u l i t i e s ，t e s t p a c k e t sd e s c r i p t i o n a n d c o m p l i c a t e da l g o r i t h m i m p l e m e n t a t i o n ，t oa p p l ys t a n d a r dt e s tf r a m e w o r kt om o b i l ei p v 6t e s t i n g + m o b i l e i p v 6t e s tf r a m e w o r ki s p r o p o s e d ，i nw h i c ht h et e s tp a c k e t sd e s c r i p t i o nn o t a t i o n ( t p d n ) i sd e f i n e df o ri p v 6t e s tp a c k e t sd e s c r i p t i o n c o m p l i c a t e da l g o r i t h m si n m o b i l ei p v 6a r ei m p l e m e n t e di nt e s ts y s t e mb yh i g h l e v e lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t e s ts u i t ec i t e sc a l c u l a t i n gm o d u l e sb ya l g o r i t h mp r o p e r t y a l g o r i t h mp r o p e r t yi s s p e c i f i e db ya l g o r i t h mn a m e ，i n p u tp a r a m e t e r sa n do u t p u tp a r a m e t e r s m o b i l ei p v 6 t e s tf r a m e w o r kc a na l s eb ea p p l i e dt oo t h e rp r o t o c o lt e s t i n gt h a th a sp a c k e t sw i t h s t r u c t u r a lf e a t u r e sa n d c o m p l i c a t e da l g o r i t h m s 2 c o m p u t e rn e t w o r kp r o t o c o l t e s tt r a n s p o r tm e t h o d i nc o n f o r m a n c et e s t i n g ，t e s t d e s i g na n dt e s tt r a n s p o r ts h o u l ds e p a r a t e an e w t e s tt r a n s p o r tm e t h o di sp r o p o s e d ， i i i - a b s t r a c t i nw h i c hn e t w o r ki n t e r f a e ea n dc o m m u n i c a t i o ne n t i t ya r ed e f i n e d t i l i sm e t h o d s h i e l d st h et y p eo fl o w e r l a y e rp r o t o c o lt y p et ot e s ts u i t ed e s i g n e r s n ep e r s o nt h a t w a n t st op e r f o r mt e s t i n gn e e d n tc o n f i g u r em o r e m a n u a l l y b e f o r et e s t i n g b y s e t t i n g a p p r o p r i a t ei d e n t i f i e ri n f o r m a t i o ni nt h eo b j e c to f n e t w o r ki n t e r f a c e ，t h ec o n c u r r e n t t e s tc a p a b i l i t yo f t e s ts y s t e mi si n d e p e n d e n t o f s y s t e mc o n f i g u r a t i o n 3 。e n v i r o n m e n t - a i d e dt e s tm e t h o d s i n g l ea c t i v eo rp a s s i v et e s tm e t h o da p p l y i n gt o m o b i l ei p v 6t e s t i n gr e s u l t si nl o we f f i c i e n c y b a s i n go nt h ei d e a so fa c t i v ea n d p a s s i v e ，e n v i r o n m e n t - a i d e dt e s tm e t h o di sp r o p o s e d a s s i s t a n tt e s te n v i r o n m e n ti s b u i l t ，i nw h i c ht h es y s t e mu n d e rt e s tc a ng a i ns o m es p e c i a li n f o r m a t i o no rd mt o s o m e s p e c i a l s t a t e a u t o m a t i c a i l y a s s i s t a n t t e s te n v i r o n m e n t s i m p l i f i e s t e s t p r e p a r a t i v es t a g e a n da l s o a c t i v et e s ti su s e di nt e s tc h e c ks t a g e c o m p a r e dt o a c t i v et e s tm e t h o d ，e n v i r o n m e n t a i d e dt e s tm e t h o dh a sa d v a n t a g e si nt h en u m b e ro f t e s t o r s ，t e s tb e h a v i o r s ，s e n d i n g ( t u n n e l ) p a c k e t sa n dr e c e i v i n g ( t u n n e l ) p a c k e t s e n v i r o n m e n t a i d e dt e s tm e t h o dh a st h eg a m et e s tc a p a b i l i t ya sa c t i v et e s tm e t h o d 4 h i e r a r c h yp r o t o c o ld e s c r i p t i o na n dt e s tg e n r a t i o n f o r m a lt e c h n i q u ei st h et h e o r y f o u n d a t i o no ft e s tg e n e r a t i o n m o b i l e 妒v 6i sad i s c r e t ep r o t o c 0 1 w h i c hm a k e si t d i f f i c u l tt od e s c r i b et h ew h o l ep r o t o c o lb yf o r m a lt e c h n i q u e h i e r a r c h yp r o t o c o l d e s c r i p t i o ni sp r o p o s e d ，i nw h i c h m o b i l ei p v 6p r o t o c o li sd i v i d e di n t of o u rl a y e r s f i n i t es t a t em o d e la n dm u l t i n o d ef i n i t es t a t em o d e la r ed e f i n e dt od e s c r i b ep r o t o c o l p e r f o r m i n gp r o c e d u r e ，m o b i l ed v 6n o d e s ，i n t e r n a ld a t as t r u c t u r em a n a g e m e n ta n d d i s c r e t ef u n c t i o n s t h es t a t eg o t og r a p h e sa , r ec h a n g e di n t od i r e c t e dg r a p h t e s t g e n e r a t i o na l g o r i t h mf o rd i r e c t e dg r a p hi sd e s i g n e da n dt h es e to ft e s ts e q u e n c e c o v e r i n g m o b i l e 口v 6i sg e n e r a t e d 5 m o b i l e 口v 6t e s tp r a c t i c e m o b i l e 邛6t e s ts u i t ei sd e s i g n e da n dt e s ts y s t e mi s d e v e l o p e d w h i c hi si n t e g r a t e di n t o 疋v 6t e s tm e t e r i n t e r w a t c h o n em o b i l el p v 6 i m p l e m e n t i o no nl i n u xi st e s t e da n dm a n yi m p l e m e n t a t i o ne r r o r sa l ef o u n d t e s t p r a c t i c e d e m o n s t r a t e st h ee f f e c t i v e n e s sa n d e f f i c i e n c y o fp r o d u c t i o n si nt h i s d i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，p r o t o c o lt c s t i n g ，t e s tf r a m e w o r k ，t e s tt r a n s p o r t ，t e s tm e t h o d , t e s tg e n e r a t i o n - 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。就我所知，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或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：万宅层鲁+ 日期：口曲印、7 、7 关于论文使用授权的说明 中国科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其它复制手段保存该论文。 作者签名：万玩幺孚导师签名 期：钝佃钐7 j 7 第一章引言 第一章引言 1 1 开展本课题研究的意义 测试是伴随着新技术的出现而产生的，新技术测试系统的出现又是该项技术发展成 熟的标志和推动此技术进一步发展的重要因素。当一种新技术刚刚出现时，测试系统、 评估系统的作用并不明显，而一旦这种技术转化成产品，并且多个厂家同时生产这种产 品，测试系统就变得越来越重要了。随着网络设备走向成熟和市场竞争日益激烈，设备 测试提供的客观、完整、精确的数据不仅成为各公司研制高性价比产品的主要依据，也 是各公司占据高端市场和获得高利润的重要支持手段 w g b x 0 2 1 。测试对保证协议实现 与协议标准相一致、并进而保证不同的协议实现之间能够互操作起着至关重要的作用。 考虑到复杂性和成本等方面的问题，一致性测试以其测试准确、测试结果可比较、测试 覆盖程度高、代价小等优点在目前的协议测试领域占据主导地位。 i p v 6 作为下一代互联网协议正在不断完善和走向实用。当前，与i p v 6 相关的协议 和应用不断被提出，其中移动n v 6 以其支持节点移动性的优势引起了人们的极大重视。 支持移动t p v 6 的设备在不断增加，同时协议实现与协议标准不一致的问题也日益严重， 为了最大程度地保证协议实现与协议标准相一致、并进而保证不同的协议实现之间能够 互操作，就需要对协议实现进行测试。本文以移动i p v 6 测试为着眼点，研究测试框架、 测试传输、测试方法、测试生成等方面的内容，并进而实现、实践移动i p v 6 测试，具 有重要的理论和现实意义。 1 1 1 研究移动i p v 6 协议测试的必要性 在移动i p v 6 发展的现阶段，研究针对移动i p v 6 协议的测试理论和测试方法、并进 行测试实践具有以下几个方面的必要性： 当前国际国内都开始致力于i p v 6 测试，不仅可以利用理论结果深入分析下一代 互联网的问题，而且可以将理论直接应用于实践，提供具体有效的测试服务： 移动i p v 6 协议目前正处在不断完善的阶段，研究针对移动i p v 6 协议的测试技 术将为我们跟踪和研究移动i p v 6 技术、保证未来移动口v 6 网络的可靠运行提 供有力的保证： 移动 p v 6 网络是一个分布式的、异构的、结构和行为都非常复杂的系统，现有 测试技术不能够完全满足移动口v 6 协议的测试需求，需要对测试理论、方法和 技术进行进一步的探索和研究，才能有效的解决移动i p v 6 的测试问题。 中国科学院博士学位论文一移动i p v 6 协议测试研究与实践 1 1 2 测试对促进移动i p v 6 协议完善和走向实用具有重要意义 目前国内外众多厂商都在开发各种支持i p v 6 的设备，这些设备在开发阶段和投入 使用前都需要经过严格的测试，这种需求无疑对p v 6 测试的发展提供了巨大市场。同 时，我国目前在网络工程的建设中无论软件还是硬件绝大部分都是直接引进国外的现有 产品，缺乏严格测试就无法保证所选用的产品遵循国际标准，同时产品的安全性和可靠 性也得不到保障，给网络的正常运行带来极大隐患，直接影响到我国现代化通信事业的 健康发展，而协议测试正是解决这些问题的关键。移动p v 6 作为下一代巨联网协议中 最吸引人的部分之一，深受各研究部门和网络生产厂家的青睐，各种支持移动i p v 6 的 网络设备陆续推出，各种实现与协议标准之间不一致的问题也日益严重，已经影响到对 移动p v 6 的进一步完善和应用。对协议实现进行及时测试可以尽早发现网络设备的不 足、尽快完善移动i p v 6 协议的研究，进而推动i p v 6 早日走向实用阶段。 1 1 3 协议测试是协议工程领域的重要研究方向之一 当前协议工程领域的研究取得了很大进展，对计算机网络研究给予了理论上的指导 和技术上的支持。协议测试是协议工程领域的一个重要研究方向，协议测试产生的原因 在于一个标准的协议并不能确保该协议的实现之间能够成功地进行通信，因为协议标准 基本上是使用自然语言描述的，实现者对于协议标准的不同理解会导致不同的协议实 现，甚至有时会是错误实现，因此需要一种有效的方法来对协议实现进行判别，这便是 协议测试。协议测试是在软件测试的基础上发展起来的，采用黑盒测试的方式，依据协 议标准来控制、观察被测试协议实现的外部行为，对被测协议实现进行判定。 作为一种新的协议，i p v 6 在数据流特性、行为特性、安全性、移动性等方面采用 了新的技术，对测试技术也提出了新的需求，研究与i p v 6 有关的测试理论和测试方法 能够丰富协议工程领域的研究成果。 1 2本论文的创新性和主要工作概述 本文作者在博士期间研究工作的重点是：围绕移动i p v 6 测试这个主题，在分析移 动i p v 6 协议特点和测试需求的基础上，研究可适用于移动i p v 6 的一致性测试框架；适 合移动球v 6 的测试传输方法；能够准确、高效地进行测试的测试方法；协议描述和测 试生成方法。在此基础上，实现实用化的移动i p v 6 测试系统，设计移动i p v 6 测试集， 通过测试实践验证测试系统和测试集的有效性。在攻读博士学位期间，作者的主要研究 工作集中在以下几个方面： 第一章引言 ( 1 ) 对一致性测试研究领域进行了综述 从一致性测试研究领域的产生、发展和研究现状等方面对协议测试进行了较为详细 的分析。概述了一致性测试的概念和由来，理顺了一致性测试的过程；介绍了现行的测 试描述方法和测试执行方法，分析了选择、设计测试描述法的原则；讨论了测试方法， 指出远程测试法及其扩展方法对所有的端系统测试均具有现实意义；对测试生成技术进 行了综合分析，从基于状态机模型的测试生成、基于形式描述技术的测试生成、基于外 部行为描述e b e 的测试生成等方面对现行的测试生成技术进行了分析，对测试序列到 抽象测试集的转换进行了说明。对一致性测试研究领域的综述为移动p v 6 测试的研究 与实践打下了丰富的理论基础。 ( 2 ) 移动i p v 6 测试框架的研究 从测试的角度对移动i p v 6 进行了详细分析，对移动i p v 6 协议的运行流程进行了较 为详细的描述，对移动口v 6 的测试需求进行了分析，对当前国际、国内移动p v 6 测试 的研究现状进行了总结，发现当前在移动i p v 6 测试方面还存在许多不完善的地方，有 必要全面开展移动i p v 6 测试的研究和实践工作。通过分析移动i p v 6 特点和测试需求， 指出国际标准i s o9 6 4 6 定义的一致性测试框架在测试数据描述、复杂计算实现、测试 传输等方面不适合移动i p v 6 测试。本文提出移动p v 6 测试框架。测试框架中自定义了 一种测试数据包描述格式，可用于所有具有结构化特征测试数据的描述。测试框架中采 用测试描述法和执行系统互动的方式实现复杂计算，打破了标准测试框架中测试集和执 行系统相互独立的特征，把计算过程内嵌到执行系统中，这种方法可实现测试中需要的 任意复杂的计算过程。对于测试传输问题，提出了网络接口和通信实体相结合的计算机 网络协议测试传输方法，采用网络接口向测试集设计者屏蔽与测试传输有关的内容，并 且使得系统的并发测试能力与硬件资源无关。 ( 3 ) 移动i p v 6 测试方法的研究 现有的测试方法可分为两类：主动测试方法和被动测试方法。在分析主动测试方法 和被动测试方法的特征和应用环境后，指出单纯的主动或者被动测试方法应用于移动 i p v 6 测试都会存在不足：移动i p v 6 测试执行过程中准备阶段太复杂，采用主动测试方 法的测试序列太长；被动测试方法不能够有针对性地对某一目的进行测试。借鉴主动和 被动测试的优点，本文提出环境辅助测试方法，通过辅助测试环境能够使被测试系统自 动获得特定信息或者运行到特定状态，简化了准备阶段的测试行为，同时能够对被测实 - ， 中国科学院博士学位论文一移动i p v 6 协议测试研究与实践 现进行有针对性地测试。通过一个具体例子详细说明了环境辅助测试方法的应用过程， 通过与主动测试方法进行比较说明了环境辅助测试方法的优点，详细讨论了环境辅助测 试方法在移动v 6 测试中的应用。 ( 4 ) 移动i p v 6 协议描述和测试生成的研究 形式化技术是可验证测试生成的基础。移动i p v 6 协议标准采用自然语言描述，整 个协议不存在一个完整的状态机，这为协议的形式化描述和测试生成带来了困难。本文 提出层次化协议描述和测试生成方法，把协议分成四个层次，分别进行描述。第一个层 次：把整个移动i p v 6 网络看作一个封闭的系统，对协议运行流程进行了形式化描述， 这个层次是为了使测试集能够覆盖协议运行的所有可能情况；第二个层次：从被测试主 体的角度，分别对移动节点、家乡代理、通信节点的运行进行了形式化描述，这个层次 描述了各种类型节点的正常行为流程；第三个层次：对移动坤v 6 标准中定义的各种内 部数据结构的处理过程进行了形式化描述，这个层次更多她强调了对协议实现内部处理 细节的测试；第四个层次：从测试的角度分析了移动口v 6 标准中定义的离散功能，这 个层次可以覆盖无法进行形式化描述的功能。本文提出用于描述协议的有限状态机和多 节点有限状态机模型，设计了基于有向图的测试序列集生成算法；把描述移动i p v 6 协 议的有限状态机转化为有向图，应用测试序列集生成算法，得到了针对各个状态机的测 试序列集，这些测试序列集是设计移动i p v 6 测试集的基础。 ( 5 ) 移动i p v 6 测试实现和实践 根据本文在测试框架、测试方法、测试生成方面的研究成果，实现并实践了移动i p v 6 测试。采用移动i p v 6 测试框架，定义了测试数据包描述格式，设计开发了测试系统， 其中实现了网络接口和通信实体相结合的测试传输方法：采用本文生成的测试序列和环 境辅助测试方法，设计了完整的移动i p v 6 测试集。测试系统和测试集都已经集成到了 商用的i p v 6 测试仪表中。对l i n u x 平台上的移动坤v 6 实现进行了实际测试，得到了一 系列有价值的结论，同时验证了本文研究成果的有效性。 1 3论文的整体结构和章节安排 本论文的其余部分可分为八章。 第二章对一致性测试研究领域进行了综述，重点从测试过程、测试描述、测试方法、 测试生成等几个角度对协议测试领域进行了分析。 第三章从测试的角度对移动妒v 6 协议进行了分析，分别给出了家乡代理、移动节 第一章引言 点、通信节点的测试需求。 第四、五章对移动i p v 6 测试框架进行了研究。第四章提出测试数据包描述格式 t p d n ，提出测试描述法和执行系统互动实现复杂计算的方法；第五章提出网络接口和 通信实体结合的计算机网络协议测试传输方法。 第六章借鉴主动测试方法和被动测试方法的优点，提出了适用于移动i p v 6 测试的 环境辅助测试方法。 第七章解决了协议描述和测试生成问题，从四个层次对移动i p v 6 协议进行了形式 化描述，设计了针对有向图的测试序列集生成算法，得到了针对移动i p v 6 协议的测试 序列集。 第八章根据本文的研究成果实现了测试系统、设计了测试集，并通过对具体协议实 现的测试验证了这些研究成果的有效性。 第九章是结束语和对下一步研究工作的展望。 第二章协议一致性测试理论与实践 第二章协议一致性测试理论与实践 本章对一致性测试研究领域进行了综述，从一致性测试研究领域的产生、发展和研 究现状等方面进行了较为详细的分析和说明。第1 节介绍了一致性测试的概念和由来： 第2 节理顺了一致性测试的过程；第3 节讨论了现行的测试描述方法和测试执行方法， 分析了测试描述法的选择、设计原则；第4 节描述了测试方法，指出远程测试方法及其 扩展方法对所有的端系统测试均具有现实意义；第5 节对测试生成技术进行了分析，从 基于状态机模型的测试生成、基于形式描述技术的测试生成、基于外部行为描述e b e 的测试生成等方面对现行的测试生成技术进行了分析，对测试序列到抽象测试集的转换 进行了说明；第6 节指出了一致性测试领域需要进一步研究的一些问题。 2 1一致性测试的概念和由来 协议是计算机网络和分布式系统中各种通信实体之间相互交换信息所必须遵守的 一组规则，是构建网络的基石。将形式化技术和软件工程方法用于协议研究，形成了一 个新的学科协议工程学，协议测试是其中的一个重要研究方向 g c 0 3 ，g 0 9 3 。目前协 议测试主要包括三个方面：一致性测试、互操作性测试、性能测试。协议标准多是以自 然语言描述的，实现者对于标准的不同理解以及实现过程中的非形式化因素都会导致不 同的协议实现，有时甚至是错误的协议实现，验证协议实现是否与其标准相一致的过程 称为一致性测试；即使协议实现正确，也不能保证不同的实现彼此之间能够准确无误地 通信，这是互操作性测试要解决的问题：不同的协议实现在性能方面也有差别，这就需 要性能测试加以判j l j i s 0 9 6 1 】。 一致性测试是一种“功能测试”，通过实验的方法发现被测协议实现在功能和逻辑 方砸的错误，图2 1 表示了一致性测试的概念模型。相比于其它类型的测试，一致性测 试具有以下特点： 一致性测试只关心协议实现呈现于外部的特征，测试人员不必了解协议实现的 内部逻辑结构。便于第三方独立测试，测试结果更具权威性； 利用由协议标准产生的同一套测试集，对不同的协议实现进行测试，测试代价 小，测试结果具有可比性； 某一种协议实现的可测覆盖程度与其它协议实现无关，可以1 0 0 覆盖其 p i c s p i x i t 中声明的功能。 中国科学院博士学位论文一移动i p v 6 协议测试研究与实践 t罱prod曲：t 21 心 未1 叵互习 图2 1 协议一致性测试概念模型 通过了一致性测试的协议实现并不能保证是1 0 0 可靠的，但可以增强人们对协议 实现符合协议标准的置信程度，提高不同实现之间可以互操作的概率，因此一致性测试 是其他类型测试的基础，是在协议实现进行其他测试之前必须进行的测试手段，应该积 极地开展协议一致性测试的研究和应用，提供标准的、实用的一致性测试方法和工具( 见 表2 1 1 。 表21 各种类型协议测试的主要特征 测试类型一致性测试互操作性测试性能测试 测试协议实现的功能是测试协议实现之间互连测试协议实现的性能参 测试内容否与协议标准描述的要和互操作的能力数，并做出性能评价 求相一致 测试对象数一小多个一h 一致性测试是其它测试的基础。只有通过了一致性测试的协议实现才有必要进行其它测试 一致性测试研究领域的兴起源于对其必不可少的需求。网络协议标准多是以自然语 言描述的，实现者对其不同的理解以及实现过程中的非形式化因素都会导致不同的协议 实现，有时甚至会是错误的实现，在这种情况下，需要一种行之有效的方法对协议实现 进行评价，这就是协议一致性测试 i s 0 9 6 1 。伴随着计算机网络技术和应用的发展，计 算机网络协议趋向复杂庞大，一致性测试是保证协议实现质量的一个必需而且十分重要 的手段。目前一致性测试已不仅仅是产品开发研制过程中一个简单的支撑过程，而是发 展成为计算机网络技术的一个重要分支，对一致性测试的研究将直接影响到网络技术的 进步和世界网络市场的竞争与发展，所以很多研究机构都投入了大量的人力物力从事这 一方面的研究和实践工作，英国的国家物理实验室n p l 、法国国家通信研究中心、德 国国家通信研究局g m d 、美国国家标准化研究局、美国新罕布什尔大学互操作研究实 验室、日本t a h i 工程组织、清华大学计算机网络与协议测试实验室、中科院计算所等 单位都在这个领域投入了大量的研究力量。 盛0 第二章协议一致性测试理论与实践 i s o9 6 4 6 定义了一致性测试的基本方法和框架，用自然语言描述了基于o s i 七层 参考模型协议的测试过程、概念和方法，为测试集制定了设计步骤和描述方法、为测试 系统的实现提出了指导、对测试实验室和测试人员提出了规范，涵盖了一致性测试技术、 配置、人员、管理的各个方面 i s 0 9 6 1 1 s 0 9 6 5 1 ，该标准主要面向测试实践需求，用于 指导测试实践。但是随着协议臼趋复杂，一致性测试工作遇到了很多困难，大量形式化 方法被引入其中试图解决这些问题。1 9 9 5 年，i s o 推出了“一致性测试中的形式化方法” 国际标准，用自然语言对一致性测试过程各个阶段使用的形式化方法进行了说明，力图 用严格的数学语言清晰、无二义性地定义一致性测试的概念和方法，但由于一致性测试 本身的复杂性，使得该标准一直停留在草案阶段。尽管如此，形式化技术仍是解决目前 一致性测试面临重重困难的唯一出路，形式描述技术如e s t e l l e 、l o t o s 、s d l 在测试 理论、尤其在测试生成中起了很大的作用 s d l 8 8 ，l o t 8 9 ，e s t 8 9 ，h h 9 3 。 一直以来。从系统的角度来讲，一致性被描述为满足一个一致性需求的集合r 在i s o 9 6 4 6 中，一个一致性的实现是“同时满足静态一致性需求和动态一致性需求”的协议 实现 i s 0 9 6 1 ) ，但是关于一致性的形式化定义还没有形成标准，在这方面比较有意义的 探讨包括基于迹等价的一致性定义 t p b l 9 5 】、基于扩展变迁系统的一致性定义等 b w z 0 0 。 2 2 一致性测试过程 对于测试人员而言，被测协议实现( i m p l e m e n t a t i o n u n d e r t e s t ，简称为1 u r r ) 表现为 一个真实的系统或者一个真实系统的一部分，其内部逻辑结构是不可知的，可以知道的 只是根据协议标准而得到的协议实现在一定的外部输入条件下所应该具备的外部行为， 因此一致性测试应该采用黑盒测试的方式进行，通过控制输入、监控输出来评价协议实 现是否与协议标准相一致 i s 0 9 6 2 。为了检验i u t 的一致性，通常采用证伪法测试，这 种方法按标准规定的所有可行项目对i u t 进行测试，一经发现有错，就可得出i u t 不 符合标准的结论。没发现错误意味着i u t 符合标准。或者所用的测试集不足以查出错 误。因此，证伪法测试只能确定i u t 与标准不一致，不能得出完全一致的结论。 协议标准是协议实现和一致性测试的基础，一致性测试的过程及其与协议实现、协 议标准的关系如下( 见图2 2 ) ： a 协议开发人员依据协议标准经过一系列的开发过程，最终得到协议实现： b 测试人员对协议标准进行数学建模，应用适当的测试产生技术，生成测试序列； c 用特定语言描述测试序列，得到独立于任何协议实现的抽象测试集； d 抽象测试集加载到特定测试系统中，结合被测协议实现的p i c s p i x l t ，采用适 当的测试方法，生成针对被测协议实现的可执行测试集； e 测试系统执行可执行测试集，结合协议实现的静态一致性分析，得到最终的测 试报告。 中国科学院博士学位论文一移动i p v 6 协议测试研究与实践 图2 2 一致性测试过程 从测试执行的角度看，一致性测试包括两个阶段：测试系统向被测协议实现发送一 系列的测试数据包，激发被测功能，这称为一致性测试的控制阶段；测试系统监控被测 协议实现返回的数据包，与预期的返回数据进行比较，作出测试判定，这称为一致性测 试的观察阶段。在测试执行过程中，测试系统通过控制观察点对i u t 的输入和输出进 行控制和观察，在分析输出是否与预期输出相一致的基础上，得到针对本次测试的结 论： p a s s ：表示所得到的输出与抽象测试例描述中某项代表“通过”的输出相一致； f a i l ：表示所得到的输出与抽象测试例描述中某项代表“失败”的输出相一致； i n c a n c u j s e ：表示所得到的输出与抽象测试例描述中某项代表“无结论” 的输出相致或该输出与任何预计结果均不一致： 根据所有测试例的执行结果，最佰可以得出被测协议实现是否具有一致性的结 论。 2 3测试描述法与测试执行方法 测试集是一致性测试能够执行的基础，按其不同阶段，可以分为三种类型：通用测 试集、抽象测试集、可执行测试集。其中，通用测试集是根据协议标准得到的要测试什 么、如何预i 试的信息；采用一种测试描述法描述通用测试集，就得到抽象测试集：每一 种测试