（通信与信息系统专业论文）gsmr网络互联互通e接口功能与互操作测试研究.pdf

中文摘要 摘要：我国铁路g s m r 网络的发展目标是在全国建立统一的移动通信网络，而不 同厂家设备之间的互联互通就是实现目标的前提条件。对互联互通测试技术的研 究是良好完成各厂家之间互通性测试任务的基础，本文以g s m - r 网络e 接口的互 联互通测试为主线，分别从功能性和互操作性两个方面对g s m r 网络e 接口测试 技术做了深入研究。 功能性测试方面，本文阐述了功能性测试的概念，重点研究了功能性测试集 的设计方法；在深入研究分析g s m - r 网络e 接口业务的基础上，分别考虑了测试 集的完备性和冗余性，首先使用等价类划分方法设计了e 接口的测试集，然后对 其不足进行了分析，并提出了一种新的设计方法，最后对两种设计方法进行了对 比分析，对如何设计g s m - r 网络互联互通测试集提出了建议。 互操作性测试方面，本文介绍了互操作性测试方法及研究现状，分析了互操 作性测试和功能性测试的关系。随后研究了互操作性测试技术在g s m r 网络e 接 口的应用，包括了案例设计、测试环境的搭建、实例分析、异常情况及解决方案。 然后阐述了上述人工驱动测试方法的缺陷，指出消除缺陷的首要问题是对其形式 化描述，随后介绍了通信多端口状态机的概念，并给出了一种组呼业务的互操作 形式化模型。 本文提出的案例设计方法和对测试技术的相关研究有助于更好地进行互联互 通测试工作的开展。 图2 2 幅，表1 7 个，参考文献2 2 篇。 关键词；g s m - r 互联互通功能性测试互操作性测试 分类号：t n 9 2 9 5 2 ；u 2 8 5 2 1 a b s t r a c t ：t h eo b j e c t i v eo fg s m rn e t w o r kd e v e l o p m e n ti st oe s t a b l i s ha u n i f i e dn a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ki nc h 血a , a n dt h ee q u i p m e n t i n t e r o p e r a b i l i t yb e f w e e 】l lt h ed i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si sap r e r e q u i s i t ef o ra c h i e v i n g9 0 a l s r e s e a r c ho ni n t e r o p e r a b i f i t yt e s t i n gt e c h n o l o g yi st h ef o u n d a t i o nt of i n i s ht h et e s t i n g w o r kw e l l b a s e do ng s m rn e t w o r ke - i n t e r f a c ei n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n g , t h i sp a p e rd o i n d e p t hs t u d i e sf r o mt h et w oa s p e c t so ff u n c t i o n a l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t y o nt h ea s p e c to ff u n c t i o n a lt e s t i n g , t h i sp a p e rr e p r e s e n t st h ec o n c e p to ff u n c t i o n a l t e s t i n ga n df o c u s e so nt h ef u n c t i o n a lt e s ts u i t ed e s i g n b a s e d 嘶t h ei n d e p t hs t u d yo f g s m - rn e t w o r ke - i n t e r f a c es e r v i c e sa n dc o n s t i e r i n gt h ec o m p l e t e n e 姆a n dr e d u n d a n c y o ft h et e s ts u i t e ，e q u i v a l e n c ec l a s sm e t h o di su s e dt od e s i g nt h et e s ts u i t e , a n dt h e na n a n a l y s i so fi t si n a d e q u a t ei sc o n d u c t e da n dan e wd e s i g nm e t h o di sp r o p o s e d t h et w o m e t h o d sa g ec o m p a r e da n das u g g e s t i o no nh o wt o d e s i g nag s m - rn e t w o r k i n t e r o p e r a b i l i t yt e s ts u i t e i sg i v e n o nt h ea s p e c to fi n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n g , t h i sp a p e ri n k o d u e c st h ea c t u a l i t yo f i n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n gd “e l o p m e n ta n dr e l a t i o n sb e t w e e ni n t e r o p e r a b i l i t yt e s t a n d f a n c t i o n a lt e s t r e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fi n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n gt e c h n o l o g yo nt h e g s m rn e t w o r ke - i n t e r f a c e ，i n c m d i n gt h e d e s i g n ，t e s te n v i r o n m e n tc o n f i g u r a t i o n , a n a l y s i so ft e s tc a s e ，t h e na n a l y z et h ea b o v ea r t i f i c i a lt e s tm e t h o d s d e f e c t sa n dp o i n t o u tt h a ti t sf o r m a ld e s c r i p t i o ni st h em o s ti m p o r t a n ti s s u et oe l i m i n a t ed e f e c t s ，a n d f i n a l l yi n t r o d u c et h ec o n c e p to fc o m m u n i c a t i o nm u l t i - p o r ts t a t em a c h i n ea n dg i v ea v o i c eg r o u pc a l li n t e r o p e r a b i f i t ym o d e l t h ec a s ed e s i g nm e t h o d sa n dt e s t i n gm e t h o d si nt h i sp a p e rc o n t r i b u t et oab e t t e rt e s t f o ri n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n gw o r l k e y w o r d s ：g s m - r ：i n t e r w o r k i n g ；f u n c t i o n a lt e s t ；i n t e r o p e m b i l i t yt e s t c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 2 ；u 2 8 5 2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 多l 盔彳 导师签名： 签字日期：p 7 年i 胡1 日签字日期：1 ，口7 年b 月。7 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：朝擘- 斗签字日期： 矽7 年，1 ，月1 ，7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，朱刚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来朱老 师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向钟老师表示衷心的谢意。 杨炎、丁建文等老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈鲐、李丹、张磊、李吴昱、高晨亮、路燕、 阎岩等同学对我论文中的g s m r 网络测试技术研究工作给予了热情帮助，在此向 他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 1 1 研究背景与意义 1 1 1g s m r 网络互联互通 1 引言 在进行g s m - r 网络大规模建设时，为保护工程投资，首先应考虑解决g s m r 系统的开放性和不同厂家设备之间的互联互通问题。g s m r 系统的互联互通是不 同厂家的设备接口按照统一协议标准进行互联，保证其规范性和兼容性，使铁路 应用业务和功能可在不同厂家设备构成的网络中实现，组成一个结构完整、功能 完备的网络。迸行互联互通工作有利于g s m - r 更好地服务于中国铁路，有利于设 备供货市场形成良好竞争局面，保护工程投资，降低风险：有利于形成全程全网 的解决方案，按照目标网进行网络规划和建设，最大限度发挥总体效益；有利于 网络长远发展，对g s m r 技术在中国推广起到积极的推动作用。 尽管g s m r 网络多数设备已经在g s m 网中进行了检验，但是由于铁路的特 殊需求与应用，g s m r 与g s m 设备有一定的差别，因此，g s m r 网络接口应解 决表1 - 1 所示的互操作性问题【l 司。 表i - 1g s m - r 同络主要接口1 2 j t a b l e l 1g s m - rn e t w o r ki n t e r f a c e s 序号接口名称信令方式主要传递信息 说明 1 a 接口：m s c 与b s sn o 7 信令 呼叫处理、移动性管理、基站管理、n s s 与b s s 之间的接口移动台等信息 接口 2c d 接口：m s c v l rn o 7 信令传递有关移动台位置和用户管理信n s s 与n s s 与h l r 之间的接口 息，以使移动台在整个服务区中能接口( m a p 建立和接收呼叫；传递管理和路由接口) 选择信息，以使入口m s c 能询问被 叫移动台的漫游号码 3 e g 接口：m s c v l rn o 7 信令 用于在进行m s c 间切换时交换有n s s 与n s s 与m s c v l r 之间的关的信息，以及在2 个m s c 间建立接口( m a p 接口用户呼叫接续时传递有关的信息。 接口) 4c a p 接口：m s a 豁pn o 7 信令 用于s s p 向s c p 发出请求，以及 与s c p 之间的接口s c p 向s s p 指示对某个呼叫的控制 序号接口名称信令方式主要传递信息 说明 5g b 接口：s g s n 和帧中继传递s g s n 与b s s 问g p r s 信令和 g p r s 网络与 b s s 中的i c u 之间的用户数据b s s 接口 接口 6 g r 接口：s g s n 和 n o 7 信令 用于s g s n 与h l r 之问信令交换 h l r 之间的接口 g s m r 系统在过去发展的十几年里，已经被欧洲的德国、英国、意大利、荷 兰、瑞典、芬兰、挪威、比利时等国家铁路广泛采用，而g s m r 网络设备之间的 互联互通是g s m r 全网正常运行的前提基础，因此各国在建设g s m r 网络的同时 对网络的互联互通问题十分重视，欧洲铁路联盟( u i c ) 和各国铁路组织分别成立 了专门组织，负责组织不同厂家设备之间的互联互通测试工作。有些国家已经完 成了g s m r 不同厂家设备的开放性和互操作性的通用功能测试。欧洲部分国家也 进行了g s m r 网络的互联互通测试，主要是基于多厂家的供货环境，测试地点为 用户机房或厂商与用户合作共建的测试平台上，测试重点是端到端的功能和应用 测试 我国g s m r 网络建设正朝着建设全国一张网的方向进展，这就要求不同厂家 之问的设备之间能够良好的进行互联互通。因此我国从2 0 0 6 年开始组织我国 g s m - r 互联互通测试工作，在借鉴欧洲铁路g s m - r 系统互联互通测试经验的基 础上，结合我国铁路实际需求确定了我国铁路g s m r 系统互联互通测试的内容。 由于我国g s m 公众移动通信网有互联互通成功运用的经验，而且我国国内科研院 所有能力开展相关测试工作，因而在我国开展铁路g s m - r 系统互联互通测试的是 可行的。在确定了我国铁路g s m r 系统互联互通测试的必要性和可行性之后，铁 道部提出了互联互通测试的实施方案，从测试的组织与安排、测试方案、实施条 件以及测试的时间计划等方面进行了整体规划。我国铁路g s m r 系统互联互通测 试是在铁道部的统一领导和安排下，由g s m r 互联互通测试领导组、禊4 试专家组 和测试工作组共同组织的。到目前为止，互联互通的第一阶段实验室测试部分已 经完成1 3 1 。 1 1 2 g s m r 网络e 接口概述 g s m r 数字移动通信网e 接口是m s c 和m s c 之间的接口，主要用于两个m s c 间的呼叫建立、切换过程。铡如当移动台在通话进行的过程中从一个m s c 区移 动到另一个m s c i 区时，要保证切换过程中通信的连续性，就要求两个m s c 之间在 2 切换的初始化和结束过程中通过e 接口交换数据。这一接口上的高层信令使用m a p 和i s u p 协议。e 接口协议栈如图1 1 所示，包括5 部分，各部分的功能如下： m t p 层：消息传递部分的功能是在用户部分之间提供可靠的信令信息传输。 该部分又进一步划分为三级：第1 级为信令数据链路级，第2 级为信令链路功能级， 第3 级为信令网功能级。 s c c p 层：信令连接控制部分提供了较强的路由和寻址功能，叠加在m t p 上， 与m r p 中的第三级一起共同完成网络层的功能。 t c a p 层：事物处理能力应用部分在m a p 和网络层业务之间提供一系列通信能 力，包括执行远端操作的规约和业务。 图1 - 1e 接口协议栈 f i g 1 1p r o t o c o ls t a c ko ne - i n t e r f a c e i s u p 层：i s d n 用户部分是在t u p 的基础上扩展而成的。主要功能是建立、监 视、拆除电路连接。 m a p 层：移动应用部分是n o 7 信令系统的应用层的协议，t c a p 的用户。它的 主要功能是在e 接口交换与电路无关的数据和信令，从而支持移动用户频道切换、 组呼, q 广播业务。 e 接口上的业务包括m s c 间的点对点呼叫业务、m s c 间的补充业务、m s c 间的 切换业务、m s c 间的组呼和广播业务，除此之外还包括t m s c 下的点对点呼叫业务、 1 m s c 下的补充业务。 由于全国将来要在1 8 个铁路局所在地以及拉萨设置m s c ( 含r g c r 俩，f 等 设备) ，共计1 9 个，因而在将来的实际运营过程中必然会应用上述e 接口的业务， 对e 接口进行互联互通测试是保证将来实际应用时业务正常实现的前提，具有重要 意义【钔。 3 蕴 塞銮盈太兰亟兰篮论塞量f宣 1 1 3研究意义 随着我国g s m r 网络规划和建设工作的逐步展开，以及适合我国铁路应用需 求的终端产品的二次开发，设备之间的互联互通的重要性不断提升。e 接口是两个 m s c 之间的接口，在g s m r 网络中占有重要地位，而要实现m s c 间的点对点呼 叫、跨m s c 的切换和组呼等业务，并保证这些业务在铁路环境下能够可靠实现， 这就需要对e 接口进行功能性测试及互操作性测试。 本文通过研究g s m r 网络互联互通测试理论，包括了功能性测试和互操作性 测试理论，把测试理论方法引入到g s m - r 网络互联互通的实际测试工作中，以理 论指导实践。同时，从实际测试的过程及结果可以检验测试理论和方法的不足， 从而总结出更好的测试方法和测试理论，达到良性循环。本文虽然是在e 接口测 试工作的基础上进行测试方法的研究，但是对于g s m r 的其它接口的测试也是适 用的。 1 2 本文的主要工作与贡献 g s m r 网络互联互通工程功能性测试有两个方面的概念，既是检验设备之间 的互操作性，同时也是在检验设备之间连接功能上的实现程度。本文就是分别从 这两方面对g s m r 网络互联互通进行研究的。本文主要研究了g s m r 网络互联 互通中功能性测试与互操作性测试技术问题，分别从功能性和互操作性两方面进 行研究，具体工作及贡献包括： 针对互操作性测试研究了它的理论知识和测试方法，针对功能性测试重点 研究了案例设计方法，并给出了互操作性测试和功能性测试在g s m - r 网 络互联互通中的区别与联系。 介绍了目前形式化描述技术的研究进展情况，研究了协议测试的形式化描 述方法，重点是有限状态机和s d l 语言。 从功能性的角度对g s m r 网络互联互通的测试案例进行了研究，以组呼 业务为例对e 接口业务流程进行了详细分析，在此基础上分别给出了两种 测试用例设计方案，分别是基于等价类划分和基于路径覆盖的案例生成， 并给出了铡试集和两种方案的对比分析，指出了如何利用两种设计方法指 导g s m - r 网络互联互通测试集的设计。 从互操作性的角度对g s m r 网络互联互通测试进行了研究，首先阐述了 互操作性澳8 试技术在g s m r 网络e 接口的应用。包括了案例设计、测试 环境的搭建、实例分析及异常情况及解决方案。然后分析了上述人工驱动 测试方法的缺陷，指出消除缺陷的首要问题是对其形式化描述，随后介绍 了通信多端口状态机的概念，并给出了一种组呼业务的互操作性形式化模 型。 2 功能与互操作测试原理 g s m r 网络互联互通测试是检验不同厂家网络设备之问的互通性，设备之间 的交互是两个设备的互操作性，而互操作性最终实现的是需求规范中定义的系统 功能，因而g s m r 网络互联互通有既是互操作上的买现，又是功能实现。本章分 别介绍了功能性测试和互操作性测试的相关内容。 2 1 功能性测试 2 1 1基本概念 功能测试( f u n c t i o n a lt e s t i n g ) 是系统测试中最基本的测试，它不管软件内部 的实现逻辑，主要根据产品的需求规格说明书和测试需求列表，验证产品的功能 实现是否符合产品的需求规格。功能测试主要是为了发现以下几类错误： 是否有不正确或遗漏了的功能。 功能实现是否满足用户需求和系统设计的隐藏需求。 能否正确地接受输入，能否正确地输出结果。 功能性测试需要测试设计者对产品的规格说明、需求文档、产品业务功能都 非常熟悉，同时对测试用例的设计方法也有一定掌握，才能设计出好的测试方案 和测试用例，高效地进行功能测试。 2 1 2分析方法 在进行功能测试时，首先需要对需求规格进行分析，因为这是功能测试的基本 输入。对需求规格的分析可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 对每个明确的功能需求进行标号( 对于在需求规格文档中已经有标号的 可以直接引用) ； ( 2 ) 对每个可能隐含的功能需求进行标号； ( 3 ) 对于可能出现的功能异常进行分类分析，并标号： ( 4 ) 对于前面3 个步骤获得的功能需求进行分级；由于我们不可能测试任何 东西，因此可以根据风险来决定对每个功能投入多少关注。一般来说，可以把功 能划分为关键功能和非关键功能。其中关键功能是指那些对用户来说必不可少的 6 功能，这类功能的丧失将导致用户拒绝产品。 ( 5 ) 对每个功能进行测试分析，分析是否可测、如何测试、可能的输入、可 能的输出等； ( 6 ) 脚本化和自动化嗍。 2 1 3 用例设计方法 功能测试常用的用例设计方法有：规范导出法；等价类划分法；边界值分析 法；因果图法；正交实验设计：基于决策表测试法；错误猜测法。 下面重点介绍等价类划分、边界值分析、因果图法、错误猜测法： 等价类划分法 等价类测试的思想是通过每个等价类中的一个元素标识测试用例。根据输入 条件或输出结果的不同，把测试内容划分成若干等价类，然后从每个等价类中选 取少数代表性数据当作测试案例。使用等价类作为功能性测试的基础有两个动机： 我们希望进行完备的测试，同时又希望避免冗余。 ( 1 ) 等价类：等价类是指某个输入域的子集合，在这个子集合中，每个输入 数据对于检验程序的错误是等效的。等价类的重要问题是它们构成集合的划分， 其中，划分是指互不相交的一组子集，这些子集的并是整个集合。这对于测试有 两点非常重要的意义；表示整个集合这个事实提供了一种形式的完备性，而互不 相交可保证一种形式的无冗余性。 等价类一般可以划分为有效等价类和无效等价类两种。有效等价类是指对于 程序的规格说明来说是合理的、有意义的输入数据集合，它是用来检验程序是否 实现了需求规格中定义的功能。无效等价类是指对于程序的需求规格来说不合理 的、无意义的输入数据集合。这两种类别在设计测试用例时都要考虑。 ( 2 ) 划分等价类原则：从输入取值范围和个数出发，确定一个有效等价类和 两个无效等价类，有效等价类取符合要求的值，无效等价类取大于或小于要求的 值；如果在规定了限制条件的情况下，则可以确定一个有效等价类和一个无效等 价类，有效等价类取属于集合内的值，无效等价类取集合外的值；如果明确已经 划分的等价类中元素在程序中的处理方式不同，还可以将等价类进一步划分。 ( 3 ) 设计铡试用例 用上述方法确定等价类后，先建立等价类表列出所划分的等价类，然后在划 分的大类上可以继续划分子类。划分完等价类之后就可以设计测试用例了，设计 的方法：首先区分每个等价类，对其规定唯一编号；然后设计测试用例，一方面 使用例尽可能覆盖有效等价类，另一方面要覆盖无效等价类。 7 边值分析法 边界值分析关注的是输入空间的边晃，以标识测试用例。边界值测试背后的 基本原理是错误更可能出现在输入变量的极值附近。它的基本思想是使用在最小 值、略高于最小值、正常值、略低于最大值和最大值处取输入变量值。 使用边界值分析方法设计测试用例，重点要考虑输入输出等价类的边界，要 在测试范围边界的最上端和最下端取值进行测试。 因果图法 分析某项测试内容可能的原因和结果。原因是输入条件，结果是输出条件。 根据原因和结果的关系以及约束条件确定测试案例。利用因果图方法最终生成的 是判定表，它是适用于检查程序输入条件的各种组合情况。 错误推测法 错误推测法的基本思想是通过经验或直觉推测可能存在的各种错误，并列举 出程序中可能出现的错误，从而有针对性的编写检查这些错误的测试案例。 在实际设计测试案例时，可以多种方法结合使用，来设计出最佳的测试案例， 组成测试集同。 2 2 互操作性测试 协议规定了一个通信系统和其它通信系统进行通信时应遵守的规则集合。但 是，描述一组协议并对其标准化并不能保证成功地通信，这是因为协议标准目前 基本上是使用自然语言描述的，实现者对于协议的不同理解会导致不同的协议实 现，这时我们就需要进行协议测试来对协议实现进行判别。而协议的互操作性测 试就是协议测试的一种，它用来检测同一协议在不同实现版本之间的互通能力和 互连操作能力。 2 2 。1互操作性测试定义及分类 ( 1 ) 定义：互操作性测试( i n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n g ) 是验证两个通信系统之 间端到端功能实现是否与协议规范中要求的一致，这是在e t s it s1 0 22 3 7 “互操 作性测试和途径”中对其作的定义。 互操作测试评价被测实现与相连接相似实现之间在网络操作环境中是否能够 正确地交互并且完成协议标准中规定的功能，从而确定被测设备是否支持所需要 的功能川。 8 ( 2 ) 分类 从测试过程看，互操作性测试可分为： 静态互操作性测试：即不进行实际互操作测试，而是根据设备提供的文档， 如结合p i c s ( 协议实现一致性说明) 和p i x l t ( 协议实施附加消息) 等进行分析， 发现互操作问题。 动态互操作性测试：将被铡设备直接同其它设备相连，进行实际的测试工作。 从测试结构来看，互操作性测试可分为： 两系统间互操作性测试：即两个待测系统，或一个待测系统和一个参考实现 系统进行测试，测试两者之间能否互操作。 多系统问互操作性测试：将一个待测系统放在一个测试网络中，对它进行测 试嗍。 映射到g s m r 网络互联互通测试中，从测试过程来看，我们的测试是属于动 态的互操作性测试：从测试结构上看，以两个系统之间的互操作性测试为主。 2 2 2 互操作性测试过程 互操作测试主要包括两个部分：开发互操作测试规范和具体互操作测试过程。 开发互操作测试规范类似于制定一致性测试规范，只不过这个过程通常由进 行互操作者根据关注测试功能要点进行制定，该步骤是互擐作测试中最重要的部 分【l o l 。图2 - 1 显示的是互操作性测试规范制定的流程。 9 图2 - 1 互操作性测试规范制定流程 f i g 2 - 1d e v e l o p i n ga l li n t e r o p e r a b i l i t yt e s ts p e c i f i c a t i o n 具体互操作测试过程包括三个步骤：测试准备、具体测试执行、撰写测试报 告。具体测试流程如图2 2 所示。 图2 - 2 互操作性测试流程示意图 f i g 2 - 2h t c 】脚m t yt c m n g 互操作测试中，被采用最多的形式是测试方选择经互操作认可的设备来与被 测设备进行互操作测试，认可设备可能是终端设备、网络设备或者应用软件，也 可能是一个单独设备或者若干设备组合。下图是一个通用的测试架构1 1 1 】。 图2 - 3 通用互操作性测试架构 l f i g 2 - 3g e n e n l i z e di n t e r o p e r a b i l i t y 忙咖a r c h i t e c t u m 2 2 3互操作性测试研究现状 互操作性测试是协议测试的一种，协议测试技术是保证网络通信协议正确实 现和网络设备之间互联的重要手段。在协议测试中一致性测试是协议测试的基本 的测试方法，互操作性测试是作为一致性测试的补充，它的目的是要检验两个或 多个协议实现之间的互联交互是否能够正常实现，并完成相应协议规范中规定的 功能。互操作性测试也被i e t f ( 互联网工程任务组) 和e t s i ( 欧洲电信标准化协 会) 等国际标准化组织广泛应用于协议设计的过程中1 1 2 , 1 3 1 。 由于互操作性是两个或多个协议实体之间的交互过程，所以它具有较强的动 态性与多边性，测试的难度也随之增大。近年来国际上在互操作性测试领域的研 究主要集中在互操作性测试生成技术、互操作性测试系统的构造等方面。 在互操作性测试生成技术的研究中，形式化方法描述互操作性是一个重要问 题，其目的是从协议的形式化模型出发生成用于测试活动的测试集。目前采用最 多的描述方法是用通信有限状态机来生成被测系统的形式化模型。文献1 1 9 1 在研究 通信多端口有限状态机的基础上，采用基于可达性分析的方法生成集中式测试序 列，然后从错误覆盖分析的角度提出了一种增强的测试生成算法。文献 2 h 从避免 状态爆炸的问题出发提出了两个测试生成的原则：稳定状态原则和单激励原则。 互操作性测试系统的构造，目前常见的是在研究已有的协议一致性抽象测试 方法的基础上设计的。在i s 0 9 6 4 6 中定义了四种一致性测试方法：本地测试方法、 分布式测试方法、协同测试方法和远程测试方法，它们有各自的使用场合，将其 中某些方法运用于互操作性测试中可以构造互操作性测试系统。文献1 2 2 1 e e 从定义 1 1 并发t t c n 着手，构造了一种协议互操作性测试系统的结构 2 2 4互操作性测试和功能性测试的关系 软件测试技术从不同的角度可以有不同的划分，如果从软件开发的v 型瀑布 模型看可以划分为单元测试、集成测试和系统测试。其中，系统测试是最接近日 常测试实践的，也是产品提交给用户之前进行的最后阶段测试。系统测试的目的 在于通过与系统的需求定义作比较，发现产品与系统定义不符合或与之矛盾的地 方，以验证系统的功能和性能等满足其规约所指定的要求。系统测试又包括功能 测试、协议测试、性能测试、压力测试、容量测试等。从这个角度讲，功能性测 试和互操作性测试都属于系统测试，也都属于黑盒测试。 从测试的目的来讲，互操作性测试是检验协议的不同实现之间的互通能力和互 连操作能力，最终目标是系统之间连接后功能的实现，从这个角度讲互操作性测 试又属于功能性测试。 因此功能性测试的案例设计方法是可以运用到互操作性测试中的，反过来互操 作性测试的执行又可以检验所设计案例的质量及设计方法的正确与否。 2 3 测试覆盖率 覆盖率是用来度量测试完整性的一个手段。覆盖率的种类有很多，我们经常 接触到的覆盖率大体上可以划分为两大类：逻辑覆盖和功能覆盖。 覆盖率可以通过一个比率公式来表示： 覆盖率= ( 至少被执行一次的项目数) 项目的总数 公式中，假设要对项目的覆盖情况进行计算。覆盖率对于软件测试有着非常 重要的作用。通过覆盖率数据，可以知道测试得是否充分，测试的弱点在那些方 面，进而知道我们设计能够增加覆盖率的测试用例。这样就能够有效地提高测试 质量，避免设计无效用例。 2 3 。1常见的逻辑覆盖 覆盖率中最常见的是逻辑覆盖率( l o g i c a lc o v e r a g e ) ，也叫代码覆盖率( c o d e c o v e r a g e ) 或结构化覆盖率( s t r u c t u r a lc o v e r a g e ) 。逻辑覆盖属于白盒测试的范畴。 常见的逻辑覆盖包括：语句覆盖、判定覆盖、条件覆盖、路径覆盖等。 语句覆盖 语句覆盖( s t a t e m e n tc o v e n g e ) 的含义是，在测试时，首先设计若干个测试 用例，然后运行被测程序，使程序中的每个可执行语句至少执行一次。语句覆盖 率的公式可以表示如下： 语句覆盖率= ( 至少被执行一次的语句数量) ( 可执行的语句总数) 判定覆盖 判定覆盖( d e c i s i o nc o v e r a g e ) 也叫分支覆盖( b r a n c hc o v e r a g e ) 。它的含义 是在测试的时候设计若干测试用例，运行被测程序，使得程序中的每个判定至少 取真分支和假分支次，即判定的真假值均曾被满足。判定覆盖率的公式如下： 判定覆盖率= ( 判定结果被评价的次数) ( 判定结果的总数) 条件覆盖 条件覆盖( c o n d i t i o nc o v e r a g e ) 的含义是，设计若干个测试用例，执行被测 程序后，要使每个判断中每个条件的可能取值至少满足一次。条件覆盖率的公式 如下： 条件覆盖率= ( 条件操作数值至少被评价一次的数量) ( 条件操作数值的总数) 路径覆盖 路径覆盖( p a t hc o v e r a g e ) 的含义是，设计足够多的测试用例，要求覆盖程序 中所有可能的路径。路径覆盖率的公式如下： 路径覆盖率= ( 至少被执行到一次的路径数) ( 总的路径数) 2 3 2 功能覆盖率 功能覆盖( f u n c t i o nc o v e r a g e ) 属于黑盒测试范畴。 功能覆盖率中最常见的是需求覆盖，其含义是通过设计一定的测试用例，要 求每个需求点都被测试到。需求覆盖率的公式是： 需求覆盖率= ( 被验证到的需求数量) ，( 总的需求数量) 在黑盒测试中，还有一种覆盖称为接口覆盖，又呻入口点覆盖。要求通过设 计一定的用例使系统的每个接口都被测试到。 由于黑盒测试把被测系统理解为一个黑盒，测试时输入测试数据，然后判定 输出结果是否与期望结果一致。根据测试可以获得输入数据的覆盖情况，即通过 设计一定的用例，要求每种数据情况都被测试到n 3 1 概述 3 协议的形式化描述技术 协议的形式化描述是形式化协议理论的基础，它在协议的验证、实现、测试 中都有重要作用。通过使用形式化描述技术，可以对协议进行精确的描述和分析， 有助于实现协议验证和测试的自动化和半自动化，还可以定义不同层次的测试覆 盖标准，便于针对测试的完备性和有效性进行分析。 目前常用的形式化描述技术包括：状态变迁技术、时序逻辑t l ( t e m p o r a l l o g i c ) 、进程代数、通信顺序进程、构造类别代数等。 状态变迁技术的例子包括有限状态机模型和p e t r i 网络模型等，有限状态机是 最常用的协议形式化描述技术。在它的基础上，针对有限状态机进行一些扩充以 提高其描述能力，从而产生了通信有限状态机和扩展有限状态机等技术。有限状 态机模型的优点是直观性强，可以与其它形式化方法进行组合或转换，易于实现； 缺点是难以描述复杂的系统，容易出现状态爆炸的问题。 时序逻辑是通过使用时序算子来描述事件的顺序以及相互关系。它的优点是 时序逻辑描述严密、独立性完好，缺点是描述比较复杂、可读性差。 进程代数是通过进程事件的集合和进程的迹来描述进程的行为，通过并发、 选择、递归等来描述进程之间的关系。 构造类别代数是通过定义构造函数或延拓函数来定义其可观察和可控制的行 为，并通过定义公理集合来对构造函数和延拓函数进行限制，适用于对协议数据 部分及其处理过程的描述。 基于上述形式化描述模型，国际标准化组织提出了三种通信协议形式化描述 语言：s d l 语言、i d r i d s 语言和e s t e l l e 语言。 s d l ( s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言是由n u t 组织开发的国 际标准，它是基于扩展有限状态机和抽象数据类型的混合技术，可以精确定义通 信系统功能规格及其行为描述，主要用于实时交互分布式系统的形式化描述。 l o t o s ( l a n g u a g eo f t e m p o r a lo r d e r i n gs p e c i f i c a t i o n ) 是由i s o 组织开发的一 种形式化描述语言，用它可以将通信系统描述为一系列有时间顺序的、可由外部 观察的事件。 e s t e l l e 也是由i s o 组织开发的一种形式化描述语言，它是在扩展有限状态机 模型上进行扩展的，可以描述系统的细节、进程的并发和进程间的通信。通常被 用作描述分布式系统和并行信息处理系统f 1 4 1 。 下面具体介绍有限状态机和s d l 语言的相关内容。 1 4 3 2f s m 和e f s m 的定义和性质 有限状态机由有限个稳定的状态构成，通过激励信号( 内部或外部的消息) ， 推动状态的迁移和自动机的运转同时，在运转的过程中，会产生一定的输出信 号。有限状态机最初主要应用于开关电路、序列电路和硬件设计等的测试和验证 以及自动控制模型中。近年来，随着通信领域的迅猛发展。状态机又被广泛引入 豺协议建模及测试的过程中。状态机的形式有很多，在此，我们仅介绍在协议测 试中经常用到的两种状态机：有限状态机和扩展有限状态机。 3 。2 。1有限状态机( f s m ) 一个有限状态机m 可以表述为一个五元组，m = ( 1 ，o ，s ，d ，a ) ，其中，i 为有 限输入符号集合，o 为有限输出符号集合，s 表示有限状态集合，6 ：s x i s 表 示状态迁移函数，a ：s i 一0 为输出函数。 设有限状态机的当前状态为s e s ，如果接受到一个输入a e l ，有限状态机转向 的下一个状态用6 ( s a ) 表示，产生的输出用 ( s ，a ) 表示。 图3 - 1 一个有限状态机的状态转换图 f i g 3 1s t a t u st r a n s f o r mo faf s m 有限状态机可以用状态转换图和状态表表示。状态转换图是一个有向图，图 中的节点表示有限状态机的状态，状态图中的边线表示状态的转换，每条边标有 状态转换的输入符号和输出符号。图3 - 1 是一个有限状态机的状态转换图，该状态 转换图包括三个状态s l ，s 2 ，s 3 和两个输入符号a 和b 。设当前的状态为s 1 ，对 于输入b ，状态机转到s 2 ，并且输出1 。表3 - 1 是该有限状态机的状态表，每行表 示一个状态，每列表示一个输入符号，每行的状态和每列的输入决定了下一个状 态和输出。 表3 1 状态转移的输入输出 ab s 1s 1 0s 2 1 s 2s 2 1 s 3 ，1 s 3s 3 0s 1 0 3 2 2扩展有限状态机( e f s m ) 一个扩展有限状态机m 可以表示为一个五元组，m - - ( i ，0 s ，xt ) ，i 、0 、s 分别代表有限的输入、输出和状态集合，x 为变量集合，t 为变迁集合。其中，t 中的每条变迁t 都可以进一步表示为一个六元组的形式：t s ，吼，q ，号，4 ) ， s t ( s , s ) 表示该变迁的起始状态，吼( 吼s ) 为终止状态，( d 和q ( q 0 ) 分别 表示变迁的输入和输出。曰( z ) 表示与当前状态的变量集并( x 均相关的谓词约 束，4 ( 毒) 表示当前状态的变量集x ( x 殉的赋值动作。 对于e f s m 的变迁t ，假设其起始状态和终止状态分别为s 和s ，输入i ，输出 0 ，谓词约束为p ，变量的赋值动作为a ，则我们将该变迁表示为t ：s 誓，_ j 。在 不影响讨论的情况下，我们也可以将其简化表示为t ：s s 。 e f s m 同样可以由状态转换表或是状态转换图来表示，图3 2 列举了一个扩展 有限状态机的状态转换图，该状态机含有2 个状态，2 个输入，2 个输出及1 个变 量，图中仍以顶点表示状态，边代表状态之间的变迁。与图3 - 1 不同的是，每条边 的标注中增加了谓词约束与赋值动作的描述，每个标注第一行以i n p u t o u t p u t 来标 记输入与输出，第二行以p r e d i c a t e a c t i o n 来标记变迁的谓词约束和赋值动作。 b ，l x l “l x 5 x 葺x + l 图3 - 2 扩展有限状态机的状态转换图 f i g 3 - 2s t a t u si i a i 戚o h no f e f s m 3 3 规范说明和描述语言( s d l ) a 0 x ，0 x - - - - g - l s d l ( s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是r r u - t 推荐使用的一种“实 时系统的规格描述语言”，最早于1 9 7 6 年制定为标准，成为r r u 的建议书乙1 0 0 ( r e c o m m e n d a t i o nz 1 0 0 ) 。应用的主要领域是实时系统行为方面的规格，以及这 类系统的设计。电信领域在这方面的应用包括： 交换系统中的呼叫及连接处理( 如呼叫处理、电话信令、计费) ； 一般电信系统中的维护和故障处理( 如告警、自动故障清除、例行测试) ； 系统控制( 如过载控制、更改及扩充过程) ； 操作和维护功能、网络管理； 数据通信控制； 电信业务。 s d l 存在两种表示方式：图形表示( s d l g r - g r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o n ) 和文 本表示( s d u p r p h r a s er e p r e s e n t a t i o n ) 。由于图形表示的s d l 更易于阅读和理解， 所以尽管在许多工具内部使用语句表示s d l ，但使用者通常都愿意使用图示表示 的s d l 。 s d l 的形式化模型是通信扩展有限状态机( 唧m ) 。 3 3 1s d l 基本概念 一个s d l 设计中包括了系统、环境、功能块、信道、信号、信号路由