（计算机应用技术专业论文）移动终端协议栈一致性测试研究.pdf

1 摘 要 为了保证协议实现的质量协议测试是一个必要的手段而协议一致性测 试是协议测试中最基本的测试对协议实现必须先要进行协议一致性测试由 于协议系统的复杂化针对不同的协议的实现需要选用不同的协议一致性测试 方法并建立相应的测试系统和环境 本文首先研究了协议测试和协议一致性测试的相关理论包括基本概念 分类等内容其次对终端协议标准特别是移动性管理协议进行了详细的分析 然后在对协议一致性测试理论方法理解和对终端协议栈测试需求分析的基础 上设计并实现了一种针对本终端协议栈的测试系统本文给出了测试系统的 设计思想系统的框架和系统各个模块的功能着重描述了测试用例编辑模块 和测试用例执行控制模块的设计和实现本测试系统在消息流程中添加版本号 和操作相关的信息实现了测试用例对版本的兼容和测试用例的自动化执行 设计时采用了将协议无关的平台模块和协议相关的模块分开的方法实现了测 试系统的模块化思想和易扩展性本测试系统具有良好的用户界面便于测试 工作的进行本文最后通过一个测试用例给出了本测试系统的使用方法验证 了本测试系统的可用性 本测试系统已经运用在某商用移动终端协议栈开发的测试工作中对保证 协议栈软件的质量起到了举足轻重的作用 关键词协议测试协议一致性测试有限状态机移动终端移动性管理 测试流程 2 abstract protocol testing is the important method to maintain the quality of the protocol implementation. protocol conformance testing is the basic of the protocol testing. so, the conformance testing of the protocol system is the first step. the protocol system is also becoming more complex, so we should use different method to test different protocol system. the main work of this paper is the design and implementation of the testing systems test case edit module and test case execution module. this paper discusses the related theories of protocol testing and protocol conformance testing first, including the basic definition, classify and so on. next, this paper analyses the mobile terminal protocol specification. the mobile management protocol is discussed in detail because it will be used in this paper. a testing system is designed based on the understanding of the protocol conformance testing theories and methods and the analysis for the requirements of the mobile terminal protocol stack. this paper discusses the design ideology, the framework of system and the function of every module of this testing system. for realization the auto execution of the test case, the testing system adds operation related information in message flow. the test case edit module and test case execution module are discussed in detail. the main method used in these two modules is the detaching of the parts of protocol related and protocol non-related. this method is important to realize the modularization and expansibility of the testing system. this testing have nice interface for the user. finally, using a test case validates the usability of this testing system. this testing system has been used in a development work of a mobile terminal stack, satisfied the testing requirement and played the important role in the development work. key words: protocol testing, protocol conformance testing, fsm, mobile terminal, mobile management, message follow 6 图表目录 表 2. 1 状态转移表.10 表 3. 1 mm 协议主状态表.22 表 4.1 操作 opertion类定义.33 表 4.2 测试流程类数据部分定义.34 表 4.3 registration on cs .34 表 4.4 registration on cs 可执行测试流程.35 表 4.5 location updating accept消息内容.43 表 4.6 mm 下行消息 location updating accept 内容表.44 图 2.1 一致性测试体系结构.6 图 2.2 一致性测试过程.7 图 2.3 状态转换图.17 图 3.1 umts 网络单元构成示意图.15 图 3.2 uu接口协议结构.18 图 3.3 支持 cs/ps 的 umts 非接入层模型ue 侧.26 图 3.4 mm 状态转换图.28 图 3.5 tmsi 重分配网络显示发起.29 图 3.6 位置更新正常流程.31 图 4.1 系统基本原理图.36 图 4.2 系统结构图.36 图 4.3 测试用例消息控制数据头结构存储示意图.37 图 4.4 测试用例集表示树.42 图 4.5 测试流程执行过程简图.49 图 4.6 3g移动通讯网络 uu 接口和 iu接口的业务控制信令协议结构.62 图 5.1 location updating accept正常时的 msc 图.59 图 5.2 网络侧接受位置更新测试用例.67 图 5.3 网络侧接受位置更新测试流程显示.67 图 5.4 location updating request 消息 ie 显示.68 图 5.5 测试用例执行是的 trace 信息打印信息.68 承诺书 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下独 立进行研究工作所取得的成果尽我所知除文中已经注明引用的 内容外本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体均已在文 中以明确方式标明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 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其他复制手段保存论文 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 日 期 7 第一章 绪论 1.1课题研究的背景和意义 伴随着计算机网络技术的发展为了实现网络中各个节点设备之间的高 效正确通信网络协议也称通信协议的标准化工作也开始展开所谓网 络协议是指在通信节点之间进行通信时为了实现数据的有序发送和接收必 须遵循一些事先约定好的规则标准或约定在这些规则中明确规定了通信 数据的格式数据传送的时序以及相应的控制信息与应答信号等内容1 通信技术也在不断的向前发展从有线通信到无线通信从单纯的语音通 话到图片视频的传输这一切都对通信协议的制定提出了更高的要求通信 协议也开始变得越来越复杂了为了满足更多用户更高速率业务以及更高频 普效率的要求同时减少目前存在的各大网络之间的不兼容性早在 1985 年 itu-r就成立了 iwp8.13 工作组开始研究全球范围内运营的公共陆地移动电 话系统future public land mobile telephone systemfplmts1991 年正 式成立了 tg8/1 工作组专门负责 fplmts 标准的制定工作1992 年国际 电联 international telecommunication union itu 的世界无线管理会议 world administrative radio conferencewarc为 fplmts 确定了 2ghz附近的频 谱1994 年itu-t 和 itu-r 开始合作研究 fplmts其中 itu-t 负责网络 标准化工作itu-r 负责无线接口的标准化工作1995 年fplmts 被正式 更名为国际移动电信 2000 系统international mobile telecommunication 2000 imt-2000imt-2000 支持的网络被称为第三代移动通信系统简称 3g它 可以支持速率达 2mbit/s 的业务而且业务种类涉及语音数据图像以及多 媒体等业务2 从 1996 年开始3g 的研究逐渐成为移动通信领域的热点为了在未来的 全球化标准中占据一席之地体现各自国家地区的利益各个国家组织和 公司纷纷提出了相应的建议和标准现在被 itu 承认并具有一定规模的标准 有 wcdmacdma2000 和 td-scdma 随着通信协议和相关软件的大量出现对通信软件测试理论和技术的研究 也变得重要起来通常情况下协议实现者大都没有参与协议的制定而一个 协议也可能有很多厂家进行开发实现另外由于协议基本上都是使用自然语 言描述的其二义性不可避免协议实现者对协议的不同理解会导致不同的协 议实现有时甚至可能出现错误的实现所以需要一个有效的方法来对协议实 8 现进行检验这种方法就是协议测试协议测试中最基础的就是协议一致性测 试根据协议实现是否和协议标准一致来确定协议实现是否能够和 3g 网络中 的其它协议实现进行通信如果协议实现不能通过一致性测试则此协议实现 将不能完成和 3g 网络中其它协议通信的任务此协议实现是无效用的因此 对协议一致性测试的研究对协议实现能否使用有着重大的意义 1.2国内外研究现状 协议测试最早是在 1979 年由英国国家物理实验室npl national physical laboratory首先开展的1983 年 npl 开始了基于 osi 模型的协议形式化和一 致性测试的标准化工作3协议测试领域中一个重大进展是 iso/iec 于 1991 年推出 iso 9646 系列标准它的诞生是协议一致性测试领域的重要里程碑 它为协议的一致性测试提供了基本方法和组织框架为测试集制定了设计步骤 和描述方法并为系统的实现提供了方法性指导 目前国内外关于协议一致性测试的研究主要集中在两个方面1测试 组织即测试方法的研究和测试系统的建立2测试集即如何从理论和 方法上研究并产生高质量的测试集其中测试集是一致性测试的核心和主线 协议一致性测试系统是实现协议一致性测试的基础两者是相互配合互相制 约的一个好的测试系统可以极大地简化测试序列的设计使得测试能够方便 自动高效的进行而一个好的测试集也可以极大地减轻测试系统的负担 一致性测试的过程大致可以分为四个阶段1协议的形式化描述这 是一致性测试的基础形式化描述的协议规范避免了自然语言的二义性使测 试者或实现者对协议规范有清晰一致的理解2测试序列生成测试序列 是协议一致性测试的核心数据它的检错能力直接影响着测试的错误覆盖率 测试序列的长度影响着测试效率结合具体的测试环境和测试要求可以采用 不同方法描述测试序列以生成测试用例43测试序列执行用特定语 言编写的测试用例经过语言分析和编译转化为可以被实际的测试设备或测试 系统解析的可执行测试用例将可执行测试用例与被测协议实现一起运行执 行测试 生成测试报告4 测试结果分析 根据测试用例执行的结果分析 iut 的协议一致性符合程度得到一致性报告在以上四个阶段中1和2 是协议一致性测试研究的热点已经形成了很多相当成熟的理论但是测试序 列的执行过程也是一个很重要的研究方面如何高效执行测试序列对测试工作 具有举足轻重的作用 9 1.3课题的主要研究内容 本文主要研究内容为针对 3g 移动终端协议栈层 3 协议业务功能的一致性 测试在深入研究 3gpp 协议标准规范和对根据 3gpp 协议标准所实现的终端 协议栈有一定了解的前提下设计并实现了针对本协议栈的协议一致性测试系 统该系统提供了图形化的界面供用户编辑执行测试用例记录测试过程中与 被测系统交互的数据包的内容并将其提供给用户查看该系统实现了体系架构 模块化具有标准接口和灵活的扩展方式具备开放的体系结构该系统模拟 了终端协议栈所使用到的网络功能主要是对 utran 和部分 cn 功能的模拟 当然此处的网络功能仿真只是以实现测试该终端协议栈为目的并不是完全实 现网络侧的功能该系统根据终端协议栈所实现的业务功能需要部分实现了该 系统能够满足测试基本业务功能的需求 本文的主要工作是设计实现了该系统中测试用例编辑模块和测试用例执行 控制模块本测试系统在消息流程中添加版本号和操作相关的信息实现了测 试用例对版本的兼容和测试用例的自动化执行在设计时采用了将协议无关的 平台模块和协议相关的模块分开的方法实现了测试系统的模块化和易扩展 性本测试系统具有良好的用户界面便于测试工作的进行 本测试系统已经运用在某移动终端协议栈的测试工作中对协议栈软件的 质量保证起到了重要作用 1.4 论文的组织结构 本论文共分为六章 第一章绪论介绍了本课题的研究背景和意义分析了国内外目前的研 究现状并介绍了课题的主要研究内容和组织结构 第二章协议一致性测试本章分为四个部分第一部分介绍了软件测试 的基本概念和分类第二部分介绍了协议测试的相关理论和分类第三部分介 绍了协议一致性测试的相关概念过程框架分类和两种测试执行方法第四 部分介绍了协议形式化描述的基本理论和四种应用模型在最后介绍了四种协 议形式化描述语言在此部分中着重介绍了自动机模型和 msc 语言 第三章移动终端协议栈本章分为三个部分第一部分介绍了 3g 移动 通信 umts 的网络系统结构 第二部分介绍了移动终端侧 uu 口协议结构模型 第三部分重点介绍了 nas 层的移动性管理mm协议在后面对测试系统 的设计和应用的介绍中都是以移动性管理协议为例的 第四章移动终端协议栈测试系统设计与实现本章分为三个部分第一 10 部分介绍了测试系统设计思路第二部分介绍了测试系统的框架第三部分首 先给出了测试系统设计中的两个关键技术的实现方法接下来详细说明了系统 中测试用例编辑模块和测试用例执行控制模块的设计和实现 第五章测试系统在 mm 协议测试中的应用以 mm 协议为例给出了 有针对性的测试用例集合并结合一个具体的测试用例说明了本系统的可用 性 第六章总结和展望对论文内容进行了总结指出了本测试系统的缺陷 和不足并给出了今后努力的方向 11 第二章 协议一致性测试 软件测试是用人工或自动方法来执行评价软件产品或其部件的过程以 验证它是否满足规定的需求软件测试分为白盒测试和黑盒测试两类白盒测 试关注程序内部结构而黑盒测试关注的是软件的外部功能56协议测试是 一种黑盒测试方法 2.1协议测试 协议软件作为软件的一种特殊形式自 20 世纪 80 年代以来其开发和测 试方法已经得到了快速的发展并形成了一个崭新的学科协议工程学其 研究范围包括协议说明protocol specification协议证实protocol validation协议验证protocol verification协议综合protocol synthesis 协议转换protocol conversion协议性能分析protocol performance analysis协议自动实现protocol automatic implementation和协议测试 protocol testing 协议测试是在软件测试的基础上发展起来的协议测试是检查协议实现与 协议规范是否一致的过程是保证协议实现能够按照协议规范准确工作的重要 步骤协议测试是一种黑盒测试它按照协议标准通过观察被测协议实现的 外部行为对其进行评价 协议测试包含四个方面的内容7分别是 1一致性测试conformance testing主要测试协议实现是否严格遵 循相应的协议描述判断网络产品的协议实现是否符合协议标准 2互操作性测试interoperability testing主要检查相同协议标准的 不同实现之间是否能够正确的相互连通 3性能测试performance testing用实验的方法来观测被测协议实 现的各种性能参数如响应时间传输延迟数据传输率吞吐量等 4鲁棒性测试robust testing检测协议实体或系统在各种恶劣环境 下的运行能力如通信信道被切断通信系统掉电注入干扰报文等 其中一致性测试是协议测试的最基本内容是另外三种测试的基础 12 2.2协议一致性测试 2.2.1协议一致性测试基础框架 协议一致性测试是一种功能测试在协议一致性测试中只对协议实现的 外部可观察行为进行测试而不涉及协议实现的内部结构协议一致性测试实 质上是利用一组测试用例在一定的网络环境下对被测协议实现进行黑盒测 试通过比较实际输出与预期输出的异同判定被测协议是现在多大程度上与 协议标准相一致 在一致性测试中必须弄明白两个关于被测实现的概念被测实现iut implement under test 是一个协议实体被测试系统sut system under test 则是指 iut所在的系统一个概念上的一致性测试体系结构如图 2.27 lt underlying service ut iut tcp pco pco pdupdu 图 2.1 一致性测试体系结构 iut有一个上层测试ut upper test 接口和下层测试 lt lower test 接口ut 和 lt 通过控制观察点pcopoints of control and observation对 系统进行测试在一致性测试方法框架ctmfconformance testing methodology framework中严格区分上层测试功能和下层测试功能iut 的上层测试由 ut 控制下层测试由 lt 控制测试协调过程tcptest coordination procedures负责协调 lt 和 ut 的动作这在 lt 和 ut 是两个独 立的过程时是十分必要的在测试过程中ut 扮演一个用户来使用 iut 提供 的功能而 lt 则模仿一个 iut 下层的通信实体也就是说ut 与 iut 的交 互是通过 lt 来实现的iut 与 utlt 之间通过抽象服务原语aspabstract service primitives和协议数据单元pduprotocol data units来交换数据8 2.2.2协议一致性测试过程 一致性测试是由 iso/iec9646 国际标准定义的一个完善的测试方法根据 13 iso/iec9646 一致性测试方法的规定测试标准包括 3 个部分抽象测试集 ats abstract test suite协议实现一致性说明 pics protocol implementation conformance specific和协议实现附加信息pixitprotocol implementation extra information for test如图 2.2 所示为一致性测测试的主要步骤9具体 描述如下 协议规范 测试目的 被测试实现 （i u t ） 抽象测试集 （a t s ） 协议实现一致性 说 明和 协议实现附加 信息 （pics/pixit ） 测试方法 可执行测试集（ets） 测试报告 测试iut 图 2.2 一致性测试过程 1仔细阅读理解协议规范研究协议规范的每个特征并为每个特征 编写测试目的确定测试目的是为了验证在产品中是否正确实现了规范中所描 述的特征应根据协议规范来确定测试目的以覆盖 iut的所有特征 2测试目的转化为抽象测试用例 atcabstract test caseatc每 个 atc 都详细描述了测试环境和 iut 之间交互的信息以及测试判决条件覆 盖协议规范所有特征的多个 atc 集合就构成了该协议规范的 ats 3生成 pics/pixit一般来说整个测试集不可能应用于所有的 iut 必须执行一个测试选择程序来决定一个测试项对某一特殊 iut 的可应用性 这种选择程序应该以协议实现一致性说明pics和协议实现附加信息 pixit为依据在设计 pics/pixit 时应根据 ats 中的规定确定哪些 参数包含在 pics 和 pixit 中然后给这些参数赋一个相应的值并能够根 据 iut的不同属性来修改其内容 4确定测试方法针对不同的 iut用户应采用不同的测试方法 5根据 pics/pixit 和测试方法编写测试用例生成可执行测试集 executed test suite ets 14 6使用生成的 ets 测试 iut 7根据测试结果生成测试报告 2.2.3协议一致性测试方法 一般情况下被测实现所处的系统分为端系统和中继系统两大类在 iso/iec9646 中对这两类系统的一致性测试定义了不同的抽象测试方法10 根据一致性测试器中的上测试器ut和下测试器lt所处的位置和各自 的功能端系统的一致性测试方法可分为四种类型本地测试法分布测试法 协调测试法和远程测试法本地测试法可以在被测系统 iut 的上下界面直接 进行观察和控制分布测试法要求有一个上测试器ut提供该界面的 asp 协调测试法不需要上层外接口使用标准的测试管理协议tmptest management protocol和下测试器之间进行测试管理和协调远程测试法中没 有专门的上测试器部分测试器功能由被测系统实现其中分布测试法协 调测试法和远程测试法属于外部测试法这三种测试方法的下测试器lt 都是通过通信链路上传送的协议数据单元pdu对 iut进行控制和观察的 现有的测试执行方法可以划分为两类11基于编译的测试执行方法cte compiling-based test execution和 基 于 解 释 的 测 试 执 行 方 法ite interpreting-base test execution 基于编译的测试执行方法是指在测试执行之前由抽象测试集ats 到可执行测试集ets的转换已经由转换器或编译器完成这一过程是非常 费时的但是提高了测试执行的效率可执行的机器码由许多独立的测试例组 成它可以象一个已经编译过的过程一样被测试器所调用基于编译的测试执 行结构由三部分组成转换器编译器和执行器转换器将 ats 转换成一种 标准的或非标准的计算语言然后由编译器将这种计算语言进行编译生成 ets执行器的功能包括接收测试执行控制信息和运行指定的测试用例它并 不深入到测试用例中的每一个测试步例如编码和解码等等 在基于解释的测试执行方法中从 ats 到 ets 的转换是在测试执行过 程中完成的这种方法使得用户可以对测试过程进行动态观察与控制但测试 执行的效率较低在 cte 中执行器只是简单地通过调用每个已经编译好的 测试用例来执行测试但是在 ite 中测试器和解释器是一同工作的逐个 对测试用例进行解释和执行所以在 ite 中可执行测试用例只有在测试过 程中才存在对于一个测试用例ite 顺序地读入每一个测试步编码并执行 此测试事件接收响应的 pdu/asp解码并将接收到的 pdu/asp 与测试例 中的内容相比较以确定下一步要执行的测试步 本课题是对终端协议栈的测试采用的是端系统一致性抽象测试方法中的 15 本地测试法即从被测系统 iut 的上下 pco 直接进行观察和控制本课题所 实现测试系统使用的是基于解释的测试执行方法 2.3 协议的形式化描述 通信协议的标准化工作开展以后协议的形式化描述问题也被提上了议 程虽然自然语言描述的协议简单易懂但是由于自然语言天生的缺点容 易使协议描述出现不严格存在二义性等问题不同的人对用自然语言描述的 协议可能会产生不同的理解这样就有可能导致协议实现出现偏差甚至还可 能导致协议实现之间的通信不能正确进行协议的形式化描述则能最大限度的 解决上述的问题 形式化技术解决的问题是用什么样的数学模型能够严密地描述协议的逻 辑结构时序关系以及各种协议特性并且还能使协议验证协议综合协议 实现和协议测试变得容易通过使用形式化描述方法可以对协议进行精确的 描述和严格的分析以便确定其正确性和一致性形式化描述作为协议验证和 协议一致性测试的基础有助于实现协议验证和一致性测试的自动化或半自动 化 目前大量的形式化描述方法不断被提出并应用到实际的协议开发中常 用的形式化描述模型主要有有限状态机fsmfinite state machines 11 13 petri 网14时序逻辑15tltemporal logic进程代数the algebra of process其中进程代数中包含通讯进程演算716ccscalculus of communication system通信顺序进程communication sequential process 等形式化描述语言也是一种协议的形式化描述方法在过去的几十年中也得 到了很大的发展形成了一些成熟的方法下面将分别介绍一些比较有典型意 义的形式化描述方法 2.3.1 有限状态机fsm 有限状态机fsmfinite state machines是最常见的协议形式化描述模 型但是对于有限状态机没有统一的定义下面按照文献12给出有限状态机的 定义 定义 3.1 非确定的有限状态机nfsmnondeterministic finite state machine是一个六元组 a=sxys0hda其中 s=s0s1s2sn-1是状态的有限集合 x=x0 x1x2xm是输入的有限集合 y=y0y1y2yn是输出的有限集合 16 s0是初始状态 h 是行为函数behavior function可表示为 hdapsyps y表示 sy 的幂集powerset da是一个声明域specification domain是笛卡尔积 sx 的子集 状态转移函数定义了有限状态机可能的转移si-x/ysj表示对每个当前状 态 si和输入 x在状态转移函数作用后转移到下一个状态 sj并且得到输出状 态 y 状态转移函数 h 和声明域 da共同定义了状态的转换集合 t每个元素可 以表示一个三元组 t=sisjlk其中 sis 称为转换 t 的头状态lk=x/y 其中xx 和 y=hsxy 分别为转换 t 的输入和输出sj=hsix s 称为转换 t 的末状态相应的一个 nfsm 也可以表示为五元组的形式a= sxys0t 定义 3.2 有限状态机 fsm 是这样的一个非确定的有限状态机 nfsm1 对所有的sx属于 da |hsx|=1 成立2用两个函数状态转移函 数the next state function和输出函数the output function来代替行 为函数 h 一般情况下如果存在 k 个状态 si1si2siks和输出序列=y1y2 yky* 使转换序列 si-x1/y1si1-x2/y2si2sik-1-xk/yksik在此有限状态机fsm 中成立那么就称= x1x2xkx*为状态 sis 的可接受输入序列acceptable input sequence for state 用状态转换表表示有限状态机如下表 2.1 所示表中的列代表当前状态 行代表输入行列交叉处为当前状态接受到相应输入后的下一状态及输出/ 后为输出 表 2.1 状态转移表 inputstate ab s0s0/0s1/1 s1s1/1s2/1 s2s2/0s0/0 此外还可以用状态转换图来对有限状态机 fsm 进行表示状态转换图 中的顶点对应于 fsm 中的状态顶点之间的边代表 fsm 中状态之间的跃迁关 系每条边上都标记以相应跃迁的输入与输出label如果状态机中某些状 态之间存在多种跃迁触发关系在图中对应的顶点以多条边表示图 2.4 给出 了与表 2.1 相对应的有限状态机的状态转换图 17 s0 s2s1 a/0 a/0 a/1 b/1 b/0 b/1 图 2.3 状态转换图 有限状态机模型直观性强可以与其它形式化方法进行组合或转换并且 易于自动实现但通常难以描述复杂的系统当描述大规模复杂的协议时 常面临状态爆炸的问题 2.3.2 petri网 petri网 (pnpetri net)是德国学者 carl adam petri 在其博士论文自动 机通信中首先提出的一种特殊的自动机模型该模型建立在并发的概念上 它能够直观地表示非确定性 可用于描述通信系统中异步成分之间的关系 petri 网具有一套成熟的数学理论工具在通信领域特别是通信协议验证方面得到 了广泛的应用petri 网可以清楚的表达两个进程之间的通信petri 网以其清 晰直观的图形表示坚实的数学基础和分析技术而得到广泛的应用但是它在 刻画复杂系统时显得异常繁琐不利于描述协议的进展情况当对大型复杂协 议进行描述时同样存在着状态爆炸的问题 2.3.3 时序逻辑tltemporal logic 时序逻辑tltemporal logic具有精确的语义定义通过使用时序算 子来描述事件的顺序以及相互关系在时序逻辑描述中使用辅助的时序算子 定义时序逻辑公式每个公式都是关于状态序列的一个断言一个时序逻辑描 述由一组时序公理组成这些公理描述了从系统执行开始产生的所有状态序列 都为真的性质时序逻辑描述严密实现独立性完好但是其描述比较复杂 可读性差 2.3.4 进程代数the algebra of process 进程代数将协议描述成进程的集合通过进程事件的集合和进程的迹来描 进程的行为通过并发选择递归等来描述进程之间的关系它能够严密地 18 表述协议的逻辑结构协议的时序性而且有助于协议验证r. milne 提出的 通讯进程演算 ccs 和 c.a.hoare 提出的通信顺序进程 csp 都是基于这样的理 论 2.3.5 通信协议形式化描述语言 形式化描述语言以一种或多种数学方法为基础具有严格定义的语法和语 义可以精确的表述协议的功能性能及行为等在形式化描述语言的发展过 程中形成了下面几种比较典型的语言11lotos 语言estelle 语言sdl 语 言和消息序列图mscmessage sequence chart 17 lotos (language of temporal ordering specification)是由国际标准化组织 isointernational organization for standardization组织开发的一种形式化描 述语言在基于 lotos 的描述中一个通信系统可以描述成为一系列有时间 顺序的可由外部观察的事件lotos 使用通信系统演算(ccscalculus of communicating system)来描述进程的行为和交互并且使用 act one语言来 描述数据结构和表达式act one 是一个抽象数据类型语言它的数学模型 是代数规范 estelle 也是由 iso 组织开发的一种形式化描述语言它在扩展有限状态机 (ef sm)模型的基础上使用 pascal 语法和数据类型进行了扩展能够描述系 统的细节进程的并发和进程间的通信但其对递归共享通道(广播通道) 同步通讯协议性质(如不变性)等缺乏有力的描述手段它通常被用作描述分 布式系统和并行信息处理系统 sdl(specification and description language)语言是由国际电报电话咨询委 员会ccittconsultative committee for international telegraph and telephone 组织开发的电信领域的国际标准这是一种基于扩展有限状态机和抽象数据类 型的混合技术能够精确定义通信系统功能规格及其行为描述主要应用于实 时交互分布式系统的形式化描述目前已被电信公司广泛应用于描述电路分组 交换系统 msc 图是由 iut-t 提出的用来表示消息序列的语言msc 图可以方便的 表示出信号的流向即信号是从什么进程发送到什么进程信号是否带有参数 具体的参数值等信息都可以直观的表示在 sdl msc 图中这对于了解和分析 信号在各个模块间的传递带来了很大的方便msc 图能够很明确的给出信号 的交互方向和信号传递的先后顺序 这个优点是别的几种方式所不具备的 msc 图广泛应用在对协议的理解分析描述中在协议一致性测试领域使用 msc 来描述测试用例也是很普遍的做法1718在下面对协议的描述和对测试 用例的描述中会用到这种形式化的方法 19 2.4 本章小结 协议测试是在黑盒测试的基础上发展起来的在本章中首先介绍了软件 测试和协议测试的相关概念并在此基础上引入了协议一致性测试的概念基 本框架测试执行过程测试方法等内容在本章的最后介绍了协议的形式化 描述方法给出了四种常见的形式化描述模型和四种形式化描述语言其中重 点介绍了有限状态机模型和 msc 语言 20 第三章 移动终端协议栈 移动终端协议栈的实现和协议的一致性测试都是依据协议标准进行的为 了研究协议一致性测试方法首先要先对协议标准的具体内容进行详细的分 析下面首先介绍 umts 网络的基本结构并着重介绍其无线部分的接口 本章的第三部分详细介绍 nas 协议标准内容 3.1 umts 网络 通用移动通信系统 (umtsuniversal mobile telecommunication systems) 是采用 wcdma 空中接口技术的第三代移动通信系统3g通常也称为 wcdma 系统它由核心网cncore networkumts 陆地无线接入网 utranumts terrestrial radio access network和用户设备ueuser equipment组成umts 网络在设计时遵循以下原则无线接入网与核心网 功能尽可能分离即对无限资源的管理功能集中在无线接入网完成而与业务 和应用相关的功能在核心网执行其中cn 与 utran 的接口定义为 iu接口 utran 与 ue 的接口定义为 uu接口 从技术规范的角度来看ue 和 utran 都是全新的协议这些新协议的 制定基于对 wcdma 新无线技术的需求至于 cn 的定义则承袭了 gsm 技 术这样极大地加速了该系统的引入并且具有全球漫游的竞争优势 umts 网络系统中所包含的基本网元如图 3.1 所示下面将逐一概括介绍 这些网元的基本内容2 ue 是用户终端设备主要包括射频处理单元基带处理单元协议栈模 块以及应用层软件模块等ue 通过 uu 接口与网络设备进行数据交互为用 户提供电路域cscircuit switch和分组域pspacket switch内的各种 业务功能包括语音数据通信移动多媒体和 internet 应用等ue 包括两 个部分分别为 me mobile equipment 移动设备 和 usim umts subscriber identity moduleumts 用户完整性模块me是通过 uu 接口和 utran 进 行无线通信的移动终端mtmobile terminalusim 是一张提供用户身份 识别的智能卡 21 me node b node b rnc node b node b usim sgsnrnc msc/ vlr gmsc hlr ggsn plmn pstn isdn等 internet ue cu uuiu iub iur utran cn 外部 网络 图 3.1 umts 网络单元构成示意图 utran 负责处理所有与无线通信有关的功能包括两个部分 node b 和 rncradio network controller无线网络控制 19 1node b 是 wcdma 系统的基站包括无线收发信机和基带处理部 件主要完成 uu 接口物理层协议的处理它的主要功能是扩频调制信道 编码及解扩解调信道解码还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能 也参与无线资源管理 2rnc 拥有和控制它管辖内的无线资源rnc 是 utran 提供给 cn 所有业务的业务接入点例如管理 cn 到 ue 的连接 cn 负责对语音及数据业务进行交换和路由查找以便将业务连接至外部 网络cn 主要包括以下网络单元 msc/vlrmobile switching centre/visitor location register移动交换中心/访问位置寄存器gmscgateway mobile switching centre网关移动业务交换中心sgsnserving gprs supporting node服务 gprs 支持节点ggsngateway gprs supporting node网 关 gprs 支持节点和 hlrhome location register归属位置寄存器 1msc/vlr 是为当前位置的 ue 提供电路交换cscircuit swtich 业务的交换中心msc和数据库vlrm