WIA-PA协议一致性测试方法研究

谢昊飞，姚 俊，陆 楠，王淮民

（重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065）

近年来，一致性测试是国际上非常关注且发展较快的一个研究领域。现有的协议一致性测试方法主要分为三类：计算机互联网络协议一致性测试方法、移动通信网络协议一致性测试方法和工业无线通信网络协议一致性测试方法。计算机互联网络协议一致性测试方法适用于有线网络协议一致性测试，移动通信网络协议一致性测试方法虽然也是无线协议，但是它的协议体系结构和通信方式与工业无线网络协议有较大区别，例如移动通信网络对通信确定性和实时性通常没有苛刻的要求，而工业无线网络必须保证通信的确定性和实时性,需要系统模块之间的精确时间同步。鉴于以上情况，本文提出一种新的测试方法以满足WIA-PA协议一致性测试需求。

1 WIA-PA协议一致性测试系统结构

WIA-PA协议一致性测试结构由智能分析仪、被测设备和上层测试软件组成，其中智能分析仪中包括测试代理模块、环境模拟模块和全信道数据捕获控制模块[1]。其拓扑结构如图1所示。上层测试软件由人机接口模块和一致性测试模块组成，其中人机接口模块为测试人员提供控制测试过程的方法，并且用来显示测试结果和测试界面；一致性测试模块由说明文档一致性检查模块、测试例选择模块、测试执行模块、测试结果分析模块和测试报告生成模块组成。被测设备中有上测试代理（UTA）和被测协议实现（IUT）[2]。

该WIA-PA协议一致性测试系统硬件环境由测试计算机、测试代理设备、被测设备三部分构成。测试计算机软件由人机接口模块、功能测试例模块、案例调度与响应分析模块构成。人机接口模块完成以手动或者静态文档导入的方式实现可执行测试集的生成、响应分析结果的显示以及测试报告的生成等功能；测试例库包含了WIA-PA标准所定义的各协议层相应功能的测试例集合，供测试时选择；案例调度与响应分析模块对可执行测试集中的测试例进行自动化调度与响应报文分析。

测试代理设备软件由下测试代理模块、标准协议实现内核和协议实现接口构成。测试代理模块完成与测试计算机的交互及标准协议内核调用的功能；标准协议实现内核具有WIA-PA标准定义的较为全面的功能模块；协议实现接口模块为下测试代理和协议内核模块提供连接插口。

被测设备由上测试代理模块、被测协议实现接口模块和被测协议实现构成。上测试代理模块具有较强通用性，能够嵌入到不同的被测协议实现中，接收测试代理设备发送的激励报文并进行解析,根据测试命令类型决定采取某种动作。被测协议实现接口模块是被测协议实现提供给上测试代理调用的协议实现接口。

2 测试代理软件

为了控制和观察WIA-PA参考协议实现和被测协议实现，需要设计和开发WIA-PA协议一致性测试代理软件模块。WIA-PA协议一致性测试系统中，测试代理软件模块包括下测试代理LTA(Lower Test Agent)和上测试代理 UTA(Upper Test Agent)，LTA和 UTA作为用户应用进程在测试前分别嵌入到测试设备和被测设备中，使设备支持WIA-PA协议一致性测试[3]。

LTA是在执行测试前嵌入到参考协议实现 RI（Reference Implementation）中实现下测试代理功能的用户应用进程，在测试过程中代理测试计算机发送UTA命令，通过调用RI完成UTA命令的封装与发送，并将UTA响应报文上传至测试计算机。LTA由协议栈转换接口模块和命令分析模块构成。

UTA是在执行测试前嵌入到被测协议实现 IUT（Implementation Under Test）中实现特定功能的用户应用进程,它通过接收UTA命令对IUT进行控制观察。UTA由协议栈转换接口模块、命令处理模块和数据管理模块构成。使用LTA和UTA对WIA-PA被测实现进行一致性测试的通信过程如图2所示。

3 WIA-PA协议一致性测试抽象测试集的设计

WIA-PA协议遵守ISO/OSI的7层结构,但只定义数据链路子层、网络层、应用层，其物理层和介质访问控制子层则基于IEEE STD 802.15.4-2006[4]。定义了5类物理设备：主控计算机、网关设备、路由设备、现场设备、手持设备及其相应的功能。因此在抽象测试集的设计过程中采用分层次、分类型和分功能的基本原则[5-6]。WIAPA抽象测试集的树状结构如图3所示。

4 WIA-PA协议数据链路层典型测试例实现

(1)一致性测试要求：为了保证设备间无冲突的通信，要求网络中的设备与时间源进行同步。WIA-PA利用信标帧进行时间同步或应用WIA-PA专门设计的时间同步命令帧进行时间同步。

(2)测试目的：验证被测设备时间同步能力是否在WIA-PA标准所规定的最大同步误差范围内。

(3)预置条件：被测设备为现场设备或路由设备，在网状结构中，测试设备作为世界协调时间源，所有路由设备与测试设备进行时间同步；在星型结构中，路由设备作为时间源。

(4)测试步骤：①测试计算机命令测试设备向网络广播时间同步测试UTA命令报文，帧载荷中包含时间同步差采样报文数量信息。②在所申请的通信资源内，UTA对信标中的时间信息进行采样，并在本地计算时间同步差值，测试设备将结果上传至测试计算机，并对被测设备时间同步能力进行评估。③当满足设定采样数量时，测试计算机命令测试设备向网络广播时间同步结束命令帧，或者UTA自动检查采样报文数量是否已满足设定值，从而自动释放通信资源。

测试结果如图4所示。图4中，frame1为测试设备接收到测试计算机通过SComAssistant软件发送的测试命令后,向网络广播的时间同步测试UTA命令帧。由图可知,该命令帧的网络目的地址NWK Dest.Address=0xFFFF，为全网广播，UTA命令中包含的时间同步差采样报文数量为0x64=100条。被测网络设备的UTA接收并解析该命令后，向测试设备发送采样并计算后的时间同步差报文。frame2为源地址NWKSrc.Address=0x0100的被测设备1发送的时间同步测试响应帧。frame3为源地址NWKSrc.Address=0x0101的被测设备2发送的时间同步响应帧。frame4为源地址NWKSrc.Address=0x0102的被测设备3发送的时间同步测试响应帧，测试响应帧包含了采样序列号和时间同步差值信息。根据采样序列号可判断是否达到设定的采样报文数量，根据时间同步差值信息可计算出时间同步精度，从而评估被测设备的时间同步能力。

测试设备在接收到网络的时间同步测试响应帧后，上传至测试计算机进行一致性分析，如图5所示。测试设备上传至测试计算机的信息包括被测设备的地址和时间同步信息，测试计算机分析软件可以依据这些信息绘制出时间同步曲线并计算出设备的时间同步精度。

本文根据WIA-PA协议的特点和要求，给出了一种针对WIA-PA协议一致性测试的系统结构和测试方法，并对一致性测试所需要的测试代理软件的功能进行了阐述和实现，设计出了用于LTA与UTA通信的测试协调协议及其报文格式，列出了WIA-PA协议一致性测试抽象测试集并通过数据链路层网络时间同步测试例说明了WIA-PA协议一致性测试系统的一般测试过程。

[1]IEEE Standard 802.15.4-2006.Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs)[S].2006.

[2]工业无线网络WIA规范,第1部分:用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范[S].中华人民共和国国家标准,2010.

[3]ISO/IEC 9646-1 to 7,Information technology-Open systems interconnection-Conformance testing methodology and framework-Part 1 to Part 7[S].1994.

[4]Wireless HARTTM Technical Data Sheet.The official Source for HART Communication Technology[EB/OL].www.hartcomm.org.

[5]ISA100.11a Draft Standard.Wireless systems for industrial automation:Process control and related applications[S].ISA100.11a Working Group.2009.

[6]王平,易明华,王浩文,等.EPA协议一致性测试方法研究[J].自动化仪表,2006,27(10):7-10.