2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 天津大学计算机科学与技术学院, 天津 300072
2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China;
3. School of Computer Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 3000072, China
1 引言
无线技术具有低成本、 易使用、 易维护等优点，使得以较低投资和使用成本实现“泛在感知”和“全流程优化控制”的工业测控系统成为可能，已成为工业测控和无线领域新的研究热点. 美国能源部(DOE)曾指出: 这种基于工业无线网络的低成本测控系统代表着工业自动化系统技术的发展方向，在石化、 冶金、 污水处理等高耗能、 高污染行业有着广泛的应用前景[1].
我国研制的具有自主知识产权的WIA-PA工业无线网络协议标准是与Wireless HART、 ISA100.11a并列的IEC正式国际标准[2, 3, 4, 5]. 国际知名咨询机构IMS Research在2011年发布的市场分析报告中预测，未来5年WIA-PA技术的市场规模将以每年超过150％的速度快速增长.
由于网络协议通常是以自然语言描述的文本，协议实现者对于同一标准的不同理解会导致相同标准的不同甚至是错误实现. 这些错误将导致不同设备提供商所开发的产品无法实现互联、 互通和互操作. 为此，协议测试是标准应用和推广的前提.
协议测试一般采用黑盒测试的思想[6]，包括一致性测试、 互操作性测试、 性能测试和健壮性测试4个方面. 其中，一致性测试是最基本的测试内容，是其它测试的基础.
目前，最为成熟的协议一致性测试规范是国际标准化组织ISO制定的ISO/IEC 9646标准. ISO/IEC 9646标准用自然语言描述了基于OSI 7层参考模型的协议一致性测试过程、 概念和方法[7]. 由于ISO/IEC 9646侧重于测试通用性，其中定义的测试框架未考虑被测协议的特点，对特定协议的测试缺乏具体的指导. 为此，出现了大量针对具体协议的测试方法和测试规范[8, 9, 10, 11].
随着WIA-PA标准成为中国国家标准(GB/T 26790.1-2011)和IEC国际标准(IEC 62601)，针对WIA-PA协议测试的研究逐渐涌现. 文[12, 13, 14]研究针对WIA-PA协议的分层测试框架以及原语测试集的分类方法. 文[15, 16]研究一致性测试平台的搭建与实现，并给出了部分测试用例. 目前针对WIA-PA一致性测试的相关研究存在以下问题:
(1) WIA-PA协议栈采用跨层架构，传统的分层测试方法存在重复测试率高、 测试效率低、 完备性不足和部分测试用例无法执行的问题.
(2) 由于WIA-PA标准定义了网状和星型混合的两层拓扑结构，现有测试方法无法覆盖这种复杂拓扑结构的不同场景，导致测试集不完备.
(3) 目前没有一套完善的WIA-PA协议测试系统，测试过程缺乏平台支撑.
针对上述问题，本文提出了一种基于设备生命周期Petri网的WIA-PA协议一致性测试方法，设计开发了WIA-PA协议的一致性测试平台，并在该平台上验证了本文所提方法的有效性.
2 WIA-PA概述WIA-PA标准中定义的关键设备包括: 现场设备、 路由设备和网关设备.
●现场设备(field device，FD): 安装在工业现场，连接或者控制生产过程的设备，包括无线传感器、 执行器和控制器.
●路由设备(routing device，RD): 网络中完成管理现场设备和转发报文等功能的设备.
●网关设备(GateWay device，GW): 负责连接WIA-PA网络与其它工厂网络的设备.
WIA-PA支持两种拓扑结构: 一种是现场设备直接与网关设备连接构成的星型结构； 一种是如图 1所示的网状和星型混合的两层拓扑结构(第1层网状结构，由网关设备和路由设备组成； 第2层星型结构，由路由设备、 现场设备或手持设备构成)[4].
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| 图 1 WIA-PA网状和星型结合的拓扑结构Fig. 1 WIA-PA topology combination of star and mesh |
如图 2所示，WIA-PA采用跨层协议栈架构. 尽管WIA-PA在IEEE STD 802.15.4物理层技术上定义了数据链路层、 网络层和应用层，但负责WIA-PA系统管理功能的设备管理应用进程(device management application process，DMAP)采用跨层架构，可同时与各协议层进行交互. DMAP是每个设备中完成系统管理功能的实体，包括网络管理模块、 安全管理模块和管理信息库模块(management information base，MIB). WIA-PA的DMAP实现跨层管理，改进了协议栈效率和最优性. 图 2中灰色区域的应用层，由用户自定义. 灰色部分的DMAP不在测试集生成中体现.
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| 图 2 WIA-PA的跨层架构Fig. 2 Cross-layer architecture in WIA-PA protocol |
不同的拓扑结构和网络场景将生成不同的测试集. 根据WIA-PA协议定义的网状和星型混合的两层拓扑结构，将测试过程划分为4类子拓扑予以考虑，如图 3所示，分别为: (1) 网关设备—现场设备； (2) 网关设备—路由设备； (3) 网关设备—路由设备—现场设备； (4) 网关设备—路由设备—路由设备.
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| 图 3 WIA-PA一致性测试模拟的具体场景Fig. 3 Specific test scenarios of WIA-PA conformance test |
针对前文所述的WIA-PA协议的一致性测试方法存在的问题，本文对WIA-PA设备从加入网络、 在网运行到离开网络的全部过程，建立Petri网模型. 然而，不同WIA-PA设备具有不同的生命周期模型，且不同的测试场景也会产生不同的测试集. 本文按照WIA-PA设备类型对一致性测试集进行分类，每一类对应设备的生命周期以及对应的测试场景，具体分类如图 4所示.
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| 图 4 基于WIA-PA设备生命周期一致性测试集分类Fig. 4 Classification of WIA-PA protocol conformance testing based on life cycle |
基于3.1节WIA-PA协议一致性测试场景，本文将分别模拟这4种场景生成测试集. 本文以“现场设备和网关设备直接相连的星型拓扑结构”测试场景下的现场设备为例，介绍其测试方法，并在附录给出基于协议栈分层的WIA-PA一致性测试方法，用于比较研究.
测试集中的测试用例是根据测试序列构造的. 测试序列是指在Petri网中，在设定最大自循环次数的基础上，起始于初始库所，终止于初始库所或者终止库所的一条有向路径.
本文所提基于生命周期的Petri网模型就是以现场设备从加入网络，到运行，再到离开网络的生命周期为行为主线，建立Petri网模型. 建成后的Petri网模型如图 5所示，该Petri网模型中库所和变迁的具体含义如表 1所示. 从中可知各部分状态和转换之间的逻辑关系，具体由4个部分构成:
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| 图 5 WIA-PA现场设备生命周期Petri网模型Fig. 5 Petri net model of field device of WIA-PA based on life cycle |
| 状态(库所) | 行为(变迁) |
| P0: 初始化Scanning状态 | T0: 接收到网关Beacon信标帧 |
| P1: Synchronizing状态， 发送Joining Request加入请求 | T1: 接收到应答ACK |
| P2: 接收到ACK， 等待加入响应 | T2: 接收到错误加入响应Joining Response: FAILURE |
| P3: 成功加入， Joined状态 | T3: 超时重传 |
| P4: 回应ACK | T4: 接收到正确加入响应Joining Response: SUCCESS |
| P5: 接收到超帧配置响应SUCCESS， 等待ACK | T5: 接收到网关发出的超帧配置请求 |
| P6: 接收到超帧配置响应FAILURE， 等待ACK | T6: 现场设备发送超帧配置响应SUCCESS |
| P7: 成功配置超帧 | T7: 现场设备发送超帧配置响应FAILURE |
| P8: 回应ACK | T8: 接收到应答ACK |
| P9: 接收到链路增加响应SUCCESS， 等待ACK | T9: 接收到应答ACK |
| P10: 接收到链路增加响应FAILURE， 等待ACK | T10: 接收到网关发出的链路增加请求 |
| P11: 成功完成链路增加， 加入全状态完成 | T11: 现场设备发送链路增加相应SUCCESS |
| P12: 现场设备被动离开， 向网关发送离开响应 | T12: 现场设备发送链路增加相应FAILURE |
| P13: 现场设备主动离开， 等待网关离开响应 | T13: 接收到应答ACK |
| P14: 现场设备成功离开网关设备 | T14: 接收到应答ACK |
| T15: 现场设备接收离开请求 | |
| T16: 现场设备发送离开请求 | |
| T17: 接收到被动离开响应SUCCESS | |
| T18: 接收到主动离开响应SUCCESS | |
| T19: 接收到主动离开响应FAILURE | |
| T20: 接收到被动离开响应FAILURE |
●第1部分为现场设备通过扫描信道，进行时间同步后，加入网关设备的行为.
●第2、 3部分为网关设备为现场设备分配通信资源的行为，包括链路分配和超帧分配，随后进入正常运行过程.
●第4部分为现场设备离开网络的行为，包括主动离开过程和被动离开过程.
图 5中的Petri网模型，由于每次只允许有一个变迁点火，所以Petri模型中只有一个token. 附录中的Petri网token数量，与此模型相同.
3.2.2 可覆盖性图利用可覆盖性树的建立方法[14]，构造本文Petri网模型的可覆盖性树. 在可覆盖性树的基础上，合并相同的状态节点(State)之后，得到如图 6所示的可覆盖性图. 根据Petri网的可达性定义，表 1中存在变迁序列T0，T1，…，T20和标识序列P0，P1，…，P14，使得变迁序列在初始标识P0发生后，能得到最终标识P14，故该Petri网是可达的. 由所建立的可覆盖性图可知，模型中的全状态均可达，可以用于抽取一致性测试集.
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| 图 6 可覆盖性图Fig. 6 Coverability graph |
本文在可覆盖性图遍历[17, 18]的基础上，提出了一种基于WIA-PA设备生命周期Petri网的测试集生成算法.
对于本文所述的安全Petri网[19]，即Petri网模型中所有库所的容量不超过1，用PN=(P，T，F，M0)表示，其中
P=｛P1，P2，…，Pn｝为库所集合，其中n为库所总数；
T=｛T1，T2，…，Tm｝为变迁集合(P∩T= ∅，P∪T≠∅)，其中m为变迁总数；
F ⊆(P×T)∪(T×P)为流关系(关系弧)；
M0: 为初始标识向量(状态)[18]. 若使用Et表示变迁t的使能标识集的特征函数，即
在标识M下使能迁移t的迁移函数δt将每个属于Et的标识M变为新的标识M′，定义为
由图 5可以看出，本文所涉及的标识集中，没有两个并发变迁t的情况. 在迁移函数δt导出中，求一个标识集下由于迁移t引发而得到的可达标识集的运算，称作img运算，img运算可表达为
标识集M下一步能到达的标识集，即可达标识集为
标识集M的可达标识集Δ(M)可通过基于img运算的符号遍历算法求出. 该算法在宽度优先搜索算法的基础上，引用贪婪链技术实现了求可达标识集的计算，即每次计算都是求一个标识集的可达标识集，而不是求某个标识的可达标识，进而减少了生成Petri网所有可达标识集的运算次数[20]. Petri网的符号遍历算法:
TTCN(tree and tabular combined notation)，即数表结合的标识方法，用来描述抽象测试集及定义测试系统和被测系统协议实现的行为. TTCN可以提供一种能将抽象测试集标识为标准化测试集的方法和一种独立于测试方法及协议层的标识方法[21]，并能清楚地反应抽象测试集的层次结构. 故本文采用TTCN表示抽象测试集. 由可覆盖性图抽取出的抽象测试集如表 2所示.
| 测试集 | |
| 第1部分 | TS11=S0T0S1T1S2T2S0 TS12=S0T0S1T1S2T4S3 TS13=S0T0S1T3S1 |
| 第2部分 | TS21=S3T5S4T7S5T8S3 TS22=S3T5S4T6S6T9S7 |
| 第3部分 | TS31=S7T10S8T12S9T13S7 TS32=S7T10S8T11S10T14S11 |
| 第4部分 | TS41=S11T15S13T17S14 TS42=S11T16S12T18S14 TS43=S11T16S12T19S11 TS44=S11T15S13T20S11 |
抽象测试集的TTCN如图 7所示.
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| 图 7 基于设备生命周期的测试集的数表结合的标识方法Fig. 7 TTCN of test sets based on device life cycle |
针对以上现场设备从加入网络到离开网络全过程的抽象测试序列说明如下:
●一致性测试集中的每个测试序列，可以对应一个或多个测试用例. 例如测试用例TS11，包含的测试用例为S0T0S1T1S2T2S0.
●对每个测试序列可以进行具体描述，并根据序列描述进行测试用例划分. 具体划分方法可以根据实际情况进行. 例如，对TS13=S0T0S1T3S1，可以描述为: 现场设备初始化Scanning状态； 收到Beacon信标帧后发送加入请求； 现场设备未收到加入响应，超时重传，回到状态S1，TS13结束.
4 实验验证在建立Petri网模型并抽取一致性测试集之后，本文设计并开发了WIA-PA协议一致性测试平台，利用重复执行指数和有效执行率对一致性测试集的选取进行性能上的评估和比较.
4.1 测试平台设计与开发测试平台的整体架构如图 8所示，包括用户交互模块、 测试集内部解释执行模块、 通信前端交互模块以及测试集支持模块. 其中用户交互模块、 测试集内部解释执行模块以及测试集支持模块全部在Linux上位机上开发. 测试前端交互模块的实现采用MSP430平台的无线通信模块，选用TIChipcon CC2420作为无线射频芯片.
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| 图 8 WIA-PA一致性测试测试平台总体设计框架Fig. 8 Framework of WIA-PA conformance testing platform |
(1) 用户交互模块: 用于测试人员定义测试相关的人机交互功能.
(2) 测试集内部解释执行模块: 用于执行测试集，并根据被测设备的表现，进行一致性分析.
(3) 测试前端交互模块: 用于和被测设备进行RF(radio frequency)信息交互，并实现测试主机与被测设备之间的信息传递.
(4) 测试集支持模块: 包括规则库和一致性测试集，提供WIA-PA标准支持.
4.2 评价指标本文定义了重复执行指数和有效执行率两个性能评价指标.
重复执行指数: 用于表征所生成测试用例的重复执行程度. 具体定义为: 在根据Petri网建立模型的基础上而抽象出测试集的过程中，单个状态和变迁出现的总数与测试集总数的比值越大说明单个状态或变迁在一致性测试中的重复度越高，也就是重复执行测试用例越多，测试效率越低. 状态重复指数 
定义为
有效执行率: 用于表征所生成测试用例集的测试难度和可测试性. 在无线协议测试中，双方收发报文是测试的基本依据，生成的测试用例是否有报文收发直接决定测试难度，甚至是否可测试. 有效执行率定义为测试集生成交互报文总数与状态变迁总数的比值. 比值越大，说明所生成测试集更易于进行测试. 有效覆盖率η的定义为
基于所开发WIA-PA一致性测试平台，本文比较了所提方法和分层测试方法的重复执行指数和有效执行率，如表 3所示.
| 测试方法 | 重复执行指数 | 有效执行率/% |
| 基于协议分层测试 | 9.58 | 50.00 |
| 基于生命周期测试 | 5.72 | 86.11 |
本文所提方法在测试重复指数和有效执行率方面优于分层测试方法，原因在于:
WIA-PA的跨层设计协议栈导致分层测试过程中出现层间反复调用问题，增加了测试用例重复执行率. 例如，在基于协议分层的测试中，参见附录中的分层模型，分层模型当数据链路层(DLL)测试运行至S3状态时(见图 12)，测试需要跨层调用网络层(NL)测试集TS5(见图 9)，重复调用次数与S3状态被调用次数相同，从而造成重复测试用例增多导致重复执行指数过高.
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| 图 9 现场设备网络层Petri网模型Fig. 9 Petri net model of field device NL |
WIA-PA的跨层设计协议栈以及复杂的拓扑结构等因素，使得分层测试方法所生成用例存在无报文收发的现象，从而导致用例的有效执行率低. 例如，附录的基于分层的抽象测试集中，能够生成实际测试报文的状态集合为W=WNL+WDLL，WNL=｛T0，T1，T2，T7，T8｝； WDLL=｛T0，T1，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T10，T11｝. 生命周期测试集中可转换状态集合W=｛P1，P2，P4，P5，P6，P8，P9，P10，P12，P13，T0，T1，…，T20｝.
5 结束语本文针对WIA-PA协议一致性测试过程中测试集生成重复率高、 执行率低的问题，提出了基于设备生命周期Petri网的WIA-PA一致性测试方法； 设计并开发了一致性测试平台，依据所定义的重复执行指数和有效执行率两个性能指标，对所提方法与分层测试方法进行了比较，验证了所提方法的有效性. 下一步拟开展如下工作: 首先，WIA-PA协议采用了CSMA(carrier sense multiple access)和TDMA(time division multiple address)混合接入机制，对TDMA测试流程的分析必然要引入时间变量，拟建立时间Petri网以更好地描述时间特性[22]； 其次，尽管本文方法保证了测试完备性和高效性，但仍然存在测试用例重复执行的问题，如何生成最小测试集也是未来的研究方向之一.
附录 A 基于协议栈分层的WIA-PA协议一致性测试集WIA-PA协议的MAC层和物理层基于IEEE 802.15.4标准，在此基础之上定义了数据链路层和网络层，为此本文将利用分层Petri网对以上两层分别进行建模.
A.1 网络层WIA-PA网络层(NL)实现网络层管理功能，配置和控制网络层操作. 网络层的主要功能包括寻址、 路由、 通信资源分配、 网络层数据包生存周期管理、 设备加入和离开管理等.
A.1.1 Petri网模型根据WIA-PA协议的具体规定和本文假定的测试场景，建立Petri网模型如图 9所示，具体含义见表 4.
| 库所 | 变迁 |
| P0: 空闲状态 | T0: 收到DLL-DATA.indication原语 |
| P1: 数据传输状态 | T1: 收到NLDE-DATA.request()原语或DLL-DATA.confirm()原语 |
| P2: 加入状态 | T2: 发送NLDE-DATA.confirm()原语到应用层并发送DLDE-DATA.request()原语 |
| P3: 离开状态 | T3: DMAP发送NLME-JOIN.request/response() |
| P4: 通信资源配置状态 | T4: 发送NLME-JOIN.confirm()原语到DMAP |
| T5: DMAP发送NLME-LEAVE.request/response()原语 | |
| T6: 发送NLME-LEAVE.indication/confirm()到DMAP | |
| T7: 接收到NLME-ADD/UPDATE/DELETE_TOUTE.request()或NLME-ADD/UPDATE/RELEASE-LINK/SRF.request() | |
| T8: 发送NLME-ADD/UPDATE/DELETE_TOUTE.response()或NLME-ADD/UPDATE/RELEASE-LINK/SRF.response() |
根据所建立的Petri网模型，构造对应的可覆盖性树[21]. 在此基础上，合并可覆盖性树中相同的状态节点之后，得到如图 10所示的可覆盖性图. 由所建立的可覆盖性图可知，模型中的全状态均可达，可用于抽取一致性测试集.
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| 图 10 网络层可覆盖性图Fig. 10 Coverability graph of NL |
抽象测试集生成方法参照3.2.3节，经过对可覆盖性图的遍历之后，生成的网络层抽象测试集如下:
网络层抽象测试集的TTCN如图 11所示.
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| 图 11 现场设备网络层抽象测试集的数表表示Fig. 11 TTCN of test suits of field device NL |
WIA-PA的数据链路层(DLL)主要任务是保证WIA-PA设备间的可靠、 安全、 无误、 实时地传输. 其数据链路层兼容IEEE STD 802.15.4超帧结构，并对其进行了扩展. 并且，支持基于时隙跳频机制、 重传机制、 TDMA和CSMA混合信道访问机制.
A.2.1 Petri网模型根据WIA-PA协议的规定和本文假定的测试场景，建立Petri网模型如图 12所示，具体含义见表 5.
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| 图 12 现场设备数据链路层Petri网模型Fig. 12 Petri net model of field device DLL |
| 库所 | 变迁 |
| P0: 空闲状态 | T0: 收到来自网关设备的Beacon信标帧， 解析DLME-DISCOBERY.request原语 |
| P1: 同步状态 | T1: 发送DLME-JOIN.request()到网关设备的网络层 |
| P2: 等待网络层加入响应 | T2: 解析MLME-ASSOCIAT.confirm(status !=SUCCESS) |
| P3: 等待网络层资源配置 | T3: 解析MCPS-DATA.response |
| P4: 主动离开成功 | T4: 解析MLME-ASSOCIAT.confirm(status==SUCCESS) |
| P5: 被动离开成功 | T5: 收到MLME-DISSOCIATE.indication() |
| T6: 收到DLME-LEAVE.request() | |
| T7: 解析MLME-DISSOCIATE.confirm()(status !=SUCCESS)； | |
| T8: 解析MLME-DISSOCIATE.confirm()(status==SUCCESS)； | |
| T9: 解析DLME-LEAVE.confirm()(status==SUCCESS) | |
| T10: 解析DLME-LEAVE.confirm()(status !=SUCCESS) | |
| T11: 收到MCPS-DATA.confirm() |
DLL的可覆盖性图如图 13所示. 根据3.2.2节所述可达条件，全状态可达，可用于抽象测试集的建立.
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| 图 13 数据链路层可覆盖性图Fig. 13 Coverability graph of DLL |
抽象测试集生成方法参照3.2.3节，经过对可覆盖性图的遍历之后，生成的数据链路层抽象测试集如下:
TS1=S0T0S1T1S2T2S1
TS2=S0T0S1T1S2T4S3
TS3=S3T3S6T11S3
TS4=S3T5S4T7S3
TS5=S3T6S5T10S3
TS6=S3T5T8S0
TS7=S3T6S5T9S0
DLL抽象测试集的TTCN如图 14所示.
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| 图 14 数据链路层测试集的数表表示Fig. 14 TTCN of test suits of field device DLL |
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