6LoWPAN適配層協(xié)議的分片與重組測(cè)試方法設(shè)計(jì)

謝昊飛，王淮民，周進(jìn)艷

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

引 言

IETF于2004年11月成立了6LoWPAN（IPv6over Low Power Wireless Personal Area Networks）工作組，該工作組的目標(biāo)是研究制定在LoWPAN 上運(yùn)行IPv6協(xié)議棧的一系列技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的因特網(wǎng)TCP／IP 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)相比，6LoWPAN 在層次結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)適配層。由于IPv6協(xié)議棧不能直接運(yùn)行于IEEE 802.15.4之上，適配層的加入能在IPv6與無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接［1］。適配層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，那么如何對(duì)適配層進(jìn)行測(cè)試就顯得非常重要。

1 適配層分片與重組技術(shù)分析

IPv6協(xié)議規(guī)定的鏈路層最小MTU 為1 280字節(jié)，對(duì)于不支持該MTU 的鏈路層，協(xié)議要求必須提供對(duì)IPv6透明的鏈路層的分片和重組。而IEEE 802.15.4MAC層最大幀長(zhǎng)僅為127字節(jié)［2］，因此，適配層需要通過(guò)對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行分片和重組來(lái)傳輸超過(guò)IEEE 802.15.4MAC層最大幀長(zhǎng)的報(bào)文。

1.1 分 片

當(dāng)上層遞交一個(gè)超過(guò)適配層最大載荷長(zhǎng)度的報(bào)文給適配層后，適配層需要對(duì)該報(bào)文分片進(jìn)行發(fā)送。適配層分片的判斷條件為：負(fù)載報(bào)文長(zhǎng)度＋不分片頭部長(zhǎng)度＋Mesh Delivery字段長(zhǎng)度（或Broadcast字段長(zhǎng)度）＞IEEE 802.15.4 MAC層的最大載荷長(zhǎng)度。在使用16位短地址并且不使用IEEE 802.15.4安全機(jī)制的情況下，負(fù)載報(bào)文長(zhǎng)度最大為95（102-2-5）字節(jié)。適配層分片的具體過(guò)程如圖1所示。

適配層的分片過(guò)程如下：

①對(duì)于第一個(gè)分片，會(huì)將分片頭部的LF字段設(shè)置為01，表示第一個(gè)分片。prot＿type字段設(shè)置為上層協(xié)議的類(lèi)型，特別的，如果是IPv6協(xié)議該字段設(shè)置為1。另外，由于是第一個(gè)分片，Offset必定為0，所以在該分片中不需要fragment＿offset字段。如果需要在Mesh 網(wǎng)絡(luò)中路由，Mesh Delivery字段應(yīng)該緊隨在分片頭部之后并在負(fù)載報(bào)文碎片之前。

圖1 適配層分片全過(guò)程

②對(duì)于后繼分片，分片頭部的LF 字段設(shè)置為11或者10，表示中間分片或者最后一片。fragment＿offset字段則設(shè)置為當(dāng)前碎片相對(duì)于原負(fù)載報(bào)文起始字節(jié)的偏移，需要注意的是這里的偏移是以8字節(jié)為單位的，因此每個(gè)分片的最大負(fù)載報(bào)文碎片長(zhǎng)度也必須是8字節(jié)邊界對(duì)齊的，也就是說(shuō)負(fù)載報(bào)文碎片的最大長(zhǎng)度實(shí)際上只有88字節(jié)。

1.2 重 組

當(dāng)適配層收到一個(gè)分片的幀后，根據(jù)以下兩個(gè)字段判斷該分片是屬于哪個(gè)負(fù)載報(bào)文：源MAC地址和適配層分片頭部的datagram＿tag字段。對(duì)于同一個(gè)負(fù)載報(bào)文的多個(gè)分片，其重組過(guò)程可如圖2所示。

圖2 適配層重組全過(guò)程

適配層的重組過(guò)程：如果是第一次收到某負(fù)載報(bào)文的分片，節(jié)點(diǎn)記錄下該被分片的源MAC 地址和datagram＿tag字段，以供后繼重組使用。如果已經(jīng)收到該報(bào)文的其他分片，則根據(jù)當(dāng)前分片幀的fragment＿offset字段進(jìn)行重組。如果發(fā)現(xiàn)收到的是一個(gè)重復(fù)但不重疊的分片，應(yīng)該使用新收到的分片進(jìn)行替換。如果本分片和前后分片有重疊，則應(yīng)該丟棄當(dāng)前分片。同時(shí)，為了避免長(zhǎng)時(shí)間等待未達(dá)到的分片，在60s內(nèi)重組沒(méi)有完成就需要丟棄所有接收到的分片，解除重組過(guò)程。如果成功接收到所有分片，將所有分片按Offset進(jìn)行重組，并將重組好的原始負(fù)載報(bào)文遞交給上層。

2 測(cè)試方法的分析與設(shè)計(jì)

協(xié)議一致性測(cè)試實(shí)質(zhì)上是利用一組測(cè)試序列，在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)被測(cè)實(shí)現(xiàn)（Implement Under Test，IUT）進(jìn)行黑盒測(cè)試，通過(guò)比較IUT 的實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的異同，判定IUT 在多大程度上與協(xié)議描述相一致，確定通過(guò)一致性測(cè)試的IUT 在互聯(lián)時(shí)成功率的高低。為了對(duì)6LoWPAN 適配層分片與重組技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，首先需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中所描述的分片與重組技術(shù)進(jìn)行分析，得出測(cè)試需求。

2.1 測(cè)試需求分析

認(rèn)清協(xié)議特點(diǎn)、明確測(cè)試需求是開(kāi)展有效測(cè)試活動(dòng)的前提。通過(guò)對(duì)適配層分片過(guò)程的分析，對(duì)于適配層分片技術(shù)，需要進(jìn)行如下內(nèi)容的測(cè)試：

①分片條件：在使用16位短地址并且不使用IEEE 802.15.4 安全機(jī)制的情況下，負(fù)載報(bào)文長(zhǎng)度最大為95（102-2-5）字節(jié)，超過(guò)該值就需要進(jìn)行分片傳輸。

②分片幀格式：判斷第一個(gè)分片以及后繼分片是否符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的分片幀格式，其中還包括了fragment＿offset字段與實(shí)際偏移值是否一致，同一個(gè)負(fù)載報(bào)文的分片datagram＿tag以及datagram＿size字段的值是否不變。

③分片數(shù)據(jù)的完整性：原始數(shù)據(jù)被分片以后是否能夠保證完整。

同樣，經(jīng)過(guò)對(duì)適配層重組過(guò)程的分析，以下內(nèi)容需要被測(cè)試：

①重組條件：被測(cè)協(xié)議是否能夠根據(jù)接收到數(shù)據(jù)幀的適配層幀頭判斷重組的條件。

②分片重復(fù)：如果發(fā)現(xiàn)收到的是一個(gè)重復(fù)但不重疊的分片，應(yīng)該使用新收到的分片進(jìn)行替換；如果本分片和前后分片有重疊，則應(yīng)該丟棄當(dāng)前分片。

③分片順序、亂序到達(dá)：分片數(shù)據(jù)在順序和亂序的兩種情況到達(dá)接收設(shè)備時(shí)，接收設(shè)備是否能夠正確對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。

④分片超時(shí)：在重組過(guò)程中，可能存在分片數(shù)據(jù)的丟失，在60s內(nèi)重組沒(méi)有完成，被測(cè)設(shè)備能否丟棄所有接收到的分片，解除重組過(guò)程。

⑤多設(shè)備同時(shí)發(fā)送分片：除了單一設(shè)備發(fā)送分片包進(jìn)行重組，在多設(shè)備同時(shí)發(fā)送分片包的情況下，接收設(shè)備能否按設(shè)備進(jìn)行正確的重組。

2.2 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

協(xié)議一致性測(cè)試使用在特定點(diǎn)PCO（Point of Control and Observation）對(duì)被測(cè)實(shí)現(xiàn)的層間服務(wù)原語(yǔ)和協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行控制和觀察的原理。根據(jù)PCO 位置的不同，在ISO／IEC 9646（協(xié)議一致性測(cè)試方法和框架）中已被標(biāo)準(zhǔn)化的抽象測(cè)試方法有本地測(cè)試法和外部測(cè)試法。本地測(cè)試法適合于在產(chǎn)品內(nèi)部測(cè)試；外部測(cè)試法適合于遠(yuǎn)程的第三方測(cè)試，又可分為分布式、協(xié)調(diào)式和遠(yuǎn)程式測(cè)試［3］。

在實(shí)際的協(xié)議測(cè)試中，被測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)是根據(jù)地址來(lái)判斷測(cè)試包是從哪一個(gè)測(cè)試器來(lái)的。利用這個(gè)事實(shí)，再結(jié)合對(duì)適配層分片與重組測(cè)試需求的分析，在進(jìn)行適配層分片與重組測(cè)試時(shí)需要用到多個(gè)測(cè)試設(shè)備來(lái)對(duì)被測(cè)協(xié)議進(jìn)行測(cè)試。因此，在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，我們提出用一臺(tái)物理測(cè)試器、不同被測(cè)條件下對(duì)等層的MAC地址來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)下測(cè)試器的測(cè)試方法——虛擬測(cè)試法。該測(cè)試方法是對(duì)分布式測(cè)試法進(jìn)行的優(yōu)化與改進(jìn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 虛擬測(cè)試法結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是用單臺(tái)測(cè)試器實(shí)現(xiàn)的對(duì)IUT 進(jìn)行一致性測(cè)試的虛擬測(cè)試結(jié)構(gòu)。測(cè)試器（Tester）是測(cè)試活動(dòng)發(fā)起者和控制者，其中，虛擬下測(cè)試器（Virtual Lower Tester，VLT）1到n是由同一臺(tái)測(cè)試器實(shí)現(xiàn)的多個(gè)虛擬測(cè)試器。下測(cè)試器（Lower Tester，LT）在測(cè)試執(zhí)行時(shí)，間接控制和觀察IUT 的下層服務(wù)接口。上測(cè)試器（Upper Tester，UT）位于被測(cè)系統(tǒng)中IUT 的上方，用于控制和觀察IUT的上層服務(wù)接口。測(cè)試協(xié)調(diào)過(guò)程（Test Coordination Procedures，TCP）明確或隱含地定義了LT 和UT 之間的協(xié)同操作規(guī)則。測(cè)試器利用協(xié)議規(guī)范的抽象服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)（Abstract Service Primitives，ASP）和協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）與IUT 進(jìn)行交互，并通過(guò)PCO 查看測(cè)試事件和測(cè)試過(guò)程［4］。

由于分片與重組的測(cè)試是在適配層進(jìn)行，因此，被測(cè)的適配層協(xié)議僅僅根據(jù)數(shù)據(jù)包的MAC 地址來(lái)判斷報(bào)文的來(lái)源和去處。對(duì)于一個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)收到的各種數(shù)據(jù)包，如果包的源MAC地址不同，被測(cè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)認(rèn)為這些包是不同的源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的。因此，該測(cè)試結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是用一個(gè)測(cè)試器來(lái)模擬多個(gè)測(cè)試器，所有虛擬測(cè)試器的MAC地址都是不同的，即用一臺(tái)測(cè)試器發(fā)送測(cè)試包時(shí)，在測(cè)試包的MAC層使用不同的源地址。在接收到這些包時(shí)，被測(cè)設(shè)備就會(huì)認(rèn)為是由不同的節(jié)點(diǎn)發(fā)出的，從而實(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)測(cè)試器模擬多臺(tái)測(cè)試器的效果。

運(yùn)用這種測(cè)試方法，可以不用考慮各測(cè)試器之間的同步問(wèn)題，便于對(duì)IUT 的控制，消除了測(cè)試器非同步造成的錯(cuò)誤，使測(cè)試更可靠，同時(shí)便于測(cè)試者協(xié)調(diào)、監(jiān)控測(cè)試進(jìn)程，得出更精確的測(cè)試結(jié)果。

3 測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的測(cè)試方法，搭建了如圖4所示的測(cè)試系統(tǒng)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試器、測(cè)試主機(jī)以及被測(cè)設(shè)備組成，測(cè)試實(shí)物如圖5所示。測(cè)試器主要實(shí)現(xiàn)了多個(gè)虛擬下測(cè)試器的功能，包括了虛擬下測(cè)試器控制模塊和IEEE 802.15.4 MAC／PHY 無(wú)線(xiàn)功能模塊。

圖5 測(cè)試實(shí)物圖

虛擬下測(cè)試器控制模塊包括測(cè)試事件管理、測(cè)試信息解析、測(cè)試命令執(zhí)行以及下測(cè)試器地址管理的功能。其中，事件管理模塊主要負(fù)責(zé)測(cè)試事件的管理和維護(hù)，以及下測(cè)試器之間的協(xié)調(diào)和切換；消息解析模塊完成對(duì)測(cè)試命令和響應(yīng)的解析與存儲(chǔ)；命令執(zhí)行模塊通過(guò)調(diào)用MAC原語(yǔ)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的下測(cè)試器命令，間接實(shí)現(xiàn)控制和觀察IUT的下層服務(wù)接口；地址管理模塊對(duì)下測(cè)試器發(fā)送報(bào)文的MAC地址進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)測(cè)試器模擬多臺(tái)測(cè)試器的功能。

被測(cè)設(shè)備利用串口與測(cè)試主機(jī)相連。上測(cè)試器位于被測(cè)實(shí)現(xiàn)之上，用于觀察和控制IUT 的上層服務(wù)接口，通過(guò)串口接收測(cè)試主機(jī)發(fā)送的測(cè)試命令，并將測(cè)試響應(yīng)傳送回測(cè)試主機(jī)［5］。

測(cè)試主機(jī)主要完成可執(zhí)行測(cè)試集的生成，上測(cè)試器與下測(cè)試器的協(xié)調(diào)控制，測(cè)試響應(yīng)的接收與分析，最后給出測(cè)試結(jié)果和分析報(bào)告。

在對(duì)適配層分片技術(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試主機(jī)控制UT調(diào)用被測(cè)協(xié)議適配層的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，通過(guò)改變所發(fā)送的數(shù)據(jù)載荷來(lái)模擬各種協(xié)議行為。測(cè)試器在收到被測(cè)設(shè)備發(fā)送的分片報(bào)文以后，立即交由測(cè)試主機(jī)進(jìn)行分析和判斷。

在對(duì)適配層重組技術(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試主機(jī)將設(shè)計(jì)的分片載荷傳輸給測(cè)試器，測(cè)試器通過(guò)調(diào)用MAC層數(shù)據(jù)發(fā)送接口將分片載荷按序發(fā)送給被測(cè)設(shè)備。在需要多設(shè)備發(fā)送分片報(bào)文時(shí)，測(cè)試器會(huì)模擬多個(gè)下測(cè)試器的功能，將分片載荷按照所設(shè)計(jì)的順序發(fā)送給被測(cè)設(shè)備。同時(shí)，被測(cè)設(shè)備中的UT 會(huì)將IUT 重組完成后的報(bào)文上傳給測(cè)試主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的分析和判斷。

4 測(cè)試案例與驗(yàn)證

通過(guò)搭建測(cè)試系統(tǒng)，完成了對(duì)適配層分片與重組所有測(cè)試需求的測(cè)試，本文以重組技術(shù)中多設(shè)備同時(shí)發(fā)送分片的情況為例來(lái)驗(yàn)證測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，需要多個(gè)設(shè)備同時(shí)交錯(cuò)發(fā)送分片包給被測(cè)設(shè)備，從而驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備能否完成對(duì)多設(shè)備同時(shí)發(fā)送分片的報(bào)文進(jìn)行重組的功能。

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試主機(jī)會(huì)控制測(cè)試器模擬兩個(gè)測(cè)試設(shè)備同時(shí)向被測(cè)設(shè)備發(fā)送分片報(bào)文，可以通過(guò)Packet Sniffer for CC2430軟件抓包進(jìn)行驗(yàn)證。Sniffer for CC2430抓包如圖6所示，交錯(cuò)發(fā)送的分片報(bào)文是由兩個(gè)測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生，其MAC地址分別為0x0001和0x0002，分片報(bào)文的目的地址都為同一個(gè)被測(cè)設(shè)備0x0000。測(cè)試器實(shí)現(xiàn)了模擬多個(gè)測(cè)試器的功能，實(shí)現(xiàn)了多測(cè)試器的協(xié)調(diào)運(yùn)行，并按序準(zhǔn)確地將分片報(bào)文發(fā)送到被測(cè)設(shè)備。

圖6 Sniffer for CC2430抓包

被測(cè)設(shè)備的適配層將接收到的分片報(bào)文按設(shè)備重組以后傳遞給上層，上層UT 在收到重組報(bào)文以后傳送給測(cè)試主機(jī)并用串口工具顯示，串口接收的UT 數(shù)據(jù)如圖7所示。每一個(gè)分片報(bào)文由0～99 的數(shù)據(jù)構(gòu)成，總長(zhǎng)度為100，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，被測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確地完成了對(duì)多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送分片報(bào)文的重組過(guò)程。

圖7 串口接收的UT數(shù)據(jù)

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證表明，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)使用該測(cè)試方法，在減少測(cè)試設(shè)備數(shù)量的同時(shí)，充分完成了對(duì)測(cè)試需求的測(cè)試。該測(cè)試方法不僅適用于6LoWPAN 適配層分片與重組技術(shù)的測(cè)試，對(duì)于需要使用多個(gè)測(cè)試設(shè)備相互協(xié)作來(lái)完成的測(cè)試，都可以借鑒此方法。

［1］IETF.IPv6over Low Power WPAN WG（6lowpan）［EB／OL］.（2006-07-07）［2012-10］.http：／／datatracker.ietf.org／wg／6lowpan／.

［2］IEEE Std 802.15.4-2006 Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（WAPNs）［S］.

［3］ISO／IEC 9646-1—1994Information technology-Open systems Interconnection-Conformance testing methodology and framework-Part 1：General concepts［S］.

［4］王浩文.EPA 協(xié)議一致性測(cè)試方法研究［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27（10）.

［5］張華良，曾鵬.工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)研究［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2008（5）：25-27.