基于FSM的WIA—PA協(xié)議測試序列自動生成技術(shù)研究

謝昊飛　蘇德龍　肖尚青　郝飛飛

摘 要：本文重點介紹基于有限狀態(tài)機（FSM）測試序列生成方法，并以現(xiàn)場設(shè)備安全入網(wǎng)為例，利用該方法生成測試序列。為構(gòu)建WIA-PA協(xié)議測試FSM模型，文中分析了WIA-PA協(xié)議測試中的安全入網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)、事件、輸出和轉(zhuǎn)移輸出，在此基礎(chǔ)上建立了現(xiàn)場設(shè)備安全入網(wǎng)測試的FSM模型。然后在FSM模型基礎(chǔ)上，采用UIO方法生成測試序列。

關(guān)鍵詞：WIA-PA協(xié)議；FSM模型；形式化模型；UIO序列

中圖分類號：TP393.04

WIA-PA協(xié)議形式化描述是一件繁瑣工作，面臨困難，一個合理形式化描述需要深入理解WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上多次反復(fù)推敲和修改。WIA-PA是一個復(fù)雜的協(xié)議，整個協(xié)議不好用一個完整的形式化模型來描述。因此，本文在分析和參照標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場設(shè)備安全入網(wǎng)過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為例，進(jìn)行形式化建模，構(gòu)建有限狀態(tài)機（FSM）模型，然后將測試序列從協(xié)議模型中導(dǎo)出，生成WIA-PA協(xié)議測試的測試序列。目前基于FSM測試序列生成方法主要有四種：T方法、D方法、W方法和UIO方法。而UIO方法能夠檢查變遷正確性和狀態(tài)正確性，檢錯能力比較強，可以檢測任何輸出錯誤，生成的測試序列長度較短等優(yōu)點。所以本文采用UIO方法生成測試序列。

1 WIA-PA安全入網(wǎng)形式化模型

在現(xiàn)場設(shè)備安全入網(wǎng)過程中的任何一個步驟都有可能出現(xiàn)PDU丟失的情況。在這種情況下，系統(tǒng)應(yīng)該恢復(fù)并且繼續(xù)進(jìn)行下去。下面根據(jù)WIA-PA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，給出安全入網(wǎng)過程設(shè)備狀態(tài)、事件、輸出和轉(zhuǎn)移輸出列表。

安全入網(wǎng)有限狀態(tài)機的狀態(tài)可以分為預(yù)配置狀態(tài)（S0）、正在加入狀態(tài)（S1）、已加入狀態(tài)（S2）、更新狀態(tài)（S3）和完成狀態(tài)（S4）。其中S0表示沒有主密鑰，并且不在獲得主密鑰的過程中。S1表示沒有主密鑰，但在獲得主密鑰的過程中，S2表示有當(dāng)前的主密鑰，但不在獲得下一個主密鑰的過程中。S3表示有當(dāng)前的主密鑰， 并且在獲得下一個主密鑰的過程中。S4表示有當(dāng)前的主密鑰和下一個主密鑰。

安全入網(wǎng)有限狀態(tài)機的事件可以分為初始化過程（E1），返回安全會話響應(yīng)并且加密校驗成功（E2），DL密鑰的軟生命周期達(dá)到主密鑰失效（E3），安全管理器通過代理者發(fā)送到更新密鑰請求給設(shè)備并且加密校驗成功（E4），舊主密鑰失效（E5），超時或者安全會話響應(yīng)并且校驗成功或者拒絕會話（E6），主密鑰失效（E7）以及超時（E8）這八個事件。

安全入網(wǎng)有限狀態(tài)機輸出有加入請求（O1），加入響應(yīng)和安全請求（O2），發(fā)起新會話（O3），密鑰更新響應(yīng)（O4），移除過期的主密鑰（O5），設(shè)置一個時間用來再次發(fā)起一個新的安全會話（O6），返回到初始狀態(tài)（O7）七個輸出。

安全入網(wǎng)有限狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移如下表所示：

2 WIA-PA安全入網(wǎng)有限狀態(tài)機

由以上設(shè)備安全入網(wǎng)狀態(tài)、事件、輸出和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)造出新設(shè)備安全入網(wǎng)的有限狀態(tài)機，如圖1所示：

3 基于UIO方法的WIA-PA協(xié)議一致性測試序列生成

由圖1可知，該有限狀態(tài)機比較簡單，可以較容易的寫出各個狀態(tài)變遷的UIO序列。

3.1 各狀態(tài)UIO序列

UIO（S0）：E1/O1

UIO（S1）：E2/O2

UIO（S2）：E3/O3

UIO（S3）：E7/O5

UIO（S4）：E5/O5

3.2 生成轉(zhuǎn)移的UIO序列

下一步是生成安全入網(wǎng)有限狀態(tài)機各個轉(zhuǎn)移的UIO測試子序列，每個測試序列有四部分組成：復(fù)位序列、引導(dǎo)序列、待測轉(zhuǎn)換，UIO序列。（其中：Null表示不輸入，在初始狀態(tài)，無需引導(dǎo)序列）。

復(fù)位序列：一般用Res/表示，用于將狀態(tài)機復(fù)位到初始狀態(tài)；

引導(dǎo)序列：把有限狀態(tài)機從初始狀態(tài)帶到目的狀態(tài)，使?fàn)顟B(tài)機處于待測狀態(tài)；

待測轉(zhuǎn)換：待測的轉(zhuǎn)換邊，輸入該轉(zhuǎn)換邊輸入事件；

UIO序列：上面求的UIO序列，用于驗證轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)是否正確。

T1：（S0，E1/O1，S1）{（Res/-Null）E1/O1（E2/O2）}

T2：（S1，E2/O2，S2）{（Res/-E1/O1）E2/O2（E3/O3）}

T3：（S2，E3/O3，S3）{（Res/-E1/O1，E2/O2）E3/O3（E7/O5）}

T4：（S3，E4/O4，S4）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E3/O3）E4/O4（E5/O5）}

T5：（S2，E4/O4，S4）{（Res/-E1/O1，E2/O2）E4/O4（E5/O5）}

T6：（S4，E5/O5，S2）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E4/O4）E5/O5（E3/O3）}

T7：（S3，E6/O6，S2）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E3/O3）E6/O6（E3/O3）}

T8：（S3，E7/O5，S0）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E3/O3）E7/O5（E1/O1）}

T9：（S2，E7/O5，S0）{（Res/-E1/O1，E2/O2）E7/O5（E1/O1）}

T10：（S1，E8/O7，S0）{（Res/-E1/O1）E8/O7（E1/O1）}

3.3 測試?yán)x取

上面共有10條測試子序列，有些測試子序列包含了其他測試子序列，為了縮短總的測試序列長度，需要刪除每條被其他子序列完全包含的測試子序列。

測試子序列T1被測序列T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9包含，故刪除測試子序列T1；

測試子序列T2被測試序列T3，T4，T7，T8包含，故刪除測試子序列T2；

測試子序列T5被測試序列T6包含，故刪除測試子序列T5。

經(jīng)過刪除3個被包含的子序列，共剩下7個測試子序列。最終測試子序列如下：

T3：（S2，E3/O3，S3）{（Res/-E1/O1，E2/O2）E3/O3（E7/O5）}

T4：（S3，E4/O4，S4）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E3/O3）E4/O4（E5/O5）}

T6：（S4，E5/O5，S2）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E4/O4）E5/O5（E3/O3）}

T7：（S3，E6/O6，S2）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E3/O3）E6/O6（E3/O3）}

T8：（S3，E7/O5，S0）{（Res/-E1/O1，E2/O2，E3/O3）E7/O5（E1/O1）}

T9：（S2，E7/O5，S0）{（Res/-E1/O1，E2/O2）E7/O5（E1/O1）}

T10：（S1，E8/O7，S0）{（Res/-E1/O1）E8/O7（E1/O1）}

4 結(jié)束語

基于有限狀態(tài)機中UIO方法生成測試序列檢測能力比較強，能夠檢查出變遷的正確性和狀態(tài)的正確性，測試案例完備性高，可信度高，幾乎可以適用所有有限狀態(tài)機，具有普遍適用的特點，并且生成的測試序列較短。而有限狀態(tài)機（FSM）來描述協(xié)議實現(xiàn)的技術(shù)比較成熟，并且FSM具有足夠的描述表達(dá)能力和測試控制能力，并且直觀性強，易于自動實現(xiàn)，這剛好彌補了基于測試目的測試序列生成方法的不足。基于有限狀態(tài)機（FSM）形勢化技術(shù)通過嚴(yán)格的分析來確定給定規(guī)范的完整性和一致性，可以通過算法來自動生成測試案例，可以作為自動測試基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭瑜.工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn) WIA-PA 的特點分析和應(yīng)用展望[J].自動化儀表，2010（01）：1-4.

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

[3]毛穎.測試用例自動生成系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2007.

[4]工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA規(guī)范，第1部分：用于過程自動化的 WIA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010.

[5]王曉偉.WIA-PA協(xié)議一致性測試方法的研究與實現(xiàn)[D].重慶郵電大學(xué)，2011.

[6]劉攀，繆淮扣，曾紅衛(wèi)，劉陽.基于FSM的測試?yán)碚?方法及評估[J].計算機學(xué)報，2011（06）：965-983.

作者簡介：謝昊飛（1978-），男，湖南衡陽人，副教授，博士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測試、無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等。

作者單位：重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065