WCDMA系統(tǒng)移動核心網(wǎng)絡協(xié)議棧的測試

北京郵電大學通信網(wǎng)絡綜合技術(shù)研究所　劉芹　馮春燕　曾志民　柴麗



　　在WCDMA系統(tǒng)中，為了使得來自不同廠家的設(shè)備能夠成功地進行通信，必須有標準化的協(xié)議，但是實現(xiàn)者對于協(xié)議的理解不同，導致了不同廠家的設(shè)備的協(xié)議實現(xiàn)是不一致的。所以解決設(shè)備協(xié)議非一致性問題將成為整個系統(tǒng)演進過程中一個不可忽略的因素。為了解決這個問題，協(xié)議一致性測試應運而生。下面首先簡單介紹協(xié)議一致性測試原理，WCDMA系統(tǒng)核心網(wǎng)絡協(xié)議，然后對我們在WCDMA系統(tǒng)核心網(wǎng)絡協(xié)議測試中采用的測試方法和測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、得到的測試結(jié)果進行分析。



　　一、協(xié)議一致性測試原理



　　測試是為了發(fā)現(xiàn)錯誤而執(zhí)行程序的過程。測試方法可以分為黑盒測試和白盒測試�；�于產(chǎn)品的功能來規(guī)劃測試，檢查程序各功能是否實現(xiàn)，并檢查其中的錯誤,這種測試稱為黑盒測試或者功能測試�；�于產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來規(guī)劃測試，檢查內(nèi)部操作是否按規(guī)定執(zhí)行,各部分是否被充分利用，這種測試稱為白盒測試。



　　協(xié)議是各設(shè)備之間進行通信時應遵守的規(guī)則，而這些規(guī)則基本上是以自然語言來描述，由于實現(xiàn)者對于協(xié)議的理解可能不同，這就容易導致不同的協(xié)議實現(xiàn)，有時甚至會是錯誤協(xié)議的實現(xiàn)。因此，我們需要一種有效方法對協(xié)議實現(xiàn)進行判別，這種方法便是“協(xié)議測試”（ProtocolTesting）。協(xié)議測試是從軟件測試的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，是一種功能測試，即黑盒測試。協(xié)議測試有三種類型的測試：一致性測試、互操作性測試和性能測試。一致性測試是基礎(chǔ)，是通過觀察具體實現(xiàn)在不同的環(huán)境和條件下的反應行為來驗證協(xié)議實現(xiàn)與相應的協(xié)議標準是否一致，一致性測試只關(guān)心協(xié)議實現(xiàn)呈現(xiàn)于外部的性能。要保證不同的協(xié)議實現(xiàn)在實際網(wǎng)絡中能成功的通訊，還需要檢測某一協(xié)議實現(xiàn)與其它系統(tǒng)之間的交互過程是否正常，這是互操作性測試。另外還要對協(xié)議的性能進行測試，如健壯性、吞吐量等。在本文中，我們只介紹協(xié)議的一致性測試。



　　協(xié)議一致性測試實質(zhì)上是利用一組測試序列，在一定的網(wǎng)絡環(huán)境下，對被測協(xié)議實現(xiàn)（IUT）進行黑盒測試，通過比較IUT的實際輸出與預期輸出的異同，判定IUT在多大程度上與協(xié)議描述相一致，確立通過一致性測試的IUT在互聯(lián)時成功率的高低。協(xié)議的一致性測試過程包括以下幾個階段：根據(jù)協(xié)議的標準文本勾畫出對協(xié)議進行測試的測試集；在一個確定的測試環(huán)境下的某一種具體實現(xiàn)上執(zhí)行測試集；對測試的結(jié)果進行分析。



　　二、WCDMA系統(tǒng)中核心網(wǎng)絡協(xié)議介紹



　　為了第二代移動通信技術(shù)向第三代的平滑過渡和演進，目前WCDMA系統(tǒng)核心網(wǎng)包括三個域：CS（電路交換）域、PS（分組交換）域和BC（廣播）域，分別處理電路交換業(yè)務、分組交換業(yè)務和廣播組播業(yè)務。



　　在PS域中SGSN是移動核心網(wǎng)的控制中心。它具有網(wǎng)絡接入控制、路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、移動性管理、會話管理、計費信息的收集等功能。在分組域附著時，SGSN建立移動管理(MM)上下文，包含與MS的移動性和安全性有關(guān)的信息。在PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活時，SGSN與用戶使用的GGSN建立一條PDP上下文，用于路由目的地址的選擇。



　　核心網(wǎng)SGSN設(shè)備的研究開發(fā)項目定位在提供基于R4架構(gòu)的R99功能的WCDMA核心網(wǎng)中SGSN功能節(jié)點的解決方案之上，依據(jù)這種項目定位，SGSN功能節(jié)點可以分解為四種功能實體，它們分別是SGSN-Server（即SGSN-ServerApplication），SignalingServer（SS）、分組交換媒體網(wǎng)關(guān)(PS-MGW)和信令網(wǎng)關(guān)(SGW)。MGW可以作為終結(jié)點處理來自電路交換網(wǎng)的承載信道或分組網(wǎng)的數(shù)據(jù)流。SGW完成基于SS7網(wǎng)絡的信令傳輸和基于IP網(wǎng)絡的信令傳輸之間的傳輸層信令轉(zhuǎn)換。SGSN項目開發(fā)過程中定義了需要測試的兩個子系統(tǒng)，分別是SS子系統(tǒng)、SGSN Server子系統(tǒng)。SS子系統(tǒng)測試就是驗證Trillium協(xié)議棧是否與協(xié)議一致。在SS子系統(tǒng)測試中，SGSN-Server采用的是我們開發(fā)的測試工具，在后面我們將詳細介紹這個測試工具。SS采用Trillium公司的協(xié)議棧，其中SS 的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。測試工具和SS分別是兩個獨立的進程，運行在不同的服務器上。







　　TUCL(TCP/UDP Convergence Layer)是TCP/UDP匯聚層，它屏蔽了不同TCP/IP協(xié)議Socket接口(如Winsock和Berkely Socket)的差異，提供了一個統(tǒng)一的API接口，從而使Signaling Server 協(xié)議棧運行于各種操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議上。



　　WCDMA/UMTS網(wǎng)絡為了兼容過去GSM/GPRS所投資的電信設(shè)備，沿用了NO.7信令作為3G網(wǎng)絡用來傳輸控制信號的通信協(xié)議。在SignalingServer協(xié)議棧中，M2UA、MTP3、SCCP、TCAP都是NO.7信令協(xié)議中支持高層信令消息和應用部分信息傳送的部分。



　　MAP﹝MobileApplicationPart﹞是NO.7信令系統(tǒng)的應用層協(xié)議。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫之間交換與電路無關(guān)的數(shù)據(jù)和指令，從而支持移動用戶漫游、頻道切換和用戶鑒權(quán)等網(wǎng)絡功能。



　　GMM/SM(GPRSMobilityManagementand Session Management)是GPRS移動管理和會話管理，GMM支持附著、分離、安全管理及路由區(qū)更新、位置更新等移動管理功能，用于漫游、鑒權(quán)和加密算法的選擇。SM支持PDP上下文的激活和禁用。



　　RANAP﹝RadioAccessNetworkApplication Protocol﹞是無線接入網(wǎng)絡應用協(xié)議，它應用在UTRAN與核心網(wǎng)絡之間的Iu接口上﹝包含電路域和分組域﹞，是傳送控制信號時所采用的通信協(xié)議。RANAP主要實現(xiàn)以下的功能：（1）封裝高層信令消息；（2）管理RNC和3G SGSN間的信令和GTP連接；（3）管理RNC和 3G MSC間的信令和電路交換連接。



　　三、測試方法和測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)



　　WCDMA移動核心網(wǎng)絡協(xié)議一致性測試采用遠端測試法，其測試系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，圖中UT和LT分別為上測試儀和下測試儀，SUT為被測系統(tǒng)，IUT為被測協(xié)議實現(xiàn)體，ASP為抽象服務原語,PDU為協(xié)議數(shù)據(jù)單元,即活動于不同層之間和同層之間的信息單元。遠端測試法是將整個測試體放于被測系統(tǒng)之外的遠端,利用抽象服務原語（ASP）和協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），在控制和觀察點（PCO）對來自被測實現(xiàn)的輸出和輸入進行控制和觀察。







　　在測試過程中，測試系統(tǒng)采用的是泰克公司的協(xié)議測試儀表K1297。K1297是便攜式多協(xié)議/多接口測試儀，特別適用于網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)測試，支持多種測試模式，如監(jiān)測、模擬/仿真和一致性測試（接收，性能檢驗和兼容性）。被測系統(tǒng)SS通過信令網(wǎng)關(guān)與測試系統(tǒng)相連，被測協(xié)議實現(xiàn)體就是我們前面提到的SS中集成的Trillium協(xié)議棧。我們主要對GMM/SM，MAP和RANAP三個協(xié)議進行測試，目的是檢驗Trillium公司的協(xié)議實現(xiàn)是否與協(xié)議標準一致。測試組網(wǎng)圖如圖3所示。在測試時，我們可以用K1297來模擬HLR,RNC或者GGSN，被測系統(tǒng)位于核心網(wǎng)中SGSN側(cè)。



　　在SS協(xié)議棧一致性測試階段，SGSNServerApplication采用我們自行開發(fā)的測試工具，這個測試工具就相當于SGSN上層應用仿真。這個測試工具由ProcessControl和Message Handler兩大部分組成，Process Control部分是用Per語言編寫的腳本程序，測試人員通過編寫、修改部分內(nèi)容可以控制測試流程；Message Handler部分與所測試的協(xié)議棧關(guān)系密切，處理協(xié)議消息。Process Control部分通過有名管道與Message Handler部分相互交換信息。



　　在測試過程中，我們一共設(shè)計了三個測試集，分別是GMM/SM功能測試集，MAP功能測試集和RANAP功能測試集。每個測試集又包括若干個測試組，測試組覆蓋了每個協(xié)議的所有功能過程。其中，每個測試組中又包含若干個測試用例，測試用例覆蓋了每個過程的各種情況，也就是說測試用例不僅包含了每個過程成功情況下的用例，還包括了每個過程各種錯誤情況下的用例以及各種異常情況下的用例。







　　四、測試結(jié)果及分析



　　在協(xié)議棧一致性測試過程中，必須保證測試用例設(shè)計的完備性和準確性以及腳本程序編寫無誤，也就是說，測試用例不僅要覆蓋協(xié)議棧功能的各個方面，而且還要符合協(xié)議的規(guī)定，程序的設(shè)計也要符合協(xié)議規(guī)范的要求。



　　前文中提到我們一共設(shè)計了三個測試集，這三個測試集包含了GMM/SM、MAP和RANAP三個協(xié)議的一致性測試，其中在進行GMM/SM，MAP協(xié)議測試時，沒有發(fā)現(xiàn)協(xié)議不一致性的問題。但是在測試RANAP協(xié)議時，我們發(fā)現(xiàn)了被測的協(xié)議棧與標準協(xié)議不一致的地方。



　　在測試RAB建立過程時，根據(jù)用例，我們的預期結(jié)果是K1297端收到SGSN側(cè)發(fā)送的RABAssignmentRequest 消息，并向SGSN側(cè)回送一個RAB Assignment Response 消息,完成RAB的建立過程。實際的測試結(jié)果是當SGSN側(cè)向K1297端發(fā)送RAB Assignment Request 消息時，K1297在接收這個消息時報“解析消息錯誤：缺少了必選的字段值”。這種錯誤的發(fā)生是由于雙方（協(xié)議棧和測試儀表）對消息的編碼格式不一致造成的。在確定了K1297測試儀表的消息編碼格式與協(xié)議標準相一致后，我們將錯誤準確定位在所測的SS協(xié)議棧。而SS協(xié)議棧由許多層協(xié)議組成，所以我們?nèi)孕柽M一步確定錯誤發(fā)生在哪層協(xié)議。從協(xié)議棧運行結(jié)果的屏幕提示信息中，我們發(fā)現(xiàn)錯誤發(fā)生在RANAP協(xié)議。



　　RANAP用于RNC與核心網(wǎng)絡的連接，是Iu接口協(xié)議。RANAP協(xié)議消息傳輸語法采用ASN.1語法格式。在RANAP層所有的消息都要以ASN.1語法格式進行編碼，然后將編碼后的消息從RANAP層傳送到其它層。ASN.1(AbstractSyntaxNotationOne)是一種用于描述結(jié)構(gòu)化客體結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的語言，ASN.1類似于高級程序設(shè)計語言的數(shù)據(jù)描述部分，它提供若干語言構(gòu)件用以定義類型和值，類型對應結(jié)構(gòu)，值對應內(nèi)容。



　　經(jīng)過詳細地分析Trillium協(xié)議棧的具體實現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)協(xié)議棧中消息的編碼格式與RANAP協(xié)議（3GPP25.413）中規(guī)定的ASN.1編碼格式有些不同。RANAP協(xié)議中規(guī)定，以ASN.1語法格式定義的"RABassignmentRequest"的消息中包含RABs To Be Setup Or Modified List信息字段，而RABs To Be Setup Or Modified List中又嵌套了兩層sequence of結(jié)構(gòu)，而在Trillium公司協(xié)議棧（在RANAP層）消息結(jié)構(gòu)定義中，RABs To Be Setup Or Modified List只嵌套了一層sequence of結(jié)構(gòu)。所以出錯的原因是Trillium協(xié)議棧中缺少一層ASN.1語法格式的結(jié)構(gòu)，導致K1297不能正確的解析收到的消息。



　　五、結(jié)論與展望



　　近年來,測試技術(shù)是國際上非常關(guān)注的、也是發(fā)展較快的一個研究領(lǐng)域。隨著WCDMA技術(shù)的成熟，各種WCDMA系統(tǒng)設(shè)備蜂擁而來,為確保多個廠家設(shè)備的互聯(lián)成功，以及業(yè)務的正常提供，對設(shè)備進行協(xié)議一致性測試是十分必要的。WCDMA移動核心網(wǎng)絡協(xié)議一致性測試集的編寫和測試軟件的開發(fā)將為研究開發(fā)移動通信產(chǎn)品及運營網(wǎng)絡的操作維護提供理想測試。隨著對WCDMA測試規(guī)范以及測試理論和方法技術(shù)的深入研究，將更進一步地保證經(jīng)過測試以后的移動網(wǎng)絡設(shè)備能夠達到最大的一致性。




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