基于TCP与UDP通讯的设备自动化接口测试方法
时间：2023-05-27 15:50:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
左登超
(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)
TCP与UDP以太网通讯在各行各业应用十分广泛。TCP与UDP的通讯种类多且配置灵活，在不同的应用场景下，以太网通讯控制设备的通讯方式不尽相同[1]。为了确保各类以太网控制设备在运行过程中的稳定性，需要在产品投入运行前进行接口测试工作[2]。
针对以太网控制设备的接口测试方法较少，传统的测试方式是将PC机与以太网控制设备相连，利用网络调试工具，向被测设备发送原始数据指令，观察设备的动作是否与预期一致；
或者抓取被测设备发出的数据，人工进行数据分析，判断设备的工作情况[3]；
另一种测试方式是针对不同的设备需求，编写设备测试软件，由测试人员进行手动点击软件相关功能按键进行指令发送，观察设备的动作或者设备回复数据，判断是否达到预期效果[4]。
传统的测试方法完全依赖于人工手动测试，通过组合原始数据指令进行测试并观察结果，效率非常低，且易出错；
如果涉及到的以太网通讯种类较多，数据量较大时，使用网络调试工具则不能满足测试的需求[5]；
开发测试软件，需要按照特定被测设备进行开发；
由于软件是新开发的，没有经过实践，软件本身可能存在缺陷，需要经过一段时间的调试才能投入使用，使用过程中也不能确保其功能完全正确，造成测试工作停滞，转而解决调试软件本身的问题[6]。在软件的修改过程中，为了不引起新的错误，测试人员需要进行大量重复测试，而手动测试回归性差，无法适应软件修改需求，导致软件可能存在大量缺陷[7]。借助基于TCP与UDP通讯的设备自动化接口测试方法，根据用户测试指令自动完成以TCP与UDP为通讯方式的控制设备的接口测试，为设备的稳定运行提供保障。
基于TCP与UDP通讯的设备自动化接口测试装置如图1所示。装置包含电源板卡、CPU板卡、网口扩展板卡。其中网口扩展板卡有两个M12-4芯以太网口，通过背板连接至CPU，为CPU提供扩展网口；
CPU板卡有1个M12-4芯以太网口，系统采用X86架构，Linux操作系统。该设备包含两路测试通道，分别提供3个以太网口进行测试，每个网口IP地址可配置。
图1 自动化接口测试装置
TCP与UDP接口测试装置中运行软件，解析用户定义的通讯链路信息，指导装置与被测设备进行通讯链路的建立；
解析用户定义的设备通讯协议信息以及数据收发关系信息，按照被测设备协议规定的数据格式，自动进行数据收发，与被测设备进行数据通讯；
与工具软件建立通讯，接收用户录入的接口测试指令，执行接口测试。
使用自动化接口测试装置，可以对任意基于TCP与UDP通讯的以太网控制设备进行接口测试工作。TCP可以使用服务器或者客户端，支持一对一通讯、一对多通讯、多对一通讯、多对多通讯。UDP可以使用单播或者组播，单播支持一对一通讯、组播支持加入一个或者多个组播组通讯[8]。
2.1 TCP服务器接口设计
装置网口开启一个TCP服务器，接收被测设备一个或者多个TCP客户端的连接，即TCP服务器一对一或一对多通讯[9]。接口示意图如图2所示，每路TCP客户端连接可以在相同或者不同的被测设备上，此处仅指出每路TCP协议链路连接，同下。
图2 TCP服务器一对一、一对多通讯接口
装置网口开启多个TCP服务器，每个TCP服务器接受一个或者多个TCP客户端的连接，即TCP服务器多对一或多对多通讯[10]。接口示意图如图3所示。
图3 TCP服务器多对一、多对多通讯接口
2.2 TCP客户端接口设计
装置网口开启一个TCP客户端，连接被测设备一个或者多个TCP服务器，即TCP客户端一对一或一对多通讯[11]。接口示意图如图4所示。
图4 TCP客户端一对一、一对多通讯接口
装置网口开启多个TCP客户端，连接被测设备一个或者多个TCP服务器，即TCP客户端多对一或多对多通讯[12]。接口示意图如图5所示。
图5 TCP客户端多对一、多对多通讯接口
2.3 UDP单播接口设计
装置网口开启一个或者多个UDP单播，与被测设备进行一对一通讯[13]；
接口示意图如图6所示。
图6 UDP单播通讯
2.4 UDP组播接口设计
装置网口加入一个或者多个组播组，与被测设备进行通讯[14]；
接口示意图如图7所示。
图7 UDP组播通讯
2.5 TCP与UDP组合接口设计
装置每路网口均支持TCP服务器、TCP客户端、UDP单播、UDP组播的任意组合，组合接口的设计可以参考2.1～2.4。
1)TCP服务器、TCP客户端组合；
2)TCP服务器、UDP单播组合；
3)TCP服务器、UDP组播组合；
4)TCP客户端、UDP单播组合；
5)TCP客户端、UDP组播组合；
6)UDP单播、UDP组播组合；
7)TCP服务器、TCP客户端、UDP单播组合；
8)TCP服务器、TCP客户端、UDP组播组合；
9)TCP服务器、UDP单播、UDP组播组合；
10)TCP客户端、UDP单播、UDP组播组合；
11)TCP服务器、TCP客户端、UDP单播、UDP组播组合。
自动化接口测试装置内运行程序，与被测设备进行通讯链路的建立与管理、按照被测设备的通信协议进行数据收发、接收工具软件的测试指令，自动化执行接口测试工作。工作原理如图8所示。
图8 接口自动化测试流程图
1)软件运行后，读取通讯配置文件，获取与被测设备的通讯方式，指导装置与被测设备建立通讯链接。自动化接口测试装置使用的通讯配置文件各字段如表1所示。
2)读取数据配置文件。装置与被测设备链路下的通讯数据由数据配置文件定义，当软件读取到数据标识信息后，在内存中分配该数据的存储信息，一方面自动化接口测试装置根据此内存，进行数据的发送或者存储接收到被测设备发送的对应数据；
另一方面接收工具软件发送的测试指令，根据指令中携带的链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息，进行内存数据的设置与获取。数据配置文件各字段如表2所示。
表1 通讯配置文件字段含义
3)读取数据收发关系配置文件。指导自动化接口测试装置如何发送与被测设备的通讯数据，收发关系配置文件各字段如表3所示；
4)根据通讯配置文件信息，建立与被测设备的通讯并管理通讯过程；
5)针对每一个通讯链路，开启数据收发线程，根据数据配置文件以及收发关系配置文件，开始与被测设备进行数据通讯；
6)初始化与工具软件的TCP通讯，用以接收工具软件发送的测试指令；
自动化接口测试装置支持的测试指令种类如表4所示；
设置指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，将对应内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送，强制指令只能设置装置发送方向的数据[15]；
表2 数据配置文件字段含义
表3 收发关系配置文件字段含义
延时指令：工具软件将具体的延时时间发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，会延时相应的时间，再处理其他测试指令[16]；
心跳指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移、累加步长n、累加频率f信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，以累加频率f，将当前值累加n，向内存中的数据进行更新[17]；
表4 测试指令类型说明
上升沿指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移、时间t信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，将对应内存中的数据先设置成0，保持时间t，然后设置为1，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
下升沿指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移、时间t信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，将对应内存中的数据先设置成1，保持时间t，然后设置为0，由后台线程自动获取内存数据进行发送[18]；
递增指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移、最小值、最大值、步长n、频率f信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，以频率f，将当前值从最小值开始累加，每次累加步长n，直至累加到最大值后保持，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
递减指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移、最小值、最大值、步长n、频率f信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，以频率f，将当前值从最大值开始递减，每次递减步长n，直至递减到最小值后保持，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送[19]；
系统时间年指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，从当前系统时间中获取年的数据，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
系统时间月指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，从当前系统时间中获取月的数据，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
系统时间日指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，从当前系统时间中获取日的数据，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
系统时间时指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，每小时从当前系统时间中获取时的数据，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
系统时间分指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，每分钟从当前系统时间中获取分的数据，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
系统时间秒指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，每秒钟从当前系统时间中获取秒的数据，向内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送[20]；
范围内指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移、极大值、极小值信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，取极大值与极小值范围内的随机数据，向对应内存中的数据进行更新，由后台线程自动获取内存数据进行发送；
获取指令：工具软件将具体链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息发送给自动化接口测试装置，装置接收到该信息后，从对应内存中取出一次实时数据，然后通过TCP通讯向工具软件发送结果；
7)自动化接口测试装置收到测试指令后，根据指令中携带的链路名称、数据标识、字节偏移、位偏移信息，操作内存数据，从分配的内存中设置或者获取数据；
当获取到数据后，向工具软件返回获取到的数据，工具软件根据此数据判断执行是否通过；
4.1 自动化接口测试实验步骤
由于自动化接口测试装置可以测试的情况比较多，以TCP服务器一对一通讯为例，即被测设备作为TCP客户端，装置作为TCP服务器，对被测设备进行接口测试，测试系统连接如图9所示。
图9 测试系统连接
测试前需要按照被测设备的要求修改装置的IP地址。通过修改脚本文件即可配置本装置的网口IP地址。IP地址脚本内如下：
#eth1
ifconfig eth1 down
ifconfig eth1 172.30.131.60 netmask 255.255.255.0 up
#eth2
ifconfig eth2 down
ifconfig eth2 172.30.131.61 netmask 255.255.255.0 up
#eth3
ifconfig eth3 down
ifconfig eth3 172.30.131.62 netmask 255.255.255.0 up
eth1、eth2、eth3分别分别对应设备上的三个网口；
被测设备的TCP客户端信息：172.31.41.50，端口8001，与其通讯的TCP服务器信息：IP地址172.31.41.36，端口8000；
由装置主动发送1001数据，然后被测设备回复1002数据。
步骤1:通过交换机，将被测设备、工具软件以及设备进行组网连接；
步骤2:按照设备IP地址修改方法，修改脚本文件eth1的IP地址：
#eth1
ifconfig eth1 down
ifconfig eth1 172.31.41.36 netmask 255.255.255.0 up
步骤3:编写通讯配置文件，如表5所示。
表5 通讯配置文件内容
此配置文件供装置使用，由于被测设备作为TCP客户端，需要使用装置模拟与被测设备通讯的TCP服务器;配置文件中，通讯类型填写TCP，通讯方式填写服务器，通讯本方信息填写与被测设备通讯的TCP服务器的地址端口信息，通讯对方信息填写被测设备的信息；
步骤4:编写数据配置文件如表6所示，其中1001数据由接口测试装置主动发出，1002为装置接收被测设备返回的数据；
该配置文件供装置和工具软件使用；
表6 数据配置文件内容
步骤5:编写数据收发关系配置文件，文件内容如表7所示。
表7 收发关系配置文件内容
此配置文件供自动化接口测试装置使用，内容描述了装置Ch-1通讯链路下，收取1002的数据，主动发送1001的数据。
步骤6:将上述配置文件通过FTP工具导入设备，并重启接口测试装置；
步骤7:在工具软件中编写测试指令，设置或者获取变量的数据，下发至接口测试装置；
步骤8:工具软件根据设备返回的数据，判断测试是否通过。
4.2 实验结果及分析
在自动化执行完接口测试后，工具软件会将测试结果保存成表格的形式，结果如表8所示。
表8 自动化接口测试结果记录
保存的结果记录中，会记录工具软件每次执行的动作，收取自动化接口测试装置返回的变量名以及对应的实际数据，工具软件可以根据动作中的期望，自动判断测试的结果是否正确，并在测试结论中给出Pass或者Fail，方便测试人员查看测试结果。
借助基于TCP与UDP通讯的设备自动化接口测试方法，能够进行TCP服务器、TCP客户端、UDP单播、UDP组播通以及四种通讯方式任意组合的接口测试；
接口测试装置对外提供6个测试网口，IP地址可配置，可以通过数据配置文件以及数据收发关系配置文件，指导自动化接口测试装置的数据收发，使得测试不同被测设备时无需修改代码，提高了测试的灵活性、通用性以及效率，为设备的稳定运行提供保障。
