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浙江大学电气工程学院 硕士学位论文 EPA一致性测试技术与系统研发 姓名：田民杰 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：应群民;潘丽萍 20100101 摘要 近年来，随着网络技术的发展，以太网进入了工业控制领域，推动了工业控 制网络的变革。同时，一致性测试也是国际上非常关注、发展较快的一个领域， 它用来验证协议实现与相应协议标准的一致性，是标准广泛推广的前提和基础 为了保证各生产厂家基于E P A 标准的产品准确性和互连，使采用E P A 协议 的设备与设备之间、设备与控制系统之间能够无障碍地进行系统集成，需要对基 于E P A 协议的设备进行一致性测试，从而最终保证E P A 系统的可靠性和有效性， 扩大E P A 标准的应用范围。 课题的研究目的是期望构建E P A 一致性测试系统平台，包括归结E P A 一致 性测试的理论点、构建E P A 一致性测试系统和测试案例的整体框架。本论文首 先对工业以太网、E P A 协议和一致性测试技术进行了探索，之后分析了F F 总线、 C A N 总线和M o d b u s 总线的一致性技术，继而引出本文的研究背景。在对E P A 协议和一致性测试理论进行研究的基础上，详细论述了基于E P A 协议的一致性 测试系统和测试案例的原理和开发过程，从系统结构、硬件平台设计、软件设计 和案例设计阐述了一致性测试系统的设计思路，并通过反复的测试验证了该系统 的正确性。 本论文的研究成果在于： 1 ) 提出E P A 一致性测试系统的设计方案，解决E P A 系统中协议非一致性 问题，减少设备在现场运行时的风险； 2 ) 开发E P A 一致性测试软件，提供可视化、人性化的操作，方便用户的使 用； 3 ) 设计E P A 一致性测试的案例，用于验证测试系统的准确性和完备性 关键字：工业以太网，E P A 标准，测试系统，测试案例 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，E t h e r n e t i m p r o v e s t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ki nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d S i m u l t a n e o u s l y , c o n f o r m a n c et e s t i n gi sa l s oav e r yc o n c e r n e da n d f a s ta r e ai n t h e w o r l d ，a n d i ti si n t e n d e df o rt e s t in g c o n s i s t e n c yl e v e lb e t w e e n i m p l e m e n t a t i o na n dp r o t o c o l ，w h i c hi st h ep r e m i s ea n db a s i sf o ra p p l i a n c e w i d l y I no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c ya n di n t e r c o n n e c t i o na m o n gv a r i o u s e q u i p m e n t sb a s e dE P A ，m a d eb ym a n ym a n u f a c t u r e r s ，I tr e q u i r e s c o n f o r m a n c et e s to ft h ed e v i c e 1 ft h i sc a nb ea c h i e v e d ，i tc a nb ea c c e s s i b l et o c a r r yo u ti n t e g r a t i o no fs y s t e mb e t w e e nt h ed e v i c ea n de q u i p m e n t ，e q u i p m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m s U l t i m a t e l y ，i tc a ne n s u r er e l i a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h es y s t e mb a s e dE P Aa n de x p a n dt h es c o p eo fE P As t a n d a r d s T h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c hi st ob u i l d i n gt h es y s t e mf o rc o n f o r m a n c e t e s t i n g ，i n c l u d i n gs u m m a r i z i n gt h et h e o r yo fc o n f o r m a n c et e s t i n gb a s e dE P A ， c o n s t r u c t i n gt h eg e n e r a lf r a m e w o r ko ft h es y s t e ma n dc a s e sf o rc o n f o r m a n c e t e s t i n g F i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n d u s t r i a lE t h e r n e t ，E P Ap r o t o c o la n d c o n f o r m a n c et e s t i n g S e c o n d l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ec o n s i s t e n c ya b o u t F Ff i e l d b u s ，C A Nf i e l d b u sa n dM o d b u sf i e l d b u s T h e yc a nt h er e s e a r c h b a c k g r o u n do ft h ep a p e r - B a s e do nt h et h e o r yo fE P Aa n dc o n f o r m a n c et e s t i n g ， t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so ft e s t i n gs y s t e m a n dc a s e si nd e t a i l I td e s c r i b e st h ei d e a sf r O ms y s t e ma r c h i t e c t u r e 。d e s i g no f h a r d w a r ep l a t f o r m ，d e s i g no fs o f t w a r e ，d e s i g no ft e s t i n gc a s e s E v e n t u a l l y , i t v e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mb ym a n ye x p e r i m e n t s I nt h i sp a p e Er e s e a r c hr e s u l t si n c l u d e ： 1 ) I tc a r r i e so u tt h ed e s i g np r o p o s a lo ft h es y s t e mf o rc o n f o r m a n c e t e s t i n g ，a n dr e s o l v e st h ep r o b l e mo fn o n - c o n f o r m a n c eo ft h es y s t e mb a s e d E P A ，a n dr e d u c e st h er i s ko fr u n - t i m es p o tf o rt h ee q u i p m e n t s ； 2 ) I td e v e l o p st h es o f t w a r eo fc o m p l i a n c et e s t i n g b a s e dE P A ，a n d p r o v i d e st h ev i s u a l i z a t i o na n df r i e n d l yo p e r a t i o n ，a n dr a i s e st h ec o n v e n i e n c e l I l f o ru s e r s ： 3 ) I td e s i g n e dt h ec a s e sf o rc o n f o r m a n c et e s t i n g ，i no r d e rt ov a l i d a t et h e a c c u r a c ya n dc o m p l e t e n e s so ft h es y s t e m K e y w o r d ：I n d u s t r yE t h e r n e t ，E P A ，C o n f o r m a n c eT e s t i n g ，T e s tC a s e s 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：田民套 签字日期：如口 年3 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝、江盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：、习民杰 签字日期：a 口o 年3 月7 日 导师签名： 杰翰 I 1 签字日期：夕卜年多月7 日 致谢 生命是段征途，在这欢乐与苦痛共存的路途上有很多人生重要的转折点，两 年半的研究生经历是其中非常重要和值得深深铭刻的一个。因为有太多太多需要 感谢的人和值得珍藏的时刻，让我感觉猛然成长和成熟很多。感谢陪我一起走过 这段历程的老师、同学和朋友们，谢谢你们的帮助、鼓励和支持，万分的感谢! 首先，由衷感谢我的导师一应群民老师，他渊博的学识、严谨的态度、豁达 的胸襟和乐观的理念都让我深深地折服，感谢这么长时间对我的教诲和帮助，感 谢一直以来的悉心指导和关怀，谨呈上我最深的谢意。我还要感谢潘丽萍老师， 感谢对我科研学习、组织能力的培养，我会铭记这份对我意义重大的付出和鼓励。 衷心的感谢冯冬芹老师，感谢给予我宝贵的实 - - - - j 实践机会和给予我精神世界 的指引、迷茫困惑的解答和具体细致的指导，他的人格魅力让我至深敬佩，一声 感谢愿能承载我内心深重的感激。我还要向王玉芬老师、贾爱民老师、孙晖老师 表达我的谢意，正因老师的关爱让实验室就像一个大家庭，如此般温暖和亲切。 深深地感谢浙江中控E P A 标准研究中心软件项目组的章涵、陈佳、刘文龙、 陈根、还约辉、贾凯丽和马振芳，谢谢你们一直以来对我的帮助和鼓励，特别感 谢陈佳，不仅在项目中给了我很多的帮助，还教我体会到一种认真和投入的心态， 教我树立今后工作的理念，非常的感谢! 另外，我还要感谢E P A 中心的张淑兰、 童庆，谢谢你们陪伴我走过的美好时光，让我用愉悦的心情笑对生活。谢谢你们， 真心祝愿：顺利幸福! 我还要感谢实验室同学沈凯明、曲晓蕾、苏祥伟、李诚、陈晨、丁俊和胡重 庆，谢谢你们给我提供的融洽而又不失活力的实验室氛围，感谢你们的陪伴。同 时还要感谢我的室友韩晗和孙轩，感谢你们带给我的温馨和快乐的感觉。 最后，我要感谢默默支持我的家人和朋友们，你们的鼓励是我努力的根源和 精神的港湾，使我能够以坚强的意志和积极的心态迎接挑战、克服困难。 想要完全说出内心最深处的谢意，才体会到言语是多么的匮乏与艰难。最后， 再次深深表达我的感谢，送上我最真挚的祝福：祝愿顺利安康! 希望在未来的学 习和工作中，我能够以优异的表现答谢曾经帮助过我的老师、同学和朋友。 田民杰 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 E P A 一致性测试技术与系统研发 第1 章绪论 1 1 工业以太网及E P A 协议概述 上世纪八十年代，计算机功能不断强大，网络技术迅猛发展，与此同时，由 于标准制定严重滞后，工业控制系统中广泛采用的集散式控制系统D C S 互不兼 容、互可操作性差以及可扩充性差的“信息孤岛”的薄弱点也日渐明型1 1 ，因此一 种具有完全的数字通信能力的采用网络集成的全分布式方案一现场总线技术应 运而生，采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制 系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势陶。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用， 但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高，速度低和支持应用有限等，再加 上总线通信协议的多样性，使得不同总线产品不能互相互连，互用和互操作等致 使现场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制嘲。随着以太网技术的发 展，特别是高速以太网的出现使得以太网能够克服了自己本身的缺陷，进入工业 领域成为工业以太网。因而使得人们可以用以太网设备去代替昂贵的工业网络设 备【4 】。由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应 用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理 层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋 势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行 层已得到广泛应用，并且将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连 和信息集成中发挥越来越重要的作用阎。 E P A ( E t h e r n e t f o rP l a n t A u t o m a t i o n ) 标准是我国工业自动化领域第一个拥 有自主知识产权并被国际电工委员会I E C 认可的国际标准作为第十四类型列 入实时以太网国际标准I E C6 1 7 8 4 ，2 ，并作为第十四类型列入现场总线国际标准 I E C6 1 1 5 8 ，E P A 是基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案，是一种全新 的适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准。 浙江大学硕士学位论文 E P A 致性测试技术与系统研发 1 1 1 工业以太网的特点 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它 支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛使用。近年来，随着网 络技术的发展，以太网进入了工业控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术， 这主要是工业自动化系统向分布化、智能化控制方向发展的必然结果【7 】。工业 以太网的特点主要有： 1 ) 高速率 目前标准以太网可以达到1 0 0 M b s ( F a s tE t h e r n e t ) ，甚至1 0 0 0 M b s ( G i g a b i t E t h e r n e t ) 或更高的传输速率，这比所有现有的现场总线都要高得多，因此可以 利用以太网来完成工业现场更高速的数据交换【8 】。 2 ) 低成本，软件支持丰富 工业以太网产品价廉，生产厂家众多，用户可选择的范围很大；成熟软件多， 开发容易，甚至可以延续至现场总线的应用层【9 】。 3 ) 结构简单，容易实现 以太网设备部署简单，系统安装调试和故障检测方便，节省了系统安装和运 营成本【1 讲。 4 ) 便于企业网络集成 基于T C P ，I P 的E t h e m e t 构成的工厂网络的最大优点是将工厂的商务网、车间 的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成了畅通的透明网络并与W E B 功能相 结合，与工厂的电子商务、物资供应链和E R P 等形成整体，成为“透明工厂”【”1 。 1 1 2 工业以太网标准化进程 近年来工业以太网的兴起，引起了自动控制领域的重视，同时许多人担心工 业以太网标准的不统一会影响对自动控制网络应用的渗透。现场总线标准争了十 多年，_ T - _ , l k 以太网标准或许也会这样，工业以太网的下一步发展，也有可能形成 多种类型的协议标准【12 】【1 3 1 目前由主要现场总线生产厂商和集团支持开发的协 议包括： 1 ) F F 和W o r l d F I P 向F FH S E 发展； 2 ) C o n t r o l N e t 和D e v i c e N e t 向E t h e r N e t I P 发展； 2 浙江大学硕士学位论文E P A 致性测试技术与系统研发 3 ) I n t e r b u s 和M o d b u s 向I D A 发展； 4 ) P r o f i b u s 向P r o f i N E T 发展。 这些工业以太网标准，都有其支持的厂商并且目前已有相应产品。一些国际 组织也在积极推进以太网进入控制领域，并同步对工业以太网关键技术进行研 究。 2 0 0 2 年在北京举行的国际电工委员会I E C 年会期间，T CS C 6 5 C 曾作了一项 决定：在2 0 0 7 年开始对现场总线国际标准I E C6 1 1 5 8 进行修订之前，不再增加 新的类型，但考虑成立新的工作组对工业以太网技术开展研究，并起草相关的标 准【1 4 1 。2 0 0 3 年在S C 6 5 C 下成立了W G l l 、W G l 2 、W G l 3 等新的工作组专门负 责有关工业以太网标准的制订。 为此，经过S C 6 5 C 主席、秘书长、协调人及有关工作小组召集人协商，建 议对2 0 0 4 年法国会议之前收到的六个新的实时以太网协议提案以P A s ( P u b l i c l y A v a i l a b l eS p e c i f i c a t i o n ) 规范的形式发布，这些提案包括：中国1 个，日本2 个，通过I A O N A 提出的提案有2 个、法国1 个，分别是： 1 1 中国的E P A ( E t h e r n e tf o rP l a n t A u t o m a t i o n ) 2 ) E l 本横河的V - n e t 3 ) 日本东芝的T c n e t 4 ) 德国B E C K H O F F 公司的E t h e r C A T ( E t h e r n e tf o rC o n t r o la n d A u t o m a t i o nT e c hn o l o g y ) 5 ) 欧洲开放网络联合会I A O N A 的E P L ( E t h e r n e tP o w e r L i n k ) 6 ) 法国施耐德的M O D B U ST C P ( R T P S ) 等 1 1 3E P A 协议的特点 E P A 标准通过增加一些必要的改进措施改善以太网的通信实时性，在以太 网、T C P I P 协议之上定义工业控制应用层服务和协议规范，将大量成熟的l T 技 术应用于工业控制系统，利用高效、稳定、标准的以太网和U D P I P 协议的确定 。注：在I S O I E C6 1 1 5 8 标准中，目前在市场上比较有生命力的有F F ( 包括H S E ) 、P r o f i b u s ( 臣 P r o f i N E T ) 、C o n t r o l N e t 、I n t e r b u s 等，而S w i f t n e t 、P - N E T 、W o r l d F I P 等现场总线在市场上的支持力度比 较小，甚至有不再被原来公司支持的迹象 3 浙江大学硕士学位论文E P A 一致性测试技术与系统研发 性通信调度策略，为适用于现场设备的实时工作建立了一种全新的机制，实现了 工业企业综合自动化系统中由信息管理层、过程监控层直至现场设备层的无缝信 息集成【伺。E P A 的特点主要有- 1 ) 确定性通信 以太网由于采用C S M A C D ( 载波侦听多路访问，冲突检测) 介质访问控制机 制，因此具有通信“不确定性”的特点，并成为其应用于工业数据通信网络的主要 障碍。E P A 系统根据通信关系将控制现场划分为若干个控制区域，每个区域通过 一个E P A 网桥互相分隔，将本区域内设备间的通信流量限制在本区域内；不同控 制区域间的通信I 由E P A N 桥进行转发；在一个控制区域内，每个E P A 设备按事先 组态的分时发送原则向网络上发送数据，由此避免了碰撞，保证了E P A 设备间通 信的确定性和实时性【伺。 2 ) E 网到底 E P A 是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术，采用分段化系统结构和 确定性通信调度控制策略，解决了以太网通信的不确定性问题，使以太网、无线 局域网、蓝牙等广泛应用于工业企业管理层、过程监控层网络的C O T S ( C o m m e r c i a lO f f - T h e S h e l f ) 技术直接应用于变送器、执行机构、远程I O 、现 场控制器等现场设备间的通信采用E P A 网络，可以实现工业企业综合自动化智 能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于 以太网技术的统一，即所谓的“E ( E t h e r n e t ) 网到底”【1 7 1 。 3 ) 一致性和互操作性 大多数控制系统都采用了以太网、T C P I P 协议作为其通信网络，实现了设备 的互连但是，如果仅采用以太网、T C P I P 协议而没有统一的高层协议( 如应 用层协议) ，不同设备之间还不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义，就不 能实现信息互通，也就不可能实现开放系统之间的互可操作【1 8 1 。为此，E 晰 准除了解决实时通信问题外，还为用户层应用程序定义了应用层服务与协议规 范，包括系统管理服务、域上，下载服务、变量访问服务、事件管理服务等。至 于I S O ，O S I 通信模型中的会话层、表示层等中间层次，为降低设备的通信处理负 荷，可以省略，而在应用层直接定义与T C P I P 协议的接口。为支持来自不同厂 商的E P A 设备之间的互可操作，E P A 标, 准采用X M L 语言为E P A 设备描述语言，规 4 浙江大学硕士学位论文E P A 一致性溯试技术与系统研发 定了设备资源、功能块及其参数接口的描述方法。 4 ) 开放性 E P A 标准完全兼容I E E E 8 0 2 3 、I E E E 8 0 2 1P Q 、I E E E 8 0 2 1D 、I E E E 8 0 2 11 、 I E E E 8 0 2 1 5 以及U D P ( T C P ) l i p 等协议，采用U D P 协议传输E P A 协议报文， 以减少协议处理时间，提高报文传输的实时性。为确保E P A 系统运行的可靠性， E P A 标准中还针对工业现场应用环境，增加了媒体接口选择规范与线缆安装导 则。E P A 网络支持其他以太网，无线局域网蓝牙上的其他协议( 如F T P 、H T T P 、 S O A P ，以及M O D B U S 、P r o f i N e t 、E t h e r n e t I P 协议) 报文的并行传输。这样， l T 领域的一切适用技术、资源和优势均可以在E P A 系统中得以继承【1 5 1 。 5 ) 分层的安全策略 对于采用以太网等技术所带来的网络安全问题，E P A 标准规定了从企业信息 管理层、过程监控层和现场设备层三个层次，采用分层化的网络安全管理措施。 E P A 现场设备采用特定的网络安全管理功能块，对其接收到的任何报文进行访问 权限、访问密码等的检测，使只有合法的报文才能得到处理，其他非法报文将直 接予以丢弃，避免了非法报文的干扰。过程监控层采用E P A 网络对不同微网段进 行逻辑隔离，以防止非法报文流量干扰E P A 网络的正常通信，占用网络带宽资源。 对于来自于互联网上的远程访问，则采用E P A 代理服务器以及各种可用的信息网 络安全管理措施，以防止远程非法访问1 1 9 1 。 6 ) 冗余 E P A 支持网络冗余、链路冗余和设备冗余，并规定了相应的故障检测和故障 恢复措施，如设备冗余信息的发布、冗余状态的管理、备份的自动切换等【2 0 1 。 1 1 4E P A 协议国际标准化进程 2 0 0 4 年1 月，在法国南部的P a u l l i a c 小镇召开了I E C ，S C 6 5 C 帕1 0 、W G l l 、 1 2 、1 3 等四个工作组联合大会和工作组会议。中国代表团的专家们分别参加了 工作组联合大会、W G l l 和W G l 3 工作组会议，并在会议上取得重大突破，主 要成果为： 1 ) 会议一致通过在2 0 0 4 年1 1 月以前，将包括E P A 在内的6 种非国际标 准以太网技术作为I E C 的P A S 文件出版； 5 浙江大学硕士学位论文E P A 致性测试技术与系统研发 2 ) E P A 成为目前I E C 正在制定的国际标准I E C6 1 7 8 4 2 的9 种子集之一， 编号为C P F l 4 ，在2 0 0 5 年I E C6 1 7 8 4 2 的C D V 投票之前，可将E P A 纳入到 正式国际标准中； 3 ) 中国代表团在工作组会议上为与会各大总线公司的技术代表做了E P A 技术及其安全策略的专题讲座，并回答了专家提问，取得了良好效果，扩大了 E P A 技术的国际影响； 4 ) 中国专家在W G l 3 会议上所作的安全策略和方法报告得到W G l 3 各位 专家的重视，我国专家承担了I E C6 1 7 8 4 - 4 的部分标准编写工作； 5 ) 中国代表团在工作组会议上与我们的合作伙伴达成一致，共同推进R T E 项目的国际标准化工作，为E P A 将来的P A S 文件投票和纳入正式国际标准打下 了良好基础。 6 ) 2 0 0 5 年3 月E P A 获得了9 5 8 赞成票发布为I E C P A S6 2 4 0 9 。 7 ) 2 0 0 5 年5 月加拿大，E P A 正式列为实时以太网国际标准I E C6 17 8 4 - 2 中的第十四类型( C P F1 4 ) ，从而将与H S E 、P r o f i N e t 并列成为I E C6 1 7 8 4 2 的子集。 8 ) 2 0 0 5 年1 1 月美国，正式启动现场总线国际标准I E C6 1 15 8 第四版的修 订工作，E P A 列为第十四类型，从而与F F 、P r o f i b u s 并列成为I E C6 1 1 5 8 的子 集。 9 ) 根据I E C S C 6 5 C 计划，现场总线国际标准I E C6 1 1 5 8 ( 第四版) 和实时 以太网应用行规国际标准I E C6 1 7 8 4 2 ，均于2 0 0 6 年6 月进入C D V 投票期， 2 0 0 7 年1 月进入F I D S 投票期，2 0 0 7 年8 月作为国际标准I S ( I n t e r n a t i o n a l S t a n d a r d ) 正式出版。 从目前的趋势看，以太网进入工业控制领域是必然的，但同时会存在几个标 准。现场总线目前处于相对稳定时期，已有的现场总线仍将存在，并非每种总线 都将被工业以太网所替代；伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内也不 会完全统一，同样会同时存在多个协议和标准f 2 1 1 。 1 2 一致性测试技术概述 一致性测试是国际上非常关注、也是发展较快的一个研究领域，是现场总线 6 浙江大学硕士学位论文E P A 致性测试技术与系统研发 技术推向市场应用的基础，E P A 做为现场总线协议同样需要进行一致性测试，对 协议实现的行为进行检验。它是验证协议实现与相应协议标准的一致性，它只注 重协议实现呈现于外部的性能，是一个黑盒测试，关心的只是输入输出。在多个 厂家进行设备互连时，通过一致性测试会提高人们对设备( 协议实现) 符合相应 协议标准的置信程度，降低设备在现场运行时的风险性，提高相同标准不同实现 之间互连的概率【2 2 1 。 1 2 1 一致性测试标准 协议测试理论经过几十年的发展，在许多方面都取得了很大的进展，其中最 为成熟的是协议一致性测试理论，它体现在国际标准化组织I S O 制定的国际标准 I E C9 6 4 6 “协议一致性测试的方法和框架”，这是国内外的各个测试实验室和厂家 在这条道路上不断地尝试与探索的智慧结副2 3 1 。 协议一致性测试国际标准的建立可以追溯N A 十年代早期，欧洲的许多研究 机构在建立标准化的协议一致性测试活动方面进行合作，目的是要制定一个在 O S I 框架内进行协议一致性测试的指导标准。最初的参与者包括法国的A D I 、德 国D a r m s t a d t 的G M D 和英国的国家物理实验室N P L ，这些研究机构在这之前 曾分别关注于一致性测试不同方面的研究。例如A D I 设计并实现了一台X 2 5 协 议测试仪；G M D 开发了一种针对I S O 会话层协议进行被动监控和错误监测的分 析工具；而N P L 则实现了一个用来对网络服务进行测试的测试系统，所以后来 也被邀请参加了这一合作项目。至19 8 4 年，又有更多的来自欧洲和北美的研究 人员加入到这一合作研究之中，这一合作项目的许多早起研究成果包括：各种测 试结构、测试语言、各种测试方法的可行性、测试序列的自动生成等等。这些研 究成果及其所采用的术语有许多在后来由I S O 制定的协议一致性测试标准I E C 9 6 4 6 中被采用。 这个标准是针对使用自然语言描述的协议测试而制定的，由七个部分组成： 1 ) I E C9 6 4 6 1 ：基本原理； 2 ) I E C9 6 4 6 2 ：抽象测试集描述； 3 ) I E C9 6 4 6 3 ：数表结合表示法T T C N ； 4 ) I E C9 6 4 6 - 4 ：测试实现； 7 浙江大学硕士学位论文 E P A 一致性测试技术与系统研发 5 ) I E C9 6 4 6 5 ：一致性判定过程对实验室和客户的要求； 6 ) I E C9 6 4 6 6 ：协议框架测试规范； 7 ) I E C9 6 4 6 7 ：实现一致性说明。 虽然该理论框架是为协议的一致性测试而提出的，但其中的主要概念、思想 和方法，也是同样适合于互操作性测试和其他协议测试。 1 2 2 一致性测试分类 根据测试针对一致性要求的类型不同，一致性测试可以分为静态一致性评审 ( S t a t i cC o n f o r m a n c eR e v i e w ) 和测试活动( T e s tC a m p a i g n ) 两类。静态一致性评 审将P I C S ( P r o t o c o lI m p l e m e n tC o n f o r m a n c eS t a t e m e n t ，协议实现一致性声明) 与相关国际标准或C C I T T 推荐标准作比较，实现对静态一致性要求的测试。测试 活动是对特定l U T ( 1 m p l e m e n t a “o nU n d e rT e s t ，被测实现) 执行参数化的可执行 测试集并生成一致性日志的过程，实现对动态一致性要求的测试【2 4 1 。 根据测试提供一致性指示的程度，一致性测试又分为四种测试类型： 1 ) 基本互连测试( B a s i cI n t e r c o n n e c t i o nT e s t s ) 它检查被测实现是否具有进一步测试的条件：是否具有最小的连接能力；能 否接收和发送数据。 2 ) 能力测试( C a p a b i l i t yT e s t s ) 它检查被测实现是否符合静态一致性要求。这里的静态一致性是指必须实现 的最起码协议要求，如协议参数、变量、定时时钟的取值范围等。 3 ) 行为测试( B e h a v i o rT e s t s ) 它检查被测实现是否符合动态一致性要求。这里的动态一致性是指每个状态 所允许的行为是否与协议规定的一致，例如处于连接请求状态下的允许行为应该 是：连接确认、连接拒绝、连接释放。要求测试序列历经所有转换至少一次，并 检查每个转换前后的状态。 4 ) 一致性分解测试( C o n f o r m a n c eR e s o l u t i o nT e s t s ) 它要求一致性测试逐项给出Y E S 或N O 的肯定回答，以及提供与特定一致 性问题有关的诊断信息。 理想的情况是：最好能够毫无疑问的证明一个实现是正确的，与标准或规范 8 浙江大学硕士学位论文E P A 一致性测试技术与系统研发 的要求是一致、完全符合的。但是，这几乎不可能，于是就希望对规范的实现进 行尽可能多的测试，使用这些测试发现实现过程中的错误。最基本的策略是 F a l s i f i c a t i o n 证伪测试，F a l s i f i c a t i o n 测试提供了各种合法和不合法的输入，测试 者把输出的结果和一组相应的“预计结果”相比较，如果发现错误就可以推断出实 现与规范不一致。但是，没有错误并不意味着符合规范，所以F a l s i f i c a t i o n 测试 只能证明不一致性。当然，如果测试过程中没有出现错误，输入越多、范围越大， 就越能认为是一致性的。 1 2 3 一致性测试评价过程 一致性测试评价过程是评价一个实现或系统与一个或多个I S O 国际标准或 C C I T T 推荐标准一致性所必需的所有一致性测试活动的完整过程。 一致性测试评价过程包括三个阶剐2 5 1 ： 1 ) 测试准备，这一阶段包括：协议实现一致性说明P I C S 或协议实施附加 信息P I X l T ( P r o t o c o lI m p l e m e n t a t i o nE x t r aI n f o r m a t i o nS t a t e m e n t ) 的生成；基 于这些文档对抽象测试方法和抽象测试集A T S ( A b s t r a c tT e s tS u i t e ) l 均选择；被 测系统S U T ( S y s t e mU n d e rT e s t ) 和测试手段的准备。 2 ) 测试实施，这一阶段包括：静态一致性分析，通过分析对应相关静态一 致性要求的P I C S 实现；基于P I C S 和P I X I T 的测试选择和参数化；一次或多次 “测试活动”。 测试活动是对特定I U T 执行测试选择和参数化的可执行测试集，并记录观察 的测试时间序列和一致性日志中的任何其他相关信息。它包括允许协议交换在 S U T 和测试系统之间发生的设备配置的使用，这些交换由测试系统控制。测试 行动包括下列三种类型的测试：基本互连测试( 可选) 、能力测试和行为测试。 测试实施阶段终止于结论分析和测试报告生成阶段。 3 ) 测试报告生成。 1 3 现场总线一致性测试技术的现状 随着现场总线一致性测试技术的发展，目前几大现场总线已经根据市场的需 求对各自的一致性测试技术进行了深入的研究，并开发出了和彼此相配套的测试 9 浙江大学硕士学位论文E P A 一致性溯试技术与系统研发 系统等。目前，该技术研究相对成熟的现场总线包括：F F 总线、C A N 总线和 M o d b u s 总线。 1 3 1F F 总线一致性测试 毒 。 图1 1F F 一致性测试系统原理结构 如图1 1 示，F F 一致性测试系统是用来测试F F 设备的通信调度是否符合F F 标准规范的。整个一致性测试是测试一个单独设备的，辅助系统可用来测试发布 者，订阅者的功能性【2 6 】【2 7 1 。 图1 2 测试系统 1 0 女江大学硕学位论文 E P A 致性耙试拄木S 系绒研美 测试系统由三部分组成，如图12 示： 1 ) 测试案例 所有测试集例都是用来检验F F 设备的属性和行为是否符合F F 标准规范的。 它分为必选剥试和可选测试。其集例有着统一的格式 案例代码：由C 语言编写而成，并且利用了一系列符合F F 标准服务原语的 基础测试函数 测试目的：对测试目标的简要概括。 可执行文件：由薄代码生成的可执行剥试程序。 剥试案例的运行分为以下三个阶段： 准备阶段：洲试系统通过一系列可执行的服务原语通知上位机测试器。 运行阶段：测试系统开启测试案例，当检查到错误时案例自动停止。 评估阶段：剥试系统评估被测设备的协议是否符合标准，同时提交判定结果。 P I C S 和P I X I T 描述了被剥设备的性能和测试需要的所有附加信息，它们在 测试案例执行时被提取出来 2 l 操作界面：运行结果显示和记录 其操作界面是基于W i n d o w s 系统的用户界面，如图13 示。 窟_ 鼍! 争罡曼舅粤棼曛，_ _ _ _ 霸 亡三二兀至兰五互三1 二三 o M m 目n d 。 。1 目9 6 。m “。“”5 “9 ” l T F ；r 1 = = r T = z 1 = f ；= T F ：= i 一 止i j 叠E = j 三= ：= = j = = = = = = E = = = = = J 圈13 撵作界i 它同时支持以下用户功能： 测试案例的创建，管理和归并。 浙扛大学顿学位论女印 。R 性测试拄m 与统研发 测试进度表( 测试案 田15 测试P I C S P I X I T 文件中新设备的注册。 测试囊例和剥试进度的单独或重复运行 剥试案例的执行记录。 测试协议和测试报告的管理 田16 浙江大学硕士学位论文E P A 一致性测试技术与系统研发 测试案例、测试协议和测试报告的显示。 设备特殊信息的存档。 3 ) 访问F F 总线的通信栈。 1 3 2C A N 总线一致性测试 根据国际C A N 标准化组织C I A 制定的标准协议D S 3 0 1V 4 0 1 ，总共指定了 4 种通讯对象： P D O ( P r o c e s sD a t aO b j e c t ) ：过程数据对象，用于实时传递设备控制参数 变量，例如开关量、传感器信号等； S D O ( S e r v i c eD a t aO b j e c t ) ：服务数据对象，用于传送组态数据，对设备 进行配置； N M T ( N e t w o r kM a n a g e m e n tO b j e c t ) ：网络管理对象，包括节点保护对象 和N M T 对象，主要用于对设备状态进行管理、控制，及时发现设备故障； 特殊功能对象：同步、应急指示和时间标记对象。同步对象用于为网络提 供一个基本的网络时钟；应急指示对象用于提供中断类型的报警信号；时间标记 对象用于提供给设备一个参考通用时间帧。 在C A N o p e n 协议中，E D S ( E l e c t r o n i cD a t aS h e e t ) 文件用于描述设备特 征，包括通讯数据格式和通讯对象分类以及设备制造商标识等1 2 8 】【2 9 1 。一般来说， E D S 文件由生产厂商来提供，是从设备的测试依据。 对一个C A N o p e n 从设备协议一致性的测试内容主要如下： 1 ) 依据设备的E D S 文件通过发送和接收S D O 通讯对象，测试设备是否符合 它所提供的E D S 文件，通讯如图1 7 示； 主站通过S D O 访问从站E D S 配置 从站通过S D O r 甸主站回答E D S I 为容 主站通过S I X ) 修改从站E D S 配置 M a s t e rE 雹坠D O 习s - a v e Il 卜叫S 卜叫 I 从站通过S D O 向主站应答是否修改成功 图1 7S D O 通讯 1 3 浙江太学硕士位沧文E M 一8 性R 拄$ # 系统日 2 l 通过发送N M T 通讯对象对设备状态进行管理，测试设备是否响应N M T 管理， 通讯如图18 示。 匝匦口口亟 一_ 亘 囤18N M T 通讯 3 ) 通过发送和接收P D O 通讯对象，剥试设备是否响应P D O 控制，通讯如图1 9 示，其中控制变量可以是开关量、I O 端口值等； 匝亟丑 卫夏 - 压匦丑 主站通过P D or 自从站写控制变量 匝匦口 匦 耍丑 从站通过P D 0 向主站传递控制变量值 图19P D O 通讯 通过对从设备上述内容的测试，确认从设备协议是否符合C A N o p e n 协议 M o d b u s 协议测试系统主要由主机、被剥设备、标准设备及连接部件构成。 测试主站为P C 机，它通过执行测试软件完成对被剥设备的一致性测试；标准设 备为来自不同厂家的经过M o d b u s 协议测试的串行链路设备，作为与被洲设备进 行互操作性剥试的从站 M o d b u s 协议测试的系统结构如图11 0 示： 被测设*标准设备 囤11 0M o d b u s 一致性洲试系统结构图 M o d b u s , - 线剥试环节分为四个步骤检查被测设备的物理层配置参数；确 定设备的数据链路层服务类型和等级；制定P I C S 文档；进行一致性测试 3