LTE協議棧軟件分析測試方法

摘 要： 測試是通信協議棧軟件開發中的重要部分。為了提高研發效率，給出了一種根據項目需求和實際開發經驗得出的LTE協議棧軟件的測試分析方法及應用結果。以LTE接入網標準架構為原型，分層調試為思想，多彩模塊化打印為手段，具有環境簡易、調試方便的特點，在實際開發調試過程中取得了良好的效果。

關鍵詞： LTE； 協議棧； 測試； wireshark

中圖分類號： TN929.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0033?03

Analysis and testing method of LTE protocol stack software

ZHU Feng1，2， ZHANG Xiao?ping1， YANG Xi?ning2

（1. School of Information Science Engineering， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China；

2. Wireless Communication Center， Institute of Computing Technology， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China）

Abstract： Testing is an important part of communication protocol stack software development. In order to improve the RD efficiency， the LTE protocol stack software analysis and testing method drawn from the experience of the actual project development requirement is proposed， and the application results are given. The LTE access network standard architecture is taken as a prototype， layered debugging and colorful modular printing as means in the method， which has the characteristics of simple environment， convienient debugging， etc. Actual results indicate that this method is effective.

Keywords： LTE； protocol stack； testing； wireshark

0 引 言

LTE（Long Term Evolution）是UMTS技術標準的長期演進，3GPP組織在2004年12月正式立項啟動。為達到系統高速率、低時延等要求，對空中接口和系統架構進行了重新設計[1]，來更好地應付如今呈爆炸式增長的數據流量需求。因此空中接口協議棧軟件的開發顯得極其重要，其軟件性能更是直接關系到了網絡的服務質量和用戶體驗。隨著LTE網絡的商用臨近，更多的廠商將加入LTE協議棧軟件的研發。

本文介紹了一種應用在LTE協議棧系統軟件開發過程的測試和調試的模型，并給出了測試模型的應用結果。該模型以LTE接入網標準架構為原型，分層調試為思想，多彩模塊化打印為手段，具有環境簡易、調試方便的特點，對協議棧軟件調試和分析具有良好的輔助作用。

1 LTE協議棧架構

LTE系統由核心網絡（EPC）、無線網絡（E?UTRAN）和用戶設備（UE）構成[2]。基站（eNodeB）之間通過X2接口相連組成接入網，其空口協議棧分為控制面和用戶面，圖1是控制面的架構，用戶面與控制面架構類似。NAS層、RRC層[3]統稱為L3層，主要負責信令和無線資源控制。PDCP層[4]、RLC層[5]、MAC層[6]統稱為L2層，主要負責數據鏈路，PHY層則是向高層提供數據傳輸服務。

圖1 LTE空中接口控制面架構

2 測試方案

2.1 測試環境

測試環境模擬LTE系統架構來搭建，分別為移動管理實體（MME）/服務網關（SGW）、 eNodeB和UE，整體的測試框架如圖2所示，主要分為L2/L3高層協議測試和L1/L2/L3層協議測試兩部分。本文測試中使用了中國科學院計算技術研究所無線通信技術中心自主研發的LTE終端協議棧軟件、LTE Femtocell協議棧軟件和LTE網關軟件。為便于分析問題，采用了單用戶模式舉例，多用戶情況以此類推。

圖2 協議測試環境

2.2 分層測試

LTE協議棧軟件功能眾多，按照分層化思路進行調試分析是一個不錯的開始。先分別進行單層測試，確保各層功能的正確與穩定性，然后再逐層遞加進行測試。L2層數據鏈路通過后，再開始信令面和用戶面的測試。在定位棘手的問題時，一層一層追蹤數據流向，可以達到事半功倍的效果。舉例來說，在測試下行用戶面時，首先確認基站PDCP層是否收到數據包，確認后查看數據有沒有通過PDCP層轉發下去；如果PDCP層沒有問題，數據是否到達RLC層；如果到達RLC層，MAC層是否進行調度發送。

2.3 網絡封包捕獲解析

網絡封包捕獲解析程序可從以太網卡中捕獲數據流并進行解析顯示。這里推薦使用wireshark[7]，它是一款常用的優秀開源網絡封包分析軟件，提供了自定義協議解析插件的編程接口，可以讓使用者開發適用于自定義協議的插件。目前wireshark中已經提供了RRC層、PDCP層、RLC層、MAC層的解析插件，只需要在協議數據包前加上特殊的解析包頭即可調用解析[8]，看到各個消息的名稱和字段的值。在抓包以后，可以將抓包另存為pcap文件，方便下次查看。尤其在L1/L2層集成測試時，MAC/PHY API接口是處理MAC層消息，控制并調度PHY物理層鏈路處理的重要接口，MAC/PHY API的高效性和完備性直接影響到物理層處理的效率和正確性[9]。因此需要編寫能夠解析MAC/PHY API的wireshark網絡封包軟件的插件程序，使得wireshark能夠顯示兩層接口之間交互的信息，如圖3所示。

2.4 udp socket發送機制

在測試L2/L3層時，可先用以太網模擬PHY層，網關程序、基站協議棧程序、終端協議棧程序、網絡封包捕獲解析程序分別各自運行在一臺計算機中，通過udp socket編程來發送MAC層協議數據包，同時將RRC、PDCP、RLC、MAC層的協議數據包通過udp socket編程抄送至網絡封包捕獲程序，網絡封包捕獲程序則監視設定的udp端口來抓取數據。

圖3 MAC/PHY API解析

2.5 調試信息顯示

2.5.1 打印位置

調試信息的打印是測試的關鍵。LTE系統中傳輸時間間隔（TTI）被定義為1 ms，也就是說1 ms內需要將調度或者收發數據完全處理，每個子幀都有可能需要打印調試信息，將帶給硬件不小的壓力。在單獨測試L2/L3層協議時，可以在計算機上運行程序，目前大部分計算機的性能可以滿足需求，因此調試信息可以直接在窗口中打印。當加入L1層進行集成測試時，嵌入式開發板資源相對比較短缺，大量的I/O操作會嚴重占用CPU使用率，而CPU與以太網卡的交互速率更快。這里使用的PHY層開發板為飛思卡爾公司生產的BSC9131[10]，專門用于開發家庭基站，CPU為單核1 GHz，打印信息較多時經常會導致開發板掛掉，解決的方法是應用udp socket發送機制將調試信息通過以太網發送到計算機，計算機中則編寫簡單的wireshark解析插件后進行捕獲解析。此方法經過實際項目檢驗有效可行，沒有再出現掛掉的情況。

2.5.2 模塊化多色打印

直接在計算機上顯示時，采用在程序中開發相應的專用打印模塊的方法，不同的優先級打印信息顯示不同的顏色，并且能夠顯示程序運行的狀態、出錯的位置。在與L1層集成測試時，同樣可以選擇多彩化打印。wireshark支持不同的協議或者端口顯示不同的顏色，只需要簡單的設置即可，這給我們調試提供了便利。應用這種方式，在調試信息繁多時可以極大的提高調試效率。圖4為wireshark主窗口多色顯示的結果，從圖中可見，視覺效果十分明顯。

圖4 wireshark多彩調試信息

3 測試場景及結果

3.1 L2/L3層

該場景下，協議棧程序運行在計算機上，由以太網模擬PHY層。在網關側和終端側分別建立一個虛擬網卡用來模擬IP層。圖5是一個終端附著過程的wireshark抓包解析圖，終端附著成功后，使用開源網絡性能測試工具iperf向該socket發送指定速率的數據流。上行數據通路為：iperf客戶端→終端虛擬網卡→終端協議棧→基站協議棧→服務網關→iperf服務器端；下行數據通路為：iperf客戶端→服務網關→基站協議棧→終端協議棧→終端虛擬網卡→iperf服務器端。iperf可以報告帶寬，延遲抖動和數據包丟失，客戶端程序用于發送數據，服務器端程序用于接收數據，通過簡單的命令行參數即可實現，示例如下：

客戶端：iperf -c 192.168.0.1 -u -i 1 -p 8000 -b 1M

服務器端：iperf -s -u -p 8000 -i 1

圖5 終端附著信令過程

3.2 L1/L2/L3層

L2/L3層場景完成后，即可將L1層加進來，進行真實情況下的測試。在項目中采用了業界普遍使用的艾法斯公司生產的TM500 LTE測試終端，基站側L1層采用飛思卡爾公司的BSC9131處理器開發板。計算機通過PPPoE（Point-to-point Protocol over Ethernet）協議連接TM500，便可在計算機上使用iperf工具初步測試基站的性能。經過實際調試過程的檢驗，本文所述方案有效可行。

4 結 語

協議棧軟件的測試需要清晰的數據流程。本文測試環境搭建簡易，在與L1層集成調試時，將所有打印信息發送到wireshark軟件解析顯示，并且可以根據端口顯示不同的顏色，協議數據狀態一目了然，問題定位快捷方便，為調試協議棧軟件系統時提供了很大的支持。另外，本文所述的測試環境不局限于上述，當在開發中缺少基站（終端）協議棧時，可在相應接收函數處構包模擬終端（基站）來達到測試的目的。同時，也可擴展到其他通信協議的測試，具有一定的推廣性。

參考文獻

[1] 王映民.TD?LTE技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 3GPP. 3GPP TS 36.300， evolved universal terrestrial radio access and evolved universal terrestrial radio access network （E?UTRAN）， overall description， stage 2 [S/OL]. [2008?12?11]. http：// www.3gpp.org/ftp/Specs/html?info/36300.htm.

[3] 3GPP. 3GPP TS 36.331， evolved universal terrestrial radio access， radio resource control （RRC） protocol specification [S/OL]. [2008?12?11]. http：// www.3gpp.org/ftp/Specs/html?info/36331.htm.

[4] 3GPP. 3GPP TS 36.323， evolved universal terrestrial radio access， packet data convergence protocol （PDCP） specification [S/OL]. [2008?12?11]. http：// www.3gpp.org/ftp/Specs/html?info/36323.htm.

[5] 3GPP. 3GPP TS 36.322， evolved universal terrestrial radio access， radio link control （RLC） protocol specification[S/OL]. [2008?12?11]. http：// www.3gpp.org/ftp/Specs/html?info/36322.htm.

[6] 3GPP. 3GPP TS 36.321， evolved universal terrestrial radio access， medium access control （MAC） protocol specification[S/OL]. [2008?12?11]. http：// www.3gpp.org/ftp/Specs/html?info/36321.htm.

[7] LAMPING U. Wireshark developer′s guide for wireshark 1.11[EB/OL]. [2013?01?11]. http：//www.wireshark.org/docs/ wsdg_html_chunked.

[8] Anon. MAC?LTE wiki [EB/OL]. [2012?04?09]. http：//wiki.wireshark.org/MAC?LTE.

[9] Anon. LTE eNB L1 API Definition v1.1 [EB/OL]. [2010?10?12]. http：//www.smallcellforum.org.

[10] Anon. QorIQ Qonverge BSC9131 [EB/OL]. [2013?07?05]. http：//www.freescale.com/zh?Hans/webapp/sps/site/prod_summary.

作者簡介：朱 峰 男，1989年出生，甘肅慶陽人，碩士研究生。主要研究方向為LTE協議棧軟件開發。