信息交換軟件數據著色測試技術研究

王 影

(中國航發商用航空發動機有限責任公司 控制系統部，上海 200241) E-mail：wyltm@126.com

1 引 言

理想的軟件測試方法需要同時具有錯誤檢測能力高、成本消耗低和適用性廣泛等特點[1].等價類、邊界值、判定表等經典方法在軟件測試領域具有普遍的適用性,能夠檢驗軟件實現正常功能及魯棒性需求的正確性，發現軟件缺陷.不過，由于軟件應用場合等的不同，有時照搬經典方法可能無法準確暴露所有缺陷.因此，需要結合實踐經驗，不斷總結軟件故障模式，優化測試策略[2]，或基于經典方法衍生出對特定場景效果更好的新方法[3].

在計算機通信領域，除了傳統的局域網、互聯網、移動通信網和衛星通信網，物聯網[4]、車聯網[5]、空天地一體化網絡[6,7]等技術也不斷推陳出新，在各種通信線路和設備上，通過網絡軟件落實通信協議，與整個世界甚至太空、外太空實現數據交換.在航空[8,9]、航天[10,11]等工業自動化領域，隨著工業數據總線、雙口RAM、EEPROM等技術的發展，數字通信不斷取代模擬、開關量信號的點對點傳輸，實現了不同設備、系統之間或控制器與執行機構之間的批量數據傳輸，構成多機冗余/協同系統、現場總線網絡或可調參數在線存取系統；這些系統中運行的信息交換軟件不僅要基于需求進行數據處理、設備控制和監測，又要基于統一的數據收發協議，完成批量數據的組包發送和拆包接收，實現信息交換.

在具有數據交換功能的各類系統中，數據收發協議是信息交換雙方約定的共同語言，通常定義為數據包的形式，不同數據占據數據包中的指定字段；字段之間因位置上的相鄰或嵌套關系而相互影響，產生松散或緊密的耦合作用.如果數據收發雙方所應用的通信或存取協議版本不統一，或雙方采用不同語言編程、且處理數組時的下標范圍不同(如C語言數組下標從0開始，PASCAL從1開始)，都可能在數據拼裝和解析過程中引入特定類型的錯誤.除非測試人員充分了解數據拼裝缺陷的故障模式、并為此精心設計測試用例，否則通常難以及時捕獲異常.因此，本文基于邊界值分析法和單缺陷假設，提出針對性的軟件著色測試解決方案.

2 問題與挑戰

對于網絡及信息交換軟件來說，數據收發協議定義的拼裝關系越復雜，軟件越容易出錯.常見錯誤類型包括數據裝入與提取位置錯位，數據交換雙方定義的數據類型/排序不一致等.即使數據包中所有數據均為同構信息，仍有可能出現數組下標索引類錯誤.例如某型號發控計算機為雙機冗余系統，主機通過雙口RAM把關鍵參數周期性地發給備機；主備切換后，備機基于主機發送的最新參數維持運行.如果主、備機之間對某個關鍵參數的數據類型定義不匹配(如收、發分別是long和char類型)，則該缺陷會傳播到序號靠后的數據，引起后續數據存儲位置繼發性錯位，依靠這些數據進行處理的相關軟件功能間接出錯等連鎖反應.

由于經典測試方法主要檢驗軟件配置項內部處理邏輯的正確性，對通信/存取數據之間相互依存的耦合關系不加限制，對通信協議不同字段中無關數據的測試賦值不做顯式隔離，有時因偶然性賦值相似可能相互干擾、掩蓋錯誤.有時測試結果看似正確，但并非源自應與其匹配的輸入(如所有測試數據取值為0時，即使數據包內部存在部分錯位，也無法發現基本數據類型不匹配的錯誤).對于參與復雜數值計算的通信/存取數據，由于計算過程復雜或存在多周期的連續積分運算(如對于伺服回路閉環控制，部分輸入數據來自作動機構的反饋，測試過程無法完全控制)，有時經過仔細推敲雖然可以看出測試結果與期望值并不匹配，但卻在有效的值域區間內，易被錯誤地當作計算精度的合理損失，測試人員對其不敏感或出現視覺疲勞，異常現象不能及時捕獲.

針對此類軟件缺陷漏測多發的情況，本文提出了一種軟件數據著色測試方法，通過隔離邏輯無關的測試輸入數據消除干擾，突出容易出錯的數據字段，將軟件可能產生的數據交換錯誤充分暴露.

3 著色法概述

著色也稱染色或上色，指用化學或其他方法影響物質本身而使其著色.紡織品染色技術[12]是指通過適當的染色工藝，使用染料和助劑對紡織品進行著色；在生命科學研究[13]、醫學病理分析[14]領域，通過染色劑將生物組織細胞的某一部分染上與其他部分不同的顏色或深度不同的顏色，產生不同的折射率，方便觀察；在非多孔性材料表面探傷領域[15]，著色滲透探傷是檢查原材料、毛坯、半成品、工具等各種材料表面缺陷的一種非破壞性檢驗方法：利用帶特殊染料的滲透劑的毛細管滲透作用及毛細管的吸附作用，來檢查零件表面的開口缺陷.

無論紡織品染色、生物細胞染色還是著色探傷，染色的目的都是為了突出重點，使聚焦的觀察對象從其周圍背景中脫穎而出.

4 軟件著色測試方案分析

本文的描述基于以下概念：

1)位串是由0和1組成的二進制位序列，表示為B；長度為n的位串B的第i(i∈[1,n])個二進制位表示為B[i].位串對應的十進制整數值，稱為位串值.長度為n的位串有2n個可能的取值(或排列形式).

2)數據類型指高級編程語言能接受的標準類型(整型、字符型、浮點型)或用戶自定義類型(結構體、共用體、數組、枚舉類型)，以字母T表示.每種數據類型占據指定位數的存儲空間，對應指定長度的位串.

3)以位串為補碼轉換成指定數據類型的十進制數值,稱為位串的等價數據；不同數據類型可能具有相同的存儲位數，因此同一個位串可能存在多個不同的等價數據.

4)將十進制數據按其所屬類型占用的存儲位數，轉換成二進制補碼形式的位串，稱為數據的等價位串.把位串作為補碼，按指定數據類型轉換為等價十進制整數的過程，稱為位串的解析；將十進制數據按其指定類型轉換為補碼形式的等價位串的過程，稱為數據的翻譯.

5)測試輸入數據包I是由m個不同類型Ti的數據Di組成的有序m元組，數據Di稱為I的第i(i∈[1,m])個元素，在存儲時需要占用Ri個二進制位.特殊地，若?i∈[2,m]，Ti=Ti-1，稱測試輸入數據包是等分的.若?i∈[2,m]，Ti≠Ti-1，稱測試輸入數據包是非等分的，i稱為數據包的非等分點，所有非等分點的集合稱為非等分集合.

6)測試輸入數據包位串B是由測試輸入數據包I中m個數據對應的位串Bi，i∈[1,m]，首尾連接組成，B=B1B2…Bi…Bm，Bi是第i個子位串，串長為Ri.第1個子位串的起始位置Z1總是1，第i個子位串的起始位置Zi=Zi-1+Ri-1.數據包位串的總串長n=∑Ri(i=1…m)=Rm+Zm-1.

4.1 基本術語定義

為方便描述，定義如下術語：

定義1.位串的劃分與合成：一個長度為n的位串B可按照順序劃分為m，m∈[1,n]，個長度分別為R1、R2…Rm的子位串Bi，i∈[1,m]，n=∑Ri，i=1…m，稱子位串Bi是位串B的第i個元素.特殊地，當m=1時，R1=n，子位串B1=B；當m=n時，Ri=1，子位串Bi是單個二進制位；若?i∈[2,m]，Ri=Ri-1，則定義位串B是等分的.m個長度為R1、R2…Rm的位串Bi，i∈[1,m]，可按升序合成一個新的位串B=B1B2…Bi…Bm.位串的合成結果是唯一的，但位串的劃分結果不唯一，導致位串的等價數據不唯一，因此位串的劃分與合成操作不可逆.

定義2.位串間關系：對于長度分別為R1、R2的位串B1與B2，若R1=R2，且?i∈[1,R1]，B1[i]=B2[i]，稱位串B1與位串B2相等；若R1>R2，且?i∈[1,R2]，B1[i]=B2[i](稱B2是B1的前綴)或B1[i]=B2[R1-R2+i](稱B2是B1的后綴)，或?i∈[1,R2]，?j∈[1,R1-R2]，使得B1[i+j]=B2[i](稱B2是B1的中綴)，統稱位串B1包含位串B2，或位串B2包含于位串B1；若存在長度為R3(R3

定義3.位著色：若一個二進制位取值為0，定義該位著白色；若該位取值為1，定義其著黑色.

定義4.位串灰度G：一個長度為n的位串B1取值V1與等長位串B2各位均取1的位串值V2之比，定義為位串灰度G=V1/V2，G∈[0,1].特殊地，當位串B1各位均取0時，位串灰度G=0，定義位串著白色；當位串B1各位均取1時，位串灰度G=1，定義位串著黑色；當位串B1部分位為0其余位為1時，位串灰度0

定義5.位串雙色著色：若位串B中只有特定位置的一個或幾個子位串著黑色/白色，剩余子位串全部著相反的白色/黑色，稱該位串B是雙色著色.

定義6.位串彩色著色：位串中只要有一個子位串的灰度0

4.2 數據包易出錯點識別

基于單缺陷假設和邊界值測試思想，針對等分數據包和非等分數據包，分別辨識多數據組包傳輸和讀寫中的易出錯點數據項如下：

定義8.等分數據包差異點：若測試輸入數據包I是等分的，收發雙方可能存在三種類型匹配錯誤：1)相同索引的數據元素等價位串長度不相等；2)相同索引的數據元素有符號與無符號類型不匹配；3)收發雙方引用數據的索引差1.因數據包I是等分的，在其首尾邊界附近最容易發現錯誤，故定義數據包正序的第1或第2個數據為第一差異點U1，倒數第1個或第2個數據為第二差異點U2.

定義9.非等分數據包差異點 若測試輸入數據包I是非等分的，除定義其首尾邊界數據為第一差異點和第二差異點外，另將非等分集合中非等分點最小值，即先導同類型數據與異型數據的分界線，定義為臨界差異點U3；若非等分集合中存在自定義數據類型(結構體或位段)，考慮到收發雙方分別自定義結構體時可能存在差異，將非等分集合中每個自定義類型數據定義為特征差異點U4，特征差異點不是唯一的.如果數據包中只有一個自定義類型數據，則只定義一個特征差異點U4，不再定義U1、U2和U3.

4.3 差異點檢錯能力分析

根據軟件研制經驗，在數據打包與拆包過程中最容易出現的錯誤是等分數據包打包與拆包索引差1錯誤，導致打包前的數據在拆包后受到相鄰數據的污染，該錯誤可以通過第一、第二差異點U1、U2與相鄰數據特征的比對來暴露；非等分數據包打包與拆包時容易出現相同索引的數據類型不匹配，導致打包前的數據在拆包后受到相鄰或間隔數據的污染，該類錯誤可以通過臨界差異點U3或特征差異點U4與相鄰或間隔數據特征的比對來暴露.

根據差異點檢錯能力分析，若在測試輸入數據包中放大差異點數據與其他數據(特別是相鄰和間隔數據)的視覺特征落差，則錯誤更容易捕獲.為此引入軟件著色測試的概念.

4.4 軟件著色測試方案

軟件著色測試法[16]把邏輯相關的測試輸入數據包劃分為焦點對象和周圍背景兩組，將焦點對象和周圍背景采用視覺落差較大的不同顏色著色(賦值).焦點對象是可能出錯或容易暴露錯誤的特殊數據，如測試輸入數據包中的差異點或包含差異點在內的部分特征數據；周圍背景是輸入數據包中除焦點對象外的其他數據集合.

若焦點對象與周圍背景之間形成二維平面或三維以上立體結構，稱周圍背景是全包圍的.如多級嵌套結構體，在一個結構體內定義了多個字段，部分字段也是結構體或位段，字段內一個數據與同一字段其他數據和該數據與其他字段之間，形成二維、三維甚至更多維度的關系網.以結構體或位段字段為焦點對象，其他字段作為全包圍型的背景，推薦采用彩色著色測試方案，示意如圖1所示.

周圍背景周圍背景焦點對象周圍背景周圍背景

圖1 全包圍型周圍背景示意
Fig.1 Diagram of full-surrounding neighborhood

若焦點對象與周圍背景之間形成線性結構，則稱周圍背景是半包圍的.如數組元素組成的等分數據包，以標準類型(如int、char等)或位段來定義數據元素的無嵌套單層結構體(非等分數據包)等.半包圍型的背景分為左鄰和右舍，推薦采用雙色著色測試方案，示意如圖2所示.

左鄰焦點對象右舍

圖2 半包圍型左鄰右舍背景示意
Fig.2 Diagram of half-surrounding neighborhood

4.4.1 軟件雙色著色測試方案

圖3 軟件雙色著色測試流程圖Fig.3 Flow chart of software double-color testing

在長度為m的測試數據包I中，以數據包差異點U1、U2、U3、U4為焦點對象，以黑色進行著色；其他數據為左鄰右舍或周圍背景，以白色進行著色，形成軟件雙色著色方案.以白色為背景色，軟件處理焦點對象得到的輸出結果黑色更加容易判讀，只要結果中的背景非白色，即可確認數據被污染，方便追蹤污染源，最大限度屏蔽未知因素出錯對背景數據的影響，降低缺陷定位的難度.

軟件雙色著色測試流程如圖3所示.

4.4.2 軟件彩色著色測試方案

在長度為m的測試輸入數據包I中，將數據包差異點U1、U2、U3、U4附近指定n(n

軟件彩色著色測試流程圖如圖4所示.

圖4 軟件彩色著色測試流程圖Fig.4 Flow chart of software multi-color testing

4.4.3 軟件著色測試方案應用說明

軟件雙色著色和彩色著色測試方案均可在差異點附近發現索引錯誤和類型匹配錯誤等數據收發錯誤，可視情綜合使用.彩色著色方案可用相對較少的用例一次性發現多處缺陷；雙色著色方案在發現錯誤時，缺陷定位更準確.

采用著色法設計用例時，對于第一、第二或臨界差異點U1、U2、U3，數據包單個字段往往代表完整物理信息，直接選擇單字段為焦點對象，其余數據為周圍背景.

而自定義數據類型(結構體/位段)比較復雜，可由多個物理量拼湊而成；一個完整的物理量可能拆成多份，分散在不同或不連續的字段中；表示物理量的數據符號位可能與數值部分隔離等，而特征差異點U4仍以數據包中代表特定物理信息的完整數據為焦點對象，其余數據為周圍背景.

5 實驗驗證

軟件著色測試法重點關注數據傳輸、讀寫過程是否嚴格遵照相同的協議來實現，檢驗數據收發雙方對于約定協議的實現是否同步，數據類型解析是否正確，無關數據有沒有污染.測試輸入值限于數據類型二進制表示范圍的上、下限值(所有位全0、全1)，不關注物理量的有效功能范圍.

理想的著色測試方案能夠通過一次著色立即發現并定位缺陷，但是焦點對象的選取和著色方案不同對于缺陷的定位存在一定影響.有些軟件缺陷隱藏較深，無法一步到位，需要多次試探著色，不斷逼近出錯點.當然，通過優化選取焦點對象和著色方案，可能更加高效地定位軟件缺陷.

實驗方法如下：

1)首先根據數據包是否等分，辨別數據組包協議中的易出錯數據點，標識差異點類型和個數.

2)根據差異點性質選擇焦點對象，確定采用數據雙色著色或彩色著色方案，進行初步著色測試以便暴露缺陷.

3)根據測試結果中的缺陷形式，進一步調整、優化著色方案，遞進式發現和定位缺陷.

下面選取實例進行數據著色測試分析：

某型號導引頭微波子系統主要由角信號處理組合(J)、微波時延接收組合(W)、信號分選組合(X)等部分組成.J接收W的3個信道A、B、C的固定和可變延遲線.調試計算機通過CAN總線將固定延遲線數碼及小直流調節量燒寫入J計算機的EEPROM；X通過同步串口BSP向J發送載頻碼命令，J計算機根據收到的載頻碼大小(與A、B或C信道之一對應)，按照EEPROM存取協議，讀出相應信道的固定延遲線數碼和小直流調節量，用于改變固定延遲線的控制碼，完成回路閉合，解算空間目標角度并調節其輸出直流零位，然后經濾波處理后輸出.

角信號處理組合計算機軟件在EEPROM中使用兩個16bit的字來存儲固定延遲線數碼(1符號位+6數值位，有效取值范圍為-10～+9，數據2)和小直流調節量(1符號位+2數值位，有效取值范圍為-1～+1，數據1).每個信道的數據分為一組，共A、B、C三組.固定延遲線數碼和小直流調節量寫入EEPROM中的數據拼裝協議定義如圖5所示.

字號b15b14b13b12b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1b01A組數據1A組數據2B組數據1B組數據2200A組數據1符號A組數據2符號B組數據1符號B組數據2符號C組數據1符號C組數據2符號C組數據1C組數據2

圖5 數據拼裝布局圖
Fig.5 Layout of data assembling

圖5 A、B組數據1、2的數值均存在第1個雙字節的字中，符號位存放在第2個字中；C組數據1、2的數值、符號位均存在第2個字中.其中符號位：0表示正，1表示負.

5.1 經典方法測試設計

根據等價類和邊界值分析測試用例設計原則和單缺陷假設思想，本例中的6個輸入數據可分別劃分為1個有效等價類和1個無效等價類；上、下邊界附近各包括2個上點(等于邊界值)、2個離點(與邊界值差1的無效值)和一組內點(上下邊界間的有效值)，用例設計如表1所示.

表1 經典方法測試用例設計表Table 1 Classic method test case design table

使用邊界值測試法，每個數據至少需要5個測試用例，6個數據至少需要6*5=30個測試用例.使用等價類測試法，由于每個數據存在1個有效等價類和2個無效等價類，需要至少設計3個測試用例，因此，6個數據至少需要6*3=18個測試用例.由于6個數據的內點或有效等價類均可合并在一個用例中測試，測試用例總數可減少5個，因此，實際使用30-5=25(邊界值)或18-5=13(等價類)個測試用例即可完成基于需求的功能和魯棒性測試，驗證軟件配置項內部的完整處理邏輯是否正確.

5.2 著色法測試用例設計

由數據拼裝布局圖可見，數據包不等分，6個物理信息均被拆分成符號位和數值兩部分，且分散在不連續的字段中.因此，該數據包為自定義位段結構體，只須定義一個特征差異點U4，不再定義U1、U2和U3.如果采用雙色著色測試法，焦點對象是6個數據整體，周圍背景是第2個字b15和b14的固定值0.通過1個測試用例可觀察填充位是否被污染，無法判斷6個數據之間是否相互污染，無法充分暴露可能的數據拼裝缺陷.

表2 著色法測試用例設計表Table 2 Coloring method test case design table

因此采用彩色著色測試法，A、B、C組各兩個數據與其符號位一起可分別當作焦點對象，其余字段當作周圍背景，共設計6個測試用例，可通過周圍背景是否被污染及污染情況，初步判定可能的拼裝缺陷的位置，如表2所示.

如選取測試B組數據1為焦點對象，著色方案如圖6所示.

字號b15b14b13b12b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1b01A組數據1:00A組數據2:000000B組數據1:11B組數據2:000000200A組數據1符號:0A組數據2符號:0B組數據1符號:1B組數據2符號:0C組數據1符號:0C組數據2符號:0C組數據1:00C組數據2:000000

圖6 B組數據1著色圖
Fig.6 Color graph for datum1in group B

如測試結果B組數據1解析為-3，結果正確；如解析為3，則符號位引用錯誤；如解析為0、-1或-2，則數值位引用錯誤；如解析為1或2，則數值位和符號位同時引用錯誤.

設B組數據1解析為3，為進一步定位錯誤來源，擴大焦點范圍，將數據包除B組數據1之外的剩余29個比特位無差別地輪流置1，直到B組數據1解析為-3止，因此最多增加29個用例即可定位缺陷來源.擴大焦點著色如圖7所示.

字號b15b14b13b12b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1b01A組數據1:00A組數據2:000000B組數據1:11B組數據2:000000200A組數據1符號:0A組數據2符號:0B組數據1符號:1B組數據2符號:1C組數據1符號:0C組數據2符號:0C組數據1:00C組數據2:000000

圖7 B組數據1缺陷定位著色圖
Fig.7 Color graph for datum1in group B for defect location

5.3 實驗結果對比分析

對于本例，假設軟件數據收發雙方對于B組數據1存在引用符號位不一致的錯誤.為了發現并準確定位該缺陷，應排除數據包中無關字段可能造成的干擾，最佳方案之一是將B組數據1賦值為-3(其次是同時設計兩個測試用例，分別賦值為-1和-2，二者互補地排除該數據內部兩個數值位對符號位的干擾)、其余數據賦值為0，由于從內點或等價類集合中選取任一數值的概率相等，且不同數據的賦值相互獨立，滿足方案的測試數據賦值概率等于B組數據1為-3(加上分別賦值為-1和-2)、A/C組數據1及A/B/C組數據2為0的概率P0.

如果使用著色法，只需彩色著色測試方案中的全套6個測試用例，就可發現錯誤，錯誤檢出率P0=1/6=16.7%.根據5.2節分析，最多35(=6+29)個測試用例即可確定缺陷位置，缺陷定位率P1=1/35=2.9%，工作量仍在可接受范圍，因此表明軟件著色測試技術在發現數據通信拼裝缺陷方面具有明顯的特異性和高效性.

表3 實驗結果對比表Table 3 Comparison table for experiment result

著色法與等價類、邊界值分析法的實驗結果對比如表3所示.

6 結束語

軟件著色測試法是對經典測試方法在多數據組包傳輸和讀寫領域的增強，通過將通信協議輸入數據包劃分為焦點對象與周圍背景并分別著色，消除了周圍背景對焦點對象的干擾，有助于發現軟件處理焦點對象可能引入的缺陷，解決了數據收發、存取雙方未嚴格遵循協議導致的漏測問題.

本文研究成果具有理論和工程的重要意義：

1)理論意義：首次將其他領域廣泛應用的著色技術引入軟件測試領域，系統地解決了因相鄰或相隔數據誤用而導致軟件處理缺陷的測試方法問題，后續研究中將進一步擴大該方法的適用范圍.

2)工程意義：軟件著色測試法來源于航空航天高安全型號軟件測試經驗，在多數據組包存儲、傳輸的場合，解決數據錯位取用類缺陷的暴露和定位方法問題，對軟件測試工程實踐有較強的指導意義.