車載以太網TCP/IP協議一致性測試系統研究

楊光 潘俊家 崔根群 安康 朱永健

摘 ?要： 為了保證汽車ECU的TCP/IP協議實現的準確性，開發了一種車載以太網TCP/IP協議的一致性測試系統，并設計了TCP/IP協議一致性測試集。該測試系統基于NOVUS10/1/100 m車載以太網測試板卡搭建，通過開發的一致性測試軟件完成測試用例庫管理、測試任務管理和測試數據管理的工作。TCP/IP協議一致性測試集可以對TCP/IP協議中的ARP，IP，TCP和UDP進行協議一致性測試。測試結果表明，該測試系統能夠發現被測ECU協議實現的問題，為供應商完善產品協議提供了有效幫助。

關鍵詞： 車載以太網; 協議測試系統; 協議一致性; 測試軟件開發; TCP/IP; 一致性測試集

中圖分類號： TN919?34; TN915.04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）07?0029?05

Research on conformance testing system for protocols in automotive Ethernet TCP/IP

YANG Guang1， 2， PAN Junjia2， CUI Genqun1， AN Kang1， 2， ZHU Yongjian1， 2

（1. College of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China;

2. China Automotive Technology and Research Centre Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： In order to ensure the accuracy of TCP/IP protocol implementation for automotive ECU， a conformance testing system for TCP/IP protocol of automotive Ethernet is developed， and a conformance testing set for TCP/IP protocol is designed. The testing system is based on NOVUS10/1/100 m automotive Ethernet test board. The conformance testing software was developed to accomplish the testing case library management， testing task management and testing data management. TCP/IP protocol conformance testing set can test the conformance of ARP， IP， TCP and UDP protocols in TCP/IP protocol. The testing results show that the testing system can find the problems existing in the ECU protocol implementation， and provide effective help for suppliers to improve their product protocols.

Keywords： automotive Ethernet; protocol testing system; protocol conformance; testing software development; TCP/IP; conformance testing set

0 ?引 ?言

隨著汽車技術的日益發展，用戶開始不斷要求提高車輛的安全性、舒適性和駕駛控制性，最明顯的體現在于越來越復雜和多樣的車載電子系統，大量的傳感器和處理器被用在車輛的不同系統中，這就需要更高速、更可靠、帶寬更高的通信網絡[1]。目前，商用的車載網絡技術主要有本地互連網絡（LIN）、控制器局域網絡（CAN）、TTP/C、FlexRay、面向媒體的系統傳輸（MOST）以及低電壓差分信號（LVDS）。但是現有的總線都存在各種缺陷導致其無法滿足未來車載通信網絡的要求[2]。

以太網因其所具有的高帶寬、快速度和高度可擴展性的特點將成為未來的車載網絡的發展方向。對于汽車行業而言，以太網技術目前處于發展初期，對于車載以太網的協議一致性測試是很有必要的。

本文主要涉及車載以太網TCP/IP協議中的ARP，IP，TCP和UDP的協議一致性測試。文中首先介紹了TCP/IP協議的5層模型并介紹每一層的功能，之后以協議標準為依據確認一致性測試的方案，包括設計測試集和建立測試系統[3]。測試集內容以TCP/IP協議標準為核心，參考OPEN ALLIANCE TC8 Members的ECU and Network Test，保證測試用例的準確合理。測試系統以IXIA公司的NOVUS10/1/100 m汽車以太網測試板卡為基礎，保證物理層協議和接口支持的完整性。

1 ?車載以太網TCP/IP協議

車載以太網是一種通過以太網使車內各個ECU實現通信的新型局域網技術，其中，TCP/IP協議提供點對點的鏈接機制，定義了以太網數據如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，TCP/IP協議模型如圖1所示。

第1層為物理層，目前車載以太網的物理層技術是由OPEN聯盟推動的BroadR?Reach技術，BroadR?Reach技術提供標準以太網的MAC層接口，所以能夠使用與其他以太網類型相同的數據鏈路層邏輯功能及幀格式，另外，BroadR?Reach支持全雙工通信，可以使一條鏈路上的2臺設備能夠同時發送和接收數據，提高數據傳輸效率。第2層為數據鏈路層，根據IEEE 802模型OSI參考模型又可以分為兩個子層：邏輯鏈路控制（LLC）子層、媒體接入控制（MAC）子層。LLC子層主要負責為同一個網絡中的本地設備建立和控制邏輯鏈路并向第3層提供統一的接口;MAC子層則主要為設備控制和網絡接入管理定義具體機制。第3層為網絡層，主要是將從下層接收到的數據進行IP地址的封裝、解封裝和邏輯設備尋址。第4層為傳輸層，它負責讓設備之間建立邏輯連接，使數據進行可靠或者不可靠的發送，識別源應用進程和目標應用進程也是在這一層實現的。第5層為應用層，應用層負責實現終端用戶的應用和服務。

2 ?協議一致性測試需求

協議一致性測試就是驗證被測器件（DUT）的協議是否與協議標準一致，是黑盒測試[4]。通過給DUT特定的激勵輸入，判斷DUT是否給出了希望的響應來判斷DUT的協議一致性[5]。本文的協議一致性測試是通過在測試系統上執行測試集，從而滿足DUT的測試需求。

TCP/IP協議實際上由幾十個不同的協議組成，但其中只有少數是規定協議棧核心原理的主協議。在這些關鍵的主協議中，TCP和IP是最重要的兩個協議，所以本文詳細分析了TCP和IP的協議一致性測試需求。

2.1 ?TCP一致性測試需求

TCP一致性測試內容主要包含：TCP連接的建立、管理及終止測試，TCP報文格式測試和TCP可靠性和流量控制功能測試。

2.1.1 ?TCP連接的建立、管理及終止測試

TCP連接的建立、管理及終止測試主要測試TCP有限狀態機，主要包括以下內容：

1） TCP連接建立測試：DUT應能通過“三次握手”與測試系統建立連接，生成一對套接字（Socket），使TCP有限狀態機進入ESTABLISHED狀態。

2） TCP連接終止測試：DUT應能通過主動關閉過程或者被動關閉過程使TCP有限狀態機進入CLOSED狀態。

2.1.2 ?TCP報文格式測試

TCP報文格式測試主要測試TCP報文頭格式。確保DUT生成的TCP報文包含一個有效的報文頭，驗證DUT收到TCP報文能否正確接收或拋棄。例如，DUT可以接收報文頭預留位為0或者不為0的TCP報文;DUT應拋棄報文頭校驗和為0的TCP報文。

2.1.3 ?TCP可靠性和流量控制功能測試

TCP可靠性和流量控制功能測試主要測試報文重傳機制、愚笨窗口綜合征（SWS）避免算法、Nagle算法和慢啟動與擁塞避免算法[6]。

1） 報文重傳機制測試：DUT包含數據的報文段發送后，該報文段的副本會置于重傳隊列的數據結構上，同時，啟動該報文段的重傳計時器，如果在報文段計時器超時前收到了確認消息，該報文段將從重傳隊列中移除;如果在報文段計時器超時前未收到確認消息，則會出現重傳超時且報文段會自動重傳。DUT接收到3個重復的ACK之后將執行丟失段重傳，不等待重傳定時器超時。

2） 愚笨窗口綜合征（SWS）避免算法測試：DUT收到多個360 B的報文段時，窗口大小只能為0 B，180 B或者更大，而不會出現0～180 B之間的值。

3） Nagle算法測試：DUT發送數據時，只要連接上沒有未確認的數據，DUT可以立即發送希望發送的數據，當連接上有未確認的數據時，后續需要發送的數據要留在發送緩沖區，直到所有未確認數據得到確認后才發送出去，或者積累了足夠多的數據可發送一個“完整大小”（與最大報文段長度一樣大）的報文段。

4） 慢啟動與擁塞避免算法測試：在DUT與測試系統建立連接后，DUT應逐漸增加發送數據的數量直到達到完整窗口大小或檢測到鏈路上出現擁塞。當DUT檢測到潛在擁塞時，DUT會采用一個特殊的算法允許DUT快速降低報文段的發送速度，然后再次使用慢啟動算法來逐漸增加傳輸速度。

2.2 ?IPv4協議一致性測試需求

IPv4協議一致性測試主要包括IPv4協議的報文格式和IPv4協議報文傳輸。

2.2.1 ?IPv4協議報文格式測試

IPv4協議報文格式測試：DUT發送的IPv4報文應符合IPv4協議，包括報文頭、校驗和、版本號、地址和選項。DUT能接收格式正確的報文，拋棄格式錯誤的報文。例如，DUT能接收包含正確校驗和的報文，拋棄校驗和無效的報文。

2.2.2 ?IPv4協議報文傳輸測試

IPv4協議報文傳輸測試：當DUT接收一些較大無序IPv4數據段時，DUT可以接收數據段并重新打包，當DUT收到一些包括復制數據段的較大數據段時，DUT可以丟棄復制數據段，接收并重新打包數據段，當DUT在接收數據段過程中丟失部分數據段時，DUT不會接收并重新打包數據。

3 ?測試系統

3.1 ?測試平臺

車載以太網TCP/IP協議一致性測試平臺應能夠測試各類車載以太網節點的TCP/IP協議功能一致性，確保ECU的TCP/IP協議棧的完整性和安全性[7]。

本文對車載以太網TCP/IP協議一致性進行測試，測試平臺基于IXIA的NOVUS10/1/100 m汽車以太網測試板卡，支持16個10G/1G/100M速率光電雙介質端口和協議一致性測試，使用自主開發的車載以太網TCP/IP協議一致性測試軟件進行測試，測試平臺連接如圖2所示。測試平臺通過VNIC（虛擬網絡接口卡）與PC和DUT連接，通過1臺運行Windows或者Linux的電腦與測試平臺的管理端口連接控制測試平臺。

3.2 ?測試系統結構

測試系統結構如圖3所示，主要包括測試用例庫、測試執行器、測試結果及報告和Upper Tester[8]。

測試用例庫是由大量測試用例按照測試內容進行分類組成的，測試用例庫是測試用例的最大集合，包括ARP，IP，TCP和UDP的協議一致性測試集。測試用例庫是由測試工程師編寫，測試工程師根據對TCP/IP協議的理解，通過測試系統的測試用例編寫器生成可以被編譯的測試規范，再通過測試系統的測試用例編譯器進行編譯，生成可以被系統執行的測試腳本。測試用例庫通過測試用例庫管理系統管理，可以完成對測試用例的增加、刪除和修改。

測試執行部分是測試系統的核心。通過執行測試用例庫對DUT進行激勵/響應測試。測試執行器按照測試用例庫順序執行已選擇的測試用例，激勵DUT做出響應。測試執行器根據DUT響應的協議數據單元（PDU）判斷DUT是否符合協議標準。

測試報告是測試結果分析系統的輸出結果。通過編寫好的測試報告模板，測試結果分析系統把測試數據和結果填入測試報告模板，即生成一份測試報告。

TCP/IP協議一致性測試部分的測試項需從DUT的傳輸層的下層和上層同時進行連接。傳輸層以下的連接是通過傳統的物理層接口實現的。傳輸層以上的連接需要開發一個獨特的應用程序稱為“Upper Tester”來實現。Upper Tester由測試執行器遠程控制和管理。Upper Tester的目的是在測試所需的傳輸層之上產生必要的刺激。Upper Tester是與TCP協議一致性測試腳本捆綁在一起的基于Linux平臺的便攜式C代碼應用程序。測試時需要編譯Upper Tester到DUT系統。

4 ?測試集設計

車載以太網TCP/IP協議一致性測試集結構如表1所示。根據協議的種類測試集分為4個測試組：ARP協議一致性測試集、IP協議一致性測試集、TCP協議一致性測試集和UDP協議一致性測試集，一共347個測試用例[9]。

4.1 ?ARP協議一致性測試集

ARP協議一致性測試集主要是為了測試ARP的核心功能，驗證DUT的ARP請求報文和ARP響應報文能否正常發送，測試集見表2。

4.2 ?IP協議一致性測試集

IP協議一致性測試集涉及IP尋址、IP數據包封裝和IP數據包傳輸功能，測試集如表3所示。

4.3 ?TCP協議一致性測試集

TCP協議一致性測試集如表4所示，TCP的核心測試主要測試TCP狀態機的轉換和基本的TCP數據傳輸，TCP擴展測試主要驗證TCP的可靠性和流量控制功能，TCP高性能測試則是為了測試TCP的高性能服務和選擇性應答。

4.4 ?UDP協議一致性測試集

UDP協議一致性測試集內容包括：UDP數據格式測試和接口處理測試，測試集覆蓋了UDP的主要功能，測試集見表5。

5 ?TCP/IP協議一致性測試實現

根據上述的測試系統，本文對車載以太網TCP/IP協議一致性測試集進行了一輪全面測試，被測系統結構如圖4所示。本文將以TCP核心測試為例介紹測試過程。

首先，在測試系統的測試用例選擇界面選擇本次要測試的內容，界面如圖5所示。確定測試內容之后需要手動設置測試接口配置，TCP核心測試的測試接口配置見表6，然后需要將Upper Tester編譯到被測系統中，最后連接好被測系統進行測試。以測試項1.1為例進行測試過程分析。

測試項1.1名稱為TCP_BASICS_01：[listen] SYN?> SYN/ACK [syn_recv]，測試內容：TCP必須發送一個SYN，ACK報文來響應一個來自LISTEN狀態端口的SYN報文，驗證TCP的“握手”過程。該測試項的測試序列如圖6所示。

測試序列對應的測試流程描述如下[10]：

1） 測試系統向被測系統發送測試開始請求;

2） 被測系統向測試系統發送測試開始響應;

3） 測試系統向被測系統發送創建套接字和綁定端口號的請求;

4） 被測系統向測試系統發送創建套接字和綁定端口號的響應;

5） 測試系統向被測系統發送生成監聽套接字和接受被測系統連接的請求;

6） 被測系統向測試系統發送生成監聽套接字和接受被測系統連接的響應;

7） 測試系統向被測系統發送一幀SYN報文，等待被測系統響應;

8） 被測系統向測試系統發送一幀SYN，ACK報文，表示自己收到了測試系統的SYN報文;

9） 測試系統向被測系統發送一幀ACK，Rest報文，表示自己收到了被測試系統的SYN，ACK報文;

10） 測試系統向被測系統發送關閉套接字請求;

11） 被測系統向測試系統發送關閉套接字響應;

12） 測試系統向被測系統發送測試結束請求;

13） 被測系統向測試系統發送測試結束響應;

14） 測試系統向被測系統發送ARP請求;

15） 被測系統向測試系統發送ARP響應，證明被測系統的IP地址仍有效。

如果測試項1.1在測試過程中遵循圖6的測試序列，則測試項通過，否則未通過。

6 ?測試結果及分析

車載以太網TCP/IP協議一致性測試集的測試結果如表7所示，本次測試共有35項測試未通過，13項測試結果無法判斷。

測試系統會給出測試項未通過的原因，其中，TCP核心測試未通過的測試項及其原因如下：

1）11.8 TCP_CLOSING_08：[finwait?2]RECEIVE + DATA ?> ACK [finwait?2]。通過測試系統讓被測系統進入FIN_wait_2狀態并使Upper Tester發送一個接收請求，測試系統沒有收到任何數據。

2） 15.5 TCP_RETRANSMISSION_TO_05：Exponential backoff RTO SYN。通過測試系統讓Upper Tester發送一個主動打開請求，使被測系統發送一幀SYN報文，測試系統不發送SYN，ACK報文，被測試系統沒有重新發送SYN報文。

3） 16.4 TCP_PROBING_WINDOWS_04：Open connection probes ACK。通過測試系統讓被測試系統進入ESTABLISHED狀態，并讓Upper Tester發送一個數據段發送請求，被測系統發送相應的數據段，測試系統發送ACK報文聲明一個窗口尺寸為0的接收窗口，測試系統讓Upper Tester發送另一個數據段發送請求，被測試系統沒有發送一個零窗口探頭。

7 ?結 ?論

本文提出了針對車載以太網TCP/IP協議一致性測試的具體測試系統方案，該測試系統能夠對車載以太網TCP/IP協議中的重要協議進行較為全面的測試。通過對被測系統進行ARP，IP，TCP和UDP的協議一致性測試，證明了測試系統的有效性。測試實例結果表明，該測試系統能夠發現被測系統協議實現中的問題，能夠幫助供應商完善產品的協議。

參考文獻

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