網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測(cè)試技術(shù)
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程中，協(xié)議一直處于核心地位。從ARPAnet發(fā)展到Internet，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議。協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)中各種通信實(shí)體之間相互交換信息所必須遵守的一組規(guī)則，就像是一種語(yǔ)法規(guī)則，是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的基石。
1984年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出了開(kāi)放式系統(tǒng)互連ISO/OSI參考模型。
1983年1月1日，TCP/IP被宣布為Internet上***正式的協(xié)議，為Internet的發(fā)展鋪平了道路。
網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究最顯著的成果是在20世紀(jì)80年代，將形式化技術(shù)和軟件工程方法用于協(xié)議研究，形成了一個(gè)嶄新的學(xué)科——協(xié)議工程學(xué)，它的研究范圍包括:協(xié)議說(shuō)明(ProtocolSpecification)、協(xié)議證實(shí)(ProtocolValidation)、協(xié)議驗(yàn)證(ProtocolVerification)、協(xié)議綜合(ProtocolSynthesis)、協(xié)議轉(zhuǎn)換(ProtocolConversion)、協(xié)議性能分析(ProtocolPerformanceAnalysis)、協(xié)議自動(dòng)實(shí)現(xiàn)(ProtocolAutomaticImplementation)和協(xié)議測(cè)試(ProtocolTesting)。
下面我們著重討論協(xié)議測(cè)試的作用與意義，介紹這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得的科研成果，并指出協(xié)議測(cè)試所面臨的挑戰(zhàn)。
意義重大
協(xié)議測(cè)試研究領(lǐng)域的興起源于對(duì)其必不可少的需求。目前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多是以自然語(yǔ)言描述的文本，實(shí)現(xiàn)者對(duì)于協(xié)議文本的不同理解以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的非形式化因素都會(huì)導(dǎo)致不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，有時(shí)甚至是錯(cuò)誤的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。即便協(xié)議實(shí)現(xiàn)正確，也不能保證不同的實(shí)現(xiàn)彼此之間能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地通信，而且同一協(xié)議的不同實(shí)現(xiàn)其性能也有差別。在這種情況下，需要一種有效的方法對(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這就是“協(xié)議測(cè)試”。
伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和網(wǎng)絡(luò)需求的增多，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議越來(lái)越復(fù)雜龐大，協(xié)議實(shí)現(xiàn)不僅僅要求功能正確完善、能夠互通，而且要求具有良好的性能，因此協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)越來(lái)越復(fù)雜。為了保證質(zhì)量，協(xié)議測(cè)試是一個(gè)必需而且十分重要的手段。目前的協(xié)議測(cè)試已經(jīng)不僅僅是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制過(guò)程中一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測(cè)支持過(guò)程，而是發(fā)展成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)重要分支。對(duì)協(xié)議測(cè)試技術(shù)的研究將直接影響到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和世界網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展。所以很多國(guó)家都投入了大量的人力物力從事協(xié)議測(cè)試的研究工作。例如：英國(guó)的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室NPL、法國(guó)國(guó)家通信研究中心、德國(guó)國(guó)家通信研究局GMD、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化研究局、美國(guó)新罕布什爾大學(xué)互操作研究實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議測(cè)試實(shí)驗(yàn)室等單位都在這個(gè)領(lǐng)域投入了大量的研究力量。
研究方法
協(xié)議測(cè)試是在軟件測(cè)試的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。根據(jù)對(duì)被測(cè)軟件的控制觀察方式，軟件測(cè)試方法分為三種：白盒測(cè)試、黑盒測(cè)試和灰盒測(cè)試。白盒測(cè)試通過(guò)每條語(yǔ)句至少執(zhí)行一次來(lái)全面檢查整個(gè)程序代碼，而黑盒測(cè)試只測(cè)試軟件外部可以觀察到的行為，而不涉及程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。白盒測(cè)試的測(cè)試能力非常強(qiáng)，但是過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，對(duì)被測(cè)軟件要求也很高。黑盒測(cè)試只關(guān)心被測(cè)軟件的輸入和輸出，測(cè)試能力雖然弱了一些，但是測(cè)試過(guò)程本身相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)被測(cè)軟件也無(wú)特殊要求。灰盒測(cè)試是將白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試結(jié)合起來(lái)形成的一種測(cè)試方法，吸收了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。
協(xié)議測(cè)試是一種黑盒測(cè)試，它按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)控制觀察被測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的外部行為對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前協(xié)議測(cè)試分成三個(gè)方面進(jìn)行研究：一致性測(cè)試(ConformanceTesting)、互操作性測(cè)試(InteroperabilityTesting)和性能測(cè)試(PerformanceTesting)。一致性測(cè)試主要測(cè)試協(xié)議實(shí)現(xiàn)是否嚴(yán)格遵循相應(yīng)的協(xié)議描述；互操作性測(cè)試關(guān)注的是對(duì)于同一個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不同協(xié)議實(shí)現(xiàn)之間的互連通問(wèn)題。性能測(cè)試是用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)觀測(cè)被測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的各種性能參數(shù)，如吞吐量和傳輸延遲等等，其結(jié)果往往與輸入負(fù)載有關(guān)。
在上述三個(gè)方面，一致性測(cè)試開(kāi)展最早，也形成了很多有價(jià)值的成果。1991年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9646——“OSI協(xié)議一致性測(cè)試的方法和框架”，用自然語(yǔ)言描述了基于OSI七層參考模型的協(xié)議測(cè)試過(guò)程、概念和方法。但是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的協(xié)議越來(lái)越復(fù)雜，協(xié)議一致性測(cè)試工作遇到了很多困難。在這個(gè)過(guò)程中，大量形式化方法被引進(jìn)到協(xié)議測(cè)試研究領(lǐng)域。1995年，ISO推出了“一致性測(cè)試中的形式化方法”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)協(xié)議一致性測(cè)試過(guò)程各個(gè)階段使用的形式化方法進(jìn)行了說(shuō)明。但由于協(xié)議一致性測(cè)試本身的復(fù)雜性，使得該標(biāo)準(zhǔn)一直停留在草案階段。對(duì)于互操作測(cè)試的研究技術(shù)基本上是從一致性測(cè)試?yán)^承過(guò)來(lái)的。由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求急劇增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)性能已經(jīng)變得與功能同等重要了。協(xié)議實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試的研究工作也正在進(jìn)行之中。在進(jìn)行大量的測(cè)試實(shí)踐的同時(shí)，理論研究也正在起步。
已經(jīng)達(dá)成的共識(shí)
目前，國(guó)際協(xié)議測(cè)試研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了以下兩點(diǎn)共識(shí)：
***，理順了協(xié)議一致性測(cè)試的過(guò)程。
第二，將形式化技術(shù)引入了協(xié)議測(cè)試領(lǐng)域，力圖用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語(yǔ)言清晰、無(wú)二義性地研究協(xié)議測(cè)試的概念和方法。但是也發(fā)現(xiàn)這種方法存在著很多不足，其中最明顯的就是這些理論研究與實(shí)際應(yīng)用之間還存在著巨大的差距。
成果與展望
清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系從1989年開(kāi)始，在吳建平教授的帶領(lǐng)下一直堅(jiān)持在協(xié)議測(cè)試方面進(jìn)行深入探索與研究，從“八五”計(jì)劃開(kāi)始就得到了國(guó)家各部門(mén)的資助，承擔(dān)了研制協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)的任務(wù)，并研制成功了可以對(duì)OSI七層參考模型中各層協(xié)議進(jìn)行一致性測(cè)試的協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)PCTS(ProtocolConformanceTestingSystem)。“九五”期間，在對(duì)OSI參考模型的通信協(xié)議進(jìn)行成功測(cè)試的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)協(xié)議集成測(cè)試系統(tǒng)PITS(ProtocolIntegratedTestingSystem)，目標(biāo)是在形式化理論的指導(dǎo)下，研制一個(gè)通用的測(cè)試平臺(tái)，任何協(xié)議只要是利用統(tǒng)一的測(cè)試表示法進(jìn)行描述，都可以進(jìn)行測(cè)試。
在PITS的研制過(guò)程中有很多方面是相當(dāng)成功的。例如，在PCTS的基礎(chǔ)上，稍加優(yōu)化改進(jìn)形成PITS，就可以對(duì)TCP/IP通信協(xié)議和幀中繼協(xié)議進(jìn)行一致性測(cè)試，同時(shí)一些初步的互操作性測(cè)試和性能測(cè)試也可在這個(gè)平臺(tái)上展開(kāi)。
PITS所取得的成績(jī)是可喜的，不僅在我國(guó)“863”項(xiàng)目——核心路由器的研制過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，而且以論文的形式在重要的國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了很多學(xué)術(shù)成果，得到了國(guó)際同行學(xué)者專家的認(rèn)可。
今天，協(xié)議測(cè)試面臨著比以往更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。協(xié)議的發(fā)展是全方位的，不僅功能增強(qiáng)增多，而且也從單一的通信協(xié)議發(fā)展到更復(fù)雜的路由協(xié)議。面對(duì)從ISO參考模型各層協(xié)議到TCP/IP系列協(xié)議，從X.25、幀中繼到ATM協(xié)議乃至更復(fù)雜的路由協(xié)議（如RIP、OSPF、BGP等），協(xié)議測(cè)試也必然要從單一的功能測(cè)試發(fā)展到可以進(jìn)行多方位的測(cè)試，既包括傳統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)可以描述的功能，也包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。所以目前在協(xié)議測(cè)試領(lǐng)域中有很多問(wèn)題是開(kāi)放的、沒(méi)有定論的，非常值得深入研究。
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