杜孝平，張 祿，李 曄

DU Xiaoping,ZHANG Lu,LI Ye

北京航空航天大學 軟件學院，北京100191

College of Software,Beihang University,Beijing 100191,China

1 引言

AFC（Automatic Fare Collection）系統(tǒng)又稱為自動售檢票系統(tǒng)，是城市公共交通中的一項重要技術(shù)[1]，為城市軌道交通帶來了諸多益處。改革開放以來，北京城市公共交通尤其是城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施和運營管理得到了較快發(fā)展，AFC 作為城市軌道交通運營不可缺少的核心組成系統(tǒng)，為運營的科學管理提供依據(jù)[2]。北京市AFC 系統(tǒng)在投入運營前需要進行常規(guī)連接測試、異常連接測試、功能測試、專項測試、集成測試等測試工作。異常連接測試的任務(wù)是測試AFC 系統(tǒng)中被測車站設(shè)備和系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)的處理是否符合《北京軌道交通AFC系統(tǒng)設(shè)計及實施規(guī)范》（簡稱“實施規(guī)范”）中的相關(guān)要求，它是檢測AFC 系統(tǒng)容錯性的重要手段。

文獻[3-5]討論了在平臺搭建基礎(chǔ)上對AFC 功能和接口進行測試的問題；文獻[6-7]在討論模擬測試工具的設(shè)計實現(xiàn)基礎(chǔ)上，介紹了對AFC 系統(tǒng)的功能與接口測試?，F(xiàn)有文獻尚未看到對異常連接測試的相關(guān)測試工具研究的介紹。

負責北京市AFC 系統(tǒng)檢測的北京市軌道交通指揮中心現(xiàn)在針對異常數(shù)據(jù)處理的測試方式是利用一個輔助測試工具，通過熟悉AFC 系統(tǒng)的人員對照實施規(guī)范中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，手動構(gòu)造測試數(shù)據(jù)，并按測試用例逐步發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，人工對比接收到的數(shù)據(jù)和測試用例中的預(yù)期數(shù)據(jù)是否一致，來判斷被測對象是否滿足要求。其測試方式對人員素質(zhì)要求較高，且編制數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)收發(fā)過程效率低下，易于出錯。本文對設(shè)計實現(xiàn)一個異常連接測試工具用于完成上述測試任務(wù)進行討論。該工具可自動生成測試數(shù)據(jù)，自動控制數(shù)據(jù)收發(fā)流程，降低測試人員對系統(tǒng)業(yè)務(wù)了解的要求，提高測試效率。

2 問題描述與分析

AFC 系統(tǒng)一般采用5 層架構(gòu)體系：清算中心（AFC Clearing Center，ACC）、線路中心（Line Center，LC）/多線路中心（Multiple Line Center，MLC）、車站計算機系統(tǒng)（Station Computer，SC）、車站終端設(shè)備（Station Level Equipment，SLE）和車票層[8-11]，如圖1 所示。異常連接測試的任務(wù)是測試MLC、SC 與SLE 之間對異常數(shù)據(jù)的處理是否符合實施規(guī)范的要求。異常連接測試工具需要具備仿真上述某一層系統(tǒng)或設(shè)備同其他被測系統(tǒng)或設(shè)備（簡稱被測對象）建立連接，向被測對象發(fā)送消息并檢查應(yīng)答的功能，具體包含仿真MLC 測試SC、仿真SC 測試MLC與SLE以及仿真SLE測試SC四部分。其開發(fā)原理是基于AFC 系統(tǒng)各層次的通信接口協(xié)議，由仿真工具模擬生成各層次系統(tǒng)或設(shè)備的測試數(shù)據(jù)，與被測對象進行通信，驗證測試數(shù)據(jù)能否符合實施規(guī)范的要求[12]。

圖1 AFC 系統(tǒng)層次圖

3 測試工具設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

異常連接測試的一般流程為先準備測試數(shù)據(jù)，再與被測對象建立連接，最后按測試用例收發(fā)數(shù)據(jù)，若收發(fā)數(shù)據(jù)的順序和內(nèi)容都與測試用例一致，則該測試用例通過，否則中斷測試用例的執(zhí)行，對錯誤進行記錄。工具設(shè)計以盡力降低系統(tǒng)耦合度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，加強功能函數(shù)復(fù)用為原則。基于此原則，本工具的總體架構(gòu)設(shè)計為界面層、支撐層、數(shù)據(jù)層三層。界面層為直接面向用戶的功能層，包含測試數(shù)據(jù)準備、實現(xiàn)與被測對象的連接以及執(zhí)行測試功能；支撐層為工具的運行提供公用的功能函數(shù)，為界面層的各個功能提供有效支持；數(shù)據(jù)層為整個工具的運行提供數(shù)據(jù)支撐，用于存儲自動生成的測試數(shù)據(jù)、測試日志以及測試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和測試用例結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。測試工具的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測試工具的總體架構(gòu)

為實現(xiàn)本工具的各功能，使其能替代大部分人工測試工作，需要解決兩個關(guān)鍵問題：測試數(shù)據(jù)的自動生成和測試用例的自動執(zhí)行，下面為這兩個問題提供解決思路。

3.2 關(guān)鍵問題的解決

3.2.1 自動生成測試數(shù)據(jù)

為了能夠自動生成測試數(shù)據(jù)，首先需要根據(jù)測試數(shù)據(jù)的特征將其進行分類，再利用這些分類數(shù)據(jù)根據(jù)需要靈活生成滿足測試需求的測試數(shù)據(jù)。自動生成的測試數(shù)據(jù)是否正確依據(jù)實施規(guī)范規(guī)定的內(nèi)容來判斷。

實施規(guī)范中規(guī)定的測試相關(guān)數(shù)據(jù)由大量數(shù)據(jù)字段構(gòu)成?；谧詣由蓽y試數(shù)據(jù)時每個字段被處理的方式的不同，可將這些數(shù)據(jù)字段歸納為六類：

（1）固定內(nèi)容字段。包含由實施規(guī)范規(guī)定的數(shù)據(jù)起始、結(jié)束標識等字段。這類字段長度與內(nèi)容都在實施規(guī)范中有明確的定義，其值固定不變。

（2）隨本工具模擬的設(shè)備不同而變化的字段。包含設(shè)備ID、設(shè)備IP、設(shè)備群組號等設(shè)備的基本信息字段。這類字段長度固定，內(nèi)容隨設(shè)備而變。

（3）隨時間變化的字段。包含描述數(shù)據(jù)發(fā)送時間、交易生成時間等與時間相關(guān)的字段。這類字段長度不變，內(nèi)容隨時間變化，且其值來自于數(shù)據(jù)產(chǎn)生時的系統(tǒng)時間。

（4）隨測試用例變化的字段。這類字段用于描述由本工具向被測對象發(fā)送的消息錯誤應(yīng)答中的錯誤碼，其值由測試用例中規(guī)定的錯誤類型確定。這類字段長度不變，內(nèi)容隨具體測試用例而變。

（5）描述數(shù)據(jù)包長度的字段。這類字段長度不變，其值隨數(shù)據(jù)包的大小不同而不同。

（6）需要人工參與填寫數(shù)據(jù)值的字段。包含請求指定包數(shù)目、狀態(tài)數(shù)量數(shù)據(jù)等。這類字段長度不變，其值在實施規(guī)范和測試用例中都沒有規(guī)定，需要測試者按實際情況填寫，該類數(shù)據(jù)字段很少，僅在少量測試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，對自動生成測試數(shù)據(jù)的影響不大。

自動生成測試數(shù)據(jù)時，每個測試數(shù)據(jù)由多個前述數(shù)據(jù)字段構(gòu)成，單個數(shù)據(jù)字段的長度和結(jié)構(gòu)不變，但整個測試數(shù)據(jù)的長度和結(jié)構(gòu)隨測試的不同而不同。

測試數(shù)據(jù)屬于半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲管理較為困難。可擴展標記語言（XML）是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的一個特例[13]，XML 數(shù)據(jù)模型能很好地實現(xiàn)對半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理以及不同程序或模塊對半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的共享[14]。本文以XML 作為測試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和測試用例結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲語言。

為實現(xiàn)自動生成測試數(shù)據(jù)的功能，可將每個數(shù)據(jù)的具體結(jié)構(gòu)和固定內(nèi)容按一定規(guī)則用XML 存儲于配置文件中，通過自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)（在4.2 節(jié)介紹）解析配置文件來生成測試數(shù)據(jù)。配置文件中測試數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 測試數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

圖中第2～4 行分別用于描述實施規(guī)范中數(shù)據(jù)的一級分類（如控制數(shù)據(jù)）、子分類（如控制數(shù)據(jù)中的命令數(shù)據(jù)）與數(shù)據(jù)的具體名稱（如設(shè)備運行控制命令）。

第5～10 行用于表示一個數(shù)據(jù)字段，其中第10 行中的property 屬性用于標識該字段屬于六個數(shù)據(jù)字段分類中的哪一類。

第11～20 行用于表示一個特殊的數(shù)據(jù)片段的結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)片段可以在一個測試數(shù)據(jù)中重復(fù)多次。

自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)在解析測試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中每個數(shù)據(jù)字段的分類來做出相應(yīng)的處理，生成預(yù)期的測試數(shù)據(jù)。自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)對各類字段的處理方法如下：

對于第一類字段，直接取其固定值寫入。

對于第二類字段，通過提取本工具模擬設(shè)備時填寫的設(shè)備相關(guān)信息來寫入。

對于第三類字段，取生成該字段時的系統(tǒng)時間填入數(shù)據(jù)字段。該類字段描述的是數(shù)據(jù)發(fā)送時間、交易生成時間等，屬于即時內(nèi)容。

對于第四類字段，其數(shù)據(jù)內(nèi)容需要在自動執(zhí)行測試用例時實時填入，即通過讀取測試用例中的相應(yīng)數(shù)值來填入。該類字段的值是在測試用例中規(guī)定的，同一類數(shù)據(jù)在不同的測試用例中該值都可能不同，需要在執(zhí)行測試用例時實時填入。

對于第五類字段，在數(shù)據(jù)包生成完成后通過計算數(shù)據(jù)包長度填入。其值來自于將測試數(shù)據(jù)中每個字段的字節(jié)長度相加的結(jié)果。

對于第六類字段，自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)生成默認的固定值，這些默認值可能并不符合實際情況，但在大部分測試用例中并不影響測試結(jié)果，若用戶不想使用默認值，則可以自己修改該類數(shù)據(jù)字段的值。

3.2.2 自動執(zhí)行測試用例

執(zhí)行測試用例時，是由測試人員逐條執(zhí)行測試用例的每個步驟，觀察實際操作結(jié)果與測試用例的描述結(jié)果是否相同。其中每個步驟的操作內(nèi)容可以分為兩類：向被測對象發(fā)送數(shù)據(jù)和對比來自被測對象的數(shù)據(jù)與測試用例描述數(shù)據(jù)是否相同。自動執(zhí)行測試用例的功能，可以通過取出以XML 文件組織的測試用例，根據(jù)解析的結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)并獲取相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)來實現(xiàn)[15]。測試用例按一定規(guī)則用XML 存儲在配置文件中，測試用例的每個步驟作為一個節(jié)點，每個節(jié)點中存儲數(shù)據(jù)名稱，并區(qū)分該數(shù)據(jù)是“發(fā)送”還是“接收”。在自動執(zhí)行測試用例時，自動執(zhí)行測試用例函數(shù)解析配置文件，當節(jié)點中的數(shù)據(jù)標記為“發(fā)送”時，則調(diào)用自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)生成相應(yīng)測試數(shù)據(jù)或直接獲取已經(jīng)存在的測試數(shù)據(jù)并發(fā)送，然后繼續(xù)讀取下一個節(jié)點；當節(jié)點中的數(shù)據(jù)標記為“接收”時，則調(diào)用數(shù)據(jù)解析函數(shù)（在4.2節(jié)介紹）解析接收到的數(shù)據(jù)，對比接收到的數(shù)據(jù)特征與節(jié)點中存儲的數(shù)據(jù)特征是否相同，若相同則繼續(xù)讀取下一個節(jié)點；若不同則中止測試用例的執(zhí)行，提示用戶測試用例執(zhí)行出錯。用例執(zhí)行過程中收發(fā)的數(shù)據(jù)和提示信息都會記錄于日志文件中。

4 測試工具實現(xiàn)

本測試工具的界面層按用戶行為主要分為三部分：與被測對象連接、數(shù)據(jù)準備和執(zhí)行測試。

與被測對象連接部分需要實現(xiàn)配置測試工具的連接信息來與被測對象建立連接，并向被測對象發(fā)送測試數(shù)據(jù)以及接收來自被測對象的數(shù)據(jù)的功能。

數(shù)據(jù)準備部分需要實現(xiàn)自動生成測試數(shù)據(jù)，解析顯示測試數(shù)據(jù)的功能。

執(zhí)行測試部分需要實現(xiàn)自動執(zhí)行測試用例，執(zhí)行過程中自動生成測試數(shù)據(jù)，解析來自被測對象的數(shù)據(jù)的功能。

4.1 與被測對象連接的實現(xiàn)

異常連接測試中要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)利用基于TCP/IP的SOCKET 協(xié)議進行傳輸。根據(jù)實際測試需求，本工具可模擬測試對象主動連接實際的被測對象（如利用本工具模擬SC 測試MLC 以及模擬SLE 測試SC 時，由本工具向被測對象MLC 和SC 發(fā)出連接請求）；或作為模擬的測試對象等待實體被測對象主動連接（如利用本工具模擬MLC測試SC以及模擬SC測試SLE時，本工具被動等待來自實測對象SC 與SLE 的連接請求）。主動請求連接的一方稱為客戶端，等待連接請求的一方稱為服務(wù)端。建立連接時，由服務(wù)端監(jiān)聽某個端口，客戶端根據(jù)服務(wù)端的IP 地址和其監(jiān)聽的端口號與服務(wù)端建立連接。

與被測對象建立連接、發(fā)送接收數(shù)據(jù)通過C#的socket庫實現(xiàn)。建立連接的過程如圖4 所示。

圖4 建立連接過程

4.2 數(shù)據(jù)準備的實現(xiàn)

該部分由自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)和數(shù)據(jù)解析函數(shù)來實現(xiàn)。為方便對自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)的原理進行說明，將圖3 所示的XML 文件抽象為圖5（a）所示的樹狀結(jié)構(gòu)，將實際測試數(shù)據(jù)（一個二進制文件）內(nèi)容抽象為圖5（b）所示的結(jié)構(gòu)。自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)首先解析如圖3 所示的XML 文件，找出要生成的測試數(shù)據(jù)節(jié)點（如DataType_2），然后遍歷該節(jié)點下的每個子節(jié)點Row1,Row2,…，每個子節(jié)點即一個數(shù)據(jù)字段，函數(shù)判斷該數(shù)據(jù)字段屬于六個數(shù)據(jù)字段分類中的哪一類，按3.2.1小節(jié)中對相應(yīng)數(shù)據(jù)字段的處理方法生成數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將數(shù)據(jù)內(nèi)容填入圖5（b）所示的相應(yīng)片段中。若某個Row節(jié)點下存在children 子節(jié)點（如Row2，其生成的數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)為x），則需要為children 節(jié)點的子節(jié)點Row′1,Row′2,…生成數(shù)據(jù)內(nèi)容，并插入到Row2節(jié)點的數(shù)據(jù)內(nèi)容之后，且需要循環(huán)生成x遍children 節(jié)點的子節(jié)點內(nèi)容。當Row節(jié)點遍歷完成，則測試數(shù)據(jù)也生成完畢。

數(shù)據(jù)解析函數(shù)用于解析一個已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)包，通過取二進制數(shù)據(jù)中的特定位置的字節(jié)與實施規(guī)范中的定義比對，以此判斷該數(shù)據(jù)的具體名稱，并由該具體名稱從圖3 的XML 文件中獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后將該數(shù)據(jù)包按該結(jié)構(gòu)分解展示給用戶查看和修改，方便用戶對數(shù)據(jù)包的理解和維護。

圖5 抽象結(jié)構(gòu)

圖6 為本工具的自動生成測試數(shù)據(jù)的界面。圖中A區(qū)域表示數(shù)據(jù)分類結(jié)構(gòu)樹，由圖3 的XML 文件生成；B區(qū)域表示自動生成的測試數(shù)據(jù)。

圖6 自動生成數(shù)據(jù)界面

4.3 執(zhí)行測試的實現(xiàn)

該部分由自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)、自動執(zhí)行測試用例函數(shù)和數(shù)據(jù)解析函數(shù)來實現(xiàn)。執(zhí)行測試時調(diào)用自動執(zhí)行測試用例函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時調(diào)用自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)生成相應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)送，接收數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)解析函數(shù)解析數(shù)據(jù)，并對比接收到的數(shù)據(jù)特征與測試用例中存儲的數(shù)據(jù)特征是否相同。

自動執(zhí)行測試用例函數(shù)讀取存儲有測試用例結(jié)構(gòu)的XML 文件，存儲結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 測試用例存儲結(jié)構(gòu)

圖8 測試用例自動執(zhí)行結(jié)果

當函數(shù)讀取到SendData 節(jié)點時會發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。SendData 節(jié)點中存儲需要發(fā)送的數(shù)據(jù)名稱，根據(jù)該名稱函數(shù)會調(diào)用自動生成測試數(shù)據(jù)函數(shù)來生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)。filledByTester屬性用于標識該數(shù)據(jù)中是否有需要測試人員填寫的數(shù)據(jù)，如果其值為true，則測試者可以選擇本地已有的存儲數(shù)據(jù)的文件作為發(fā)送數(shù)據(jù)，防止每次發(fā)送相同的數(shù)據(jù)時都需要測試者自己填寫數(shù)據(jù)內(nèi)容。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)需要構(gòu)造某些異常，則需要errorType屬性。自動執(zhí)行測試用例函數(shù)會根據(jù)errorType 屬性的不同來更改發(fā)送數(shù)據(jù)的相應(yīng)字段，以構(gòu)造相應(yīng)的異常數(shù)據(jù)。當發(fā)送的數(shù)據(jù)是消息錯誤應(yīng)答，該反饋中需要填寫錯誤類型代碼時，則填入errorCode屬性值。

測試用例自動執(zhí)行結(jié)果如圖8 所示。

5 結(jié)束語

本文通過分析當前北京AFC 系統(tǒng)異常連接測試過程中存在的問題，找出了影響測試效率的瓶頸。通過總結(jié)歸納測試數(shù)據(jù)和測試流程步驟，將測試數(shù)據(jù)分為六類，測試流程步驟分為兩類，并將這些特點信息存儲于XML 文件中，由異常連接測試工具自動解析處理，開發(fā)實現(xiàn)了具有自動生成測試數(shù)據(jù)、自動執(zhí)行測試用例功能的異常連接測試工具，為測試提供了一種可選的新手段。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和測試用例步驟的可定制性，以及界面的友好性將是下一步工作的重點。

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