物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張錦盛

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)一直存在測(cè)試不準(zhǔn)確、誤差大的問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了基于信息認(rèn)證的物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)。在分析物聯(lián)網(wǎng)軟件框架特征及需求的基礎(chǔ)上，引入認(rèn)證處理程序，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息進(jìn)行安全認(rèn)證；在通過(guò)使用Cyclone Ⅲ 3C25F32芯片進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)送，采用Virtex?5系列芯片的16 bit移位寄存器，對(duì)信息進(jìn)行接收，分析其穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其準(zhǔn)確度及效率均要優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 軟件架構(gòu)； 穩(wěn)定性測(cè)試； 移位寄存器； Cyclone Ⅲ 3C25F32； 認(rèn)證處理程序

中圖分類號(hào)： TN806?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）20?0118?04

Abstract： As the traditional stability testing system has the long?term existing problems of inaccuracy and big error in measurement， a software architecture stability testing system in the Internet of Things （IoT） framework based on information authentication is proposed and designed. On the basis of analyzing of the features and requirements of the IoT software framework， the authentication processing program is introduced to authenticate the security of IoT information. The Cyclone Ⅲ 3C25F32 chip is used to transmit IoT information. The 16?bit shift register of the Virtex?5 series chip is used to receive information and analyze its stability performance. The experimental results show that， in comparison with the traditional testing system， the improved system has better accuracy and efficiency in IoT software architecture stability testing， which has a certain advantage.

Keywords： IoT； software architecture； stability testing； shift register； Cyclone Ⅲ 3C25F32； authentication processing program

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，技術(shù)條件的不成熟，使得物聯(lián)網(wǎng)的使用受到多種挑戰(zhàn)。當(dāng)前，很多國(guó)家都提出了自己的物聯(lián)網(wǎng)框架，但是在全球范圍內(nèi)并沒(méi)有找到最優(yōu)的物聯(lián)網(wǎng)框架，也就是說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還需要進(jìn)行優(yōu)化處理[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)，給人們的生活帶來(lái)了眾多便利條件。當(dāng)大家在使用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)時(shí)，穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題，而導(dǎo)致信息泄密或者是操作失敗，均會(huì)使人們?nèi)粘Ｉ畛霈F(xiàn)不便。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷變大，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備種類和數(shù)量逐漸增加，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的智能性受到廣泛關(guān)注，且其可執(zhí)行原有終端的認(rèn)證協(xié)議，但是由于物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備功能及結(jié)構(gòu)的不同，使得有些終端設(shè)備性能簡(jiǎn)單。添加智能傳輸開(kāi)關(guān)信號(hào)，不能保證物聯(lián)網(wǎng)的安全、穩(wěn)定，給整體系統(tǒng)造成嚴(yán)重的隱患[2]。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)作物聯(lián)網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。如何對(duì)這些智能設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行快速有效測(cè)試，使這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可安全接入到物聯(lián)網(wǎng)中是該領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

1 物聯(lián)網(wǎng)軟件框架特征及需求分析

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有眾多與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不相同的特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)亦是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)或?qū)ΜF(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)、重新開(kāi)發(fā)。其特點(diǎn)為：

1） 物聯(lián)網(wǎng)終端模式增加及規(guī)模龐大。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致眾多的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備鏈接到物聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用系統(tǒng)的不同，將形成更多模式的物聯(lián)網(wǎng)終端[3]，大數(shù)量、多性能的物聯(lián)網(wǎng)終端怎樣與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行銜接，是物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)急需解決的問(wèn)題。

2） 數(shù)據(jù)量龐大。物聯(lián)網(wǎng)感知層終端多是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息進(jìn)行及時(shí)收集，則對(duì)多數(shù)終端進(jìn)行及時(shí)信息收集，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)框架軟件的運(yùn)行帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)[4]，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)安全保護(hù)等均會(huì)造成影響。物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用中主要對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的解決方法，多為海量數(shù)據(jù)的挖掘、并行計(jì)算、存儲(chǔ)等。

3） 終端環(huán)境復(fù)雜。物聯(lián)網(wǎng)是在人人通信的基礎(chǔ)上，進(jìn)行通信終端保護(hù)，受到的物理攻擊較少，信息丟失狀況很少發(fā)生。因此，物聯(lián)網(wǎng)終端常分布在十分復(fù)雜的地區(qū)，如人跡罕至、自然環(huán)境惡劣、軍事戰(zhàn)斗時(shí)敵占區(qū)等[5]。

對(duì)此，物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)的穩(wěn)定與否直接影響了其使用情況，因此，穩(wěn)定性測(cè)試是物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。但這部分也是最難明確具體性能的[6]，多數(shù)情況只在需求中進(jìn)行“系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行”或“應(yīng)用穩(wěn)定運(yùn)行”之類的概括說(shuō)明，此時(shí)會(huì)給工程師設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的測(cè)試煩惱。經(jīng)過(guò)歸納總結(jié)，穩(wěn)定性需求關(guān)鍵為：

1） 單一使用的穩(wěn)定性。單一使用時(shí)通過(guò)反復(fù)測(cè)試，確定其是否可以正常運(yùn)行，且不易受到任何異常行為影響。多次使用并發(fā)，即多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)軟件應(yīng)用程序同時(shí)運(yùn)行。隨著物聯(lián)網(wǎng)終端的智能化，其運(yùn)行軟件也趨于多樣化，此時(shí)，穩(wěn)定性測(cè)試不能對(duì)其進(jìn)行全部檢測(cè)，重點(diǎn)是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)終端用戶及終端設(shè)備特性，包括高并發(fā)可能性的事件[7]。

2） 整個(gè)層面的穩(wěn)定性。該部分的需求更加模糊，其實(shí)就和眾多系統(tǒng)測(cè)試一樣，這個(gè)級(jí)別的穩(wěn)定性很難定義。而測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)主要是將常見(jiàn)的測(cè)試按照一定比例組合并且頻繁運(yùn)行，觀察整機(jī)是否出現(xiàn)異常。

2 物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的信息發(fā)送、信息接收方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中引入認(rèn)證處理模塊，增加信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)方面的信息發(fā)送和接收。通信程序分為數(shù)據(jù)信息發(fā)送程序和數(shù)據(jù)信息接收程序。

2.1 認(rèn)證處理程序

安全服務(wù)層收到物聯(lián)網(wǎng)終端用戶請(qǐng)求認(rèn)證信息后，從物聯(lián)網(wǎng)終端參數(shù)中獲取SAML認(rèn)證請(qǐng)求的各個(gè)字段，把它組合成認(rèn)證模塊能辨別的SAML認(rèn)證請(qǐng)求目標(biāo)[8?9]。把獲取的簽名及時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，如驗(yàn)證失敗傳輸簽名驗(yàn)證失敗相關(guān)信息，同時(shí)將提取出的證書進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證失敗發(fā)送證書失敗信息，并生成認(rèn)證成功的斷言信息[10?11]。若此用戶是第一次認(rèn)證，則將用戶信息和斷言保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，若數(shù)據(jù)庫(kù)已存在此用戶信息，則將信息和斷言更新到數(shù)據(jù)庫(kù)，然后返回認(rèn)證成功的斷言信息。認(rèn)證流程如圖1所示。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)送程序

通信卡中FPGA模塊中的Cyclone Ⅲ 3C25F32芯片處于發(fā)送數(shù)據(jù)信息狀態(tài)下，發(fā)送緩沖器會(huì)關(guān)閉[12]。需傳輸近期物聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)主控制器要對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行搜索驗(yàn)證，確定其發(fā)送緩沖器狀態(tài)是否準(zhǔn)確。圖2對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)信息流程進(jìn)行描述。

發(fā)送緩沖器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，主控制器對(duì)新的數(shù)據(jù)信息生成記號(hào)后留在其存儲(chǔ)器內(nèi)準(zhǔn)備發(fā)送。在中斷服務(wù)程序里傳輸數(shù)據(jù)信息[10]，物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)運(yùn)行之后發(fā)送函數(shù)，并在其末端進(jìn)行程序初始化。發(fā)送緩沖器為開(kāi)放情況時(shí)，新的物聯(lián)網(wǎng)信息被主控制器傳輸緩沖器中命令寄存器的“發(fā)送請(qǐng)求”下，由FPGA模塊中的Cyclone Ⅲ 3C25F32芯片進(jìn)行發(fā)送。CAN控制器生成一個(gè)發(fā)送中斷表示發(fā)送完成。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)信息接收程序

物聯(lián)網(wǎng)信息接收程序采用Virtex?5系列芯片的16 bit移位寄存器，對(duì)信息進(jìn)行接收。若顯示“空”，表示沒(méi)有收到數(shù)據(jù)信息，主控制器維持在搜索驗(yàn)證狀態(tài)直到緩沖期接收到停止的命令；若提示“滿”，則其為物聯(lián)網(wǎng)信息量較大，主控制器通過(guò)置位控制寄存器向?qū)?yīng)位傳輸開(kāi)放接收緩沖器信息的請(qǐng)求，把從Cyclone Ⅲ 3C25F32芯片發(fā)送的信息進(jìn)行接收。圖3為對(duì)信息接收流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)定性測(cè)試目標(biāo)

物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試關(guān)鍵是對(duì)于移動(dòng)終端在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性。目前物聯(lián)網(wǎng)軟件框架并無(wú)最優(yōu)的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)組織及企業(yè)提出了終端物聯(lián)網(wǎng)框架，實(shí)驗(yàn)以移動(dòng)通信集團(tuán)公司提出的物聯(lián)網(wǎng)軟件框架為驗(yàn)證目標(biāo)，進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。圖4為實(shí)驗(yàn)采用物聯(lián)網(wǎng)軟件框架。

3.2 測(cè)試原理

物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試的根本原理與持續(xù)測(cè)試相似，均依據(jù)自動(dòng)化測(cè)試方法，經(jīng)過(guò)移動(dòng)終端驅(qū)動(dòng)模塊，測(cè)試軟件運(yùn)行穩(wěn)定性。測(cè)試過(guò)程中主要涉及執(zhí)行模塊、內(nèi)存監(jiān)控模塊、異常監(jiān)控模塊、信息記錄模塊和用戶接口層等，如圖5所示。兩者之間的關(guān)鍵區(qū)別點(diǎn)：整體穩(wěn)定性測(cè)試是連續(xù)運(yùn)行一整套測(cè)試用例，針對(duì)的是整機(jī)，而持續(xù)性測(cè)試針對(duì)的是單一應(yīng)用程序。

3.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在測(cè)試量不定的情況下，以物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性為測(cè)試指標(biāo)，以文獻(xiàn)[6]方法為對(duì)比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，采用傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，其在測(cè)試量不定的情況下，隨著測(cè)試量的增加而增加，約為117.6 s，未出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；采用改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，其測(cè)試所用耗時(shí)，隨著測(cè)試量的增加逐漸增加，但是一直低于傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)，約為49.8 s，降低了約67.8 s，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，穩(wěn)定性測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了基于信息認(rèn)證的物聯(lián)網(wǎng)框中軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果誤差較小，耗時(shí)短具有一定的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李冬靜，江林升，楊雁瑩.公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（1）：85?88.

LI Dongjing， JIANG Linsheng， YANG Yanying. Design and implementation of public security Internet of Things architecture [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（1）： 85?88.

[2] 劉濤，朱達(dá)榮，汪方斌，等.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的大型立磨狀態(tài)監(jiān)測(cè)及損傷預(yù)警系統(tǒng)模型[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（10）：168?170.

LIU Tao， ZHU Darong， WANG Fangbin， et al. Large vertical mill condition monitoring and damage early warning system model under Internet of Things environment [J]. Machinery design & manufacture， 2017（10）： 168?170.

[3] 韓丹，張荊沙，李吳松，等.物聯(lián)網(wǎng)中WSN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)故障快速定位模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（18）：30?34.

HAN Dan， ZHANG Jingsha， LI Wusong， et al. Design and implementation of fast positioning module for node faults in WSN in Internet of Things [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（18）： 30?34.

[4] 鄧雪峰，孫瑞志，聶娟，等.基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的溫室環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建模[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（7）：301?308.

DENG Xuefeng， SUN Ruizhi， NIE Juan， et al. Greenhouse environment monitoring IOT system modeling based on timed automata [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2016， 47（7）： 301?308.

[5] 黎敏.基于五層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2016，35（3）：264?266.

LI Min. Design of safety monitoring system in coal mine based on five layers Internet of Things [J]. Coal technology， 2016， 35（3）： 264?266.

[6] 孫寶剛.云框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（4）：66?69.

SUN Baogang. Design and implementation of detection platform for cloud frame structure stability [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（4）： 66?69.

[7] 周恩浩.高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（2）：30?33.

ZHOU Enhao. Design and implementation of Internet of Things system for university intelligent classroom [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（2）： 30?33.

[8] 盧軍，劉杰，胡凡，等.基于Android和物聯(lián)網(wǎng)的四軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016（2）：64?68.

LU Jun， LIU Jie， HU Fan， et al. Design and implementation of four?axis motion platform control system based on Android and Internet of Things [J]. Manufacturing technology & machine tool， 2016（2）： 64?68.

[9] 于繼武，邢遠(yuǎn)秀.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2016，35（11）：1212?1215.

YU Jiwu， XING Yuanxiu. Design of oilfield pipeline monitoring system based on Internet of Things [J]. Oil & gas storage and transportation， 2016， 35（11）： 1212?1215.

[10] 閻堅(jiān)，桂勁松.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電化教育，2016（12）：83?86.

YAN Jian， GUI Jinsong. Design and implementation of intelligent classroom based on Internet of Things technology [J]. China educational technology， 2016（12）： 83?86.

[11] 張茜，于瑞洋.基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)資料庫(kù)房智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)礦業(yè)，2016，25（11）：83?87.

ZHANG Qian， YU Ruiyang. The architecture and implementation of intelligent management system for a geological archives warehouse based on Internet of Things [J]. China mining magazine， 2016， 25（11）： 83?87.

[12] 陳鳳.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸穩(wěn)定性檢測(cè)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（1）：341?344.

CHEN Feng. Simulation research on stability detection of data transmission in complex networks [J]. Computer simulation， 2018， 35（1）： 341?344.