Проблемы тестирования мобильного узла и способы их решения

Реализация функциональности мобильного узла интегрируется в IPv6-стек, и воздействовать на нее можно двумя способами: при помощи отправления сообщений с транспортного уровня и при помощи сообщений с канального уровня. Кроме того, в конкретных реализациях Mobile IPv6 могут предоставляться средства для чтения или изменения внутренних структур данных, описывающих состояние реализации. При сравнении двух различных реализаций эти интерфейсы могут существенно отличаться, так как стандарт не накладывает на них каких-либо ограничений. В некоторых реализациях Mobile IPv6 таких интерфейсов может вообще не быть, поэтому при разработке тестового набора было принято решение не использовать взаимодействие с целевой реализацией при помощи интерфейсов доступа к внутренним управляющим структурам данных.

Более того, с целью построения универсального тестового набора, а также для упрощения синхронизации и анализа результатов, полученных в ходе исполнения сценарных функций, воздействия на целевую реализацию при помощи сообщений с транспортного уровня также не используются. Единственный оставшийся способ взаимодействия заключается в обмене сообщениями через сетевой интерфейс. Таким образом, в принятом подходе воздействиями на тестируемую реализацию, или стимулами являются сообщения со стороны тестирующего узла, а ответами реализации или реакциями - сообщения со стороны мобильного узла.

Для поддержания постоянной достижимости мобильного узла по его домашнему адресу протокол Mobile IPv6 содержит ряд служебных процедур обмена сообщениями между мобильным узлом и домашним агентом или между мобильным узлом и узлом-корреспондентом, например, процедуру регистрации на домашнем агенте (Home Registration), процедуру регистрации на узле-корреспонденте (Correspondent Registration), процедуру обратной маршрутизируемости (Return Routability Procedure) и так далее.

Заметим, что мобильный узел является инициатором выполнения большинства служебных процедур протокола Mobile IPv6. Это создает некоторые дополнительные сложности при организации тестирования.
В соответствии с требованиями стандарта RFC 3775 мобильный узел должен инициировать такие процедуры либо после смены точки подключения, либо по истечении определенного временного интервала после какого-либо события, хотя некоторые служебные обмены сообщениями могут инициироваться мобильным узлом в любое время. Таким образом, единственное явное воздействие, которое может заставить мобильный узел начать служебные обмены сообщениями, - это смена точки подключения мобильного узла. Для упрощения схемы тестового стенда и возможности создания для реализации мобильного узла некоторых внештатных ситуаций было принято решение об имитации процесса смены точки его подключения. При этом фактической смены точки подключения мобильного узла не происходит. Тестовый стенд состоит из двух узлов, соединенных сегментом Ethernet. Один из узлов - тестируемый узел. На тестируемом узле статически настраивается и запускается целевая реализация мобильного узла. Второй узел является инструментальным. На этом узле функционирует тестовый набор, который имитирует для тестируемой реализации некоторую виртуальную сеть. Смена точки подключения мобильного узла имитируется при помощи вспомогательных сообщений Router Advertisement. Такие сообщения периодически отправляются тестовым сценарием от имени маршрутизатора в той сети, в которой мобильный узел находится в данный момент времени. Для имитации смены точки подключения мобильного узла тестовый сценарий прекращает отправление сообщений Router Advertisement от имени маршрутизатора в текущей сети и начинает отправление аналогичных сообщений от имени маршрутизатора в новой сети. Для реализации описанной выше модели тестирующий узел должен имитировать функциональность всех узлов, которые принимают участие в обмене сообщениями с мобильным узлом в модели виртуальной сети, т.е. отправлять все необходимые сообщения от имени узлов виртуальной сети. При этом некоторые из таких сообщений являются частью определенных процедур и должны отправляться синхронно в ответ на сообщения от мобильного узла. Не углубляясь в детали, поведение мобильного узла в целом можно охарактеризовать следующим образом.

При смене точки подключения мобильный узел должен выполнить несколько служебных обменов сообщениями с домашним агентом и узлами-корреспондентами. В результате этих обменов будут установлены необходимые привязки, и мобильный узел станет доступным по своему домашнему адресу. После этого мобильный узел начинает служебные обмены сообщениями только перед истечением времени жизни привязки, домашнего адреса или временного адреса. Заметим, что после перехода в новую сеть мобильный узел может выполнять некоторые из процедур обмена сообщениями параллельно, что делает его поведение недетерминированным. Например, процедура регистрации на узле-корреспонденте может выполняться параллельно с процедурой Mobile Prefix Discovery. Кроме того, стандарт допускает недетерминированное поведение мобильного узла в рамках одной служебной процедуры. Например, перед регистрацией на узле-корреспонденте мобильный узел может выполнить процедуру обратной маршрутизируемости либо полностью, либо частично, а в некоторых случаях может ее не выполнять вообще. Некоторые сообщения тестируемая реализация должна отправлять через определенное время после поступления стимула. Из-за таких особенностей поведения мобильного узла возникают затруднения с определением группы сообщений, которые можно охарактеризовать как воздействие и отклик на него. Такая группа может охватывать несколько служебных процедур, и для нее будет сложно построить спецификации методом Design-by-Contract []. Для того чтобы избежать таких сложностей, используется механизм отложенных реакций инструмента CTesK, который позволяет не указывать в явном виде связь между стимулом и реакцией. Заметим также, что инструмент CTesK, который использовался для разработки тестового набора, позволяет проводить тестирование лишь с использованием стационарных модельных состояний. Однако мобильный узел не имеет стационарных состояний за исключением некоторых внештатных ситуаций. Для преодоления этого ограничения исследовалась возможность применения двух различных подходов. Первый подход заключался в использовании при работе обходчика состояний, близких к стационарным.

Если для привязок и адресов использовать достаточно большие значения времени жизни, то состояние мобильного узла, после смены точки подключения и завершения служебных процедур, можно рассматривать как «приближенно» стационарное, которое пригодно для используемого метода тестирования. Слово «приближенно» используется потому, что такие состояния в действительности не являются стационарными. Для того чтобы мобильный узел находился в таком состоянии длительное время, он должен периодически получать от маршрутизатора сообщения Router Advertisement и выполнять процедуру Neighbor Unreachability Detection. Для обхода графа таких состояний можно ввести группу стимулов, которые производят смену точки подключения мобильного узла. Такие стимулы будут отличаться от отдельных сообщений, отправляемых тестовым сценарием, так как будут действовать на всю виртуальную сеть, а не на мобильный узел в отдельности. При воздействии таким стимулом состояние тестируемой реализации явно не изменяется, а изменяется лишь состояние виртуальной сети в целом. Но благодаря обмену сообщениями между узлами виртуальной сети впоследствии изменится и состояние тестируемой реализации. После воздействия одним из таких стимулов мобильный узел должен через некоторое время перейти в приближенно стационарное состояние, а значит, такие стимулы уже можно использовать в инструменте CTesK. Такой подход использовался в ранней версии тестового набора, который проверял только установление привязок с домашним агентом. Однако при расширении этого тестового набора возникли дополнительные трудности, и от использования таких приближенно стационарных состояний пришлось отказаться. Первая проблема заключается в том, что стандарт RFC 3775 не содержит исчерпывающего описания ограничений на то, какие сообщения мобильный узел может отправлять, находясь в определенном состоянии. Более того, стандарт указывает, что некоторые служебные процедуры, такие как формирование временного адреса и регистрация на узле-корреспонденте, мобильный узел может начать в любой момент времени. Вторая проблема возникает, когда при тестировании мобильного узла необходимо использовать небольшие значения времени жизни для привязок.

Из- за недетерминированного поведения мобильного узла сложно предсказать время, когда привязка будет установлена, а значит и время, когда реализация мобильного узла должна отправить сообщение Binding Update для обновления активно используемой привязки, время жизни которой вскоре истечет. При использовании небольших значений времени жизни привязки такая реакция может возникнуть во время анализа результатов выполнения сценарной функции, что в свою очередь может привести к ошибке в работе обходчика инструмента CTesK. В результате из-за описанных выше проблем от использования стационарных модельных состояний целевой реализации пришлось отказаться. Основные причины использования стационарного тестирования заключаются в следующем:

Использование стационарных состояний позволяет проверить, что тестируемая реализация действительно выполнила все необходимые действия, которые были определены спецификацией.
Обходчик может работать лишь со стационарными состояниями. Если же исполнение сценарной функции завершается в нестационарном состоянии, то за время, которое необходимо обходчику для начала выполнения следующей сценарной функции, система может перейти в другое состояние. Это может привести к неполному обходу графа модельных состояний или вынесению вердикта о недетерминированном поведении целевой реализации.

Второй подход заключается в отказе от стационарного тестирования. При этом необходимо искусственным образом имитировать работу обходчика для случая стационарного тестирования и следить за выполнением всех необходимых действий, которые определены спецификацией. Чтобы проверить, что тестируемая реализация действительно отправила все необходимые сообщения, используется список действий, которые должна произвести система. Действием является отправление целевой реализацией сообщения определенного типа с определенными значениями некоторых полей; значения других его полей могут быть произвольными. Для каждого действия отводится время, за которое система должна его произвести. Действие может быть отменено при получении какого-либо стимула, если оно еще не было выполнено тестируемой реализацией. В стандарте Mobile IPv6 [] требования по уровню обязательности выполнения классифицированы в соответствии с RFC 2119 [].

В предлагаемом подходе для различных групп требований предусмотрены три группы действий:

Обязательные действия (obligated) - для требований, обязывающих мобильный узел отправить определенное сообщение (требования, выделенные словами MUST или SHOULD согласно RFC2119). Если тестируемая реализация отправляет такое сообщение в отведенный временной интервал, то сообщается о том, что ее поведение в данном случае удовлетворяет требованию спецификации, которое определяет данное действие. В противном случае выносится вердикт о том, что тестируемая реализация не выполнила данное требование. Для этой группы требований можно задавать альтернативные варианты действий. То есть задаются несколько возможных сообщений для одного требования, и если реализация отправляет одно из таких сообщений, условия требования считаются выполненными.
Запрещенные действия (prohibited) - для требований, запрещающих мобильному узлу отправлять определенное сообщение после наступления какого-либо события (требования, выделенные словами MUST NOT или SHOULD NOT). Если данное сообщение было отправлено в выделенный временной интервал, то выносится вердикт о том, что тестируемая реализация нарушила данное требование. В противном случае сообщается о том, что она выполнила требование, определяющее данное действие.
Допустимые действия (allowed) - для наблюдения за тем, что мобильный узел реализует некоторую необязательную функциональность протокола (требования, выделенные словом MAY). Если данное сообщение отправлено в отведенный интервал времени, то сообщается о том, что тестируемая реализация поддерживает необязательную функциональность, которая определяется данным требованием. В противном случае ничего не сообщается.

Такой подход позволяет явно описывать требования, касающиеся отправления сообщений, и собирать детальную информацию о проверке таких требований, однако предполагает затрату больших усилий при разработке спецификаций, чем в случае со стационарными модельными состояниями. Для того чтобы обеспечить возможность использования стандартного обходчика, в качестве модельных состояний выделяются состояния виртуальной сети в целом, а не группы состояний модели целевой реализации, как это традиционно делается при использовании инструмента CTesK.

С учетом того, что в работе имитируются только виртуальные сети со стационарными маршрутизаторами, домашними агентами и узлами-корреспондентами, состояние виртуальной сети определяется лишь ее топологией, набором ее узлов и точкой подключения мобильного узла. Топология виртуальной сети и набор узлов задаются перед запуском тестового сценария. Таким образом, состояние виртуальной сети определяется лишь точкой подключения мобильного узла. Такие модельные состояния являются стационарными, так как не зависят от поведения реализации и являются объединениями нескольких приближенно стационарных состояний мобильного узла. Для обеспечения такого соответствия необходимо использовать достаточно большой интервал времени, который отводится на исполнение сценарной функции, чтобы тестируемая реализация успела осуществить переход в приближенно стационарное состояние. Кроме того, необходимо описать все действия, определенные стандартом при данном переходе. Конечное приближенно стационарное состояние мобильного узла после перехода в один и тот же сегмент виртуальной сети зависит от поведения других узлов этой сети. В результате введения описанных выше состояний может существенно ухудшиться качество тестирования, поэтому помимо текущей точки подключения мобильного узла в модельных состояниях должен учитываться также и способ, которым мобильный узел был переведен в данную сеть. Сеть, в которой мобильный узел находился до осуществления смены точки подключения, в модельном состоянии не учитывается, так как для любого способа, которым мобильный узел может быть переведен в данную сеть, при обходе графа модельных состояний автоматически будут произведены переходы из всех сетей, из которых это возможно. В предлагаемом подходе не учитывается также и предыдущая история переходов. В подавляющем большинстве случаев предыдущие переходы не оказывают влияния на поведения мобильного узла, а учет таких переходов экспоненциально увеличивает количество модельных состояний. В качестве сценарных функций в тестовом наборе задаются возможные способы перевода мобильного узла из одной сети в другую.

Задача обходчика в таком случае заключается в осуществлении всех возможных переходов для мобильного узла всеми возможными способами. Под различными способами здесь понимается различное поведение узлов виртуальной сети после осуществления смены точки подключения мобильного узла в этой сети, которое определяется отправляемыми ими сообщениями. Для обеспечения полноты тестирования необходимо оказать воздействие всеми возможными стимулами во всех достижимых состояниях, включая начальное состояние. Однако приведение тестируемой реализации мобильного узла в начальное состояние только при помощи обмена сообщениями через сетевой интерфейс не представляется возможным. Это связано с тем, что даже после удаления привязки при возвращении в домашнюю сеть мобильный узел сохраняет некоторую информацию в структурах данных, описывающих его состояние, например, сохраняет адрес домашнего агента. На Рис. 7 изображен пример графа состояний тестового сценария для случая, когда виртуальная сеть состоит только из сегмента домашней сети и одного сегмента внешней сети, и определены только два способа перевода мобильного узла между этими сетями. В состояниях 0, 1 и 2 мобильный узел находится в домашней сети, в состояниях 3 и 4 - во внешней сети. Чтобы отличить способы перевода мобильного узла на рисунке используется разная толщина дуг графа.

Рис. 7.Пример графа состояний тестового сценария Этот пример показывает, что граф состояний тестового сценария не является сильно связным, так как нет дуги, которая возвращала бы тестовый сценарий в начальное состояние. Однако такая дуга необходима для осуществления обходчиком всех возможных переводов мобильного узла из всех достижимых состояний. Это одна из проблем, возникающих при использовании состояний, принятых в нашем подходе. Для гарантированного приведения тестируемой реализации в первоначальное состояние перед выполнением очередного тестового сценария используется перезагрузка целевого узла. Чтобы решить проблему с несвязностью графа состояний, можно было бы ввести стимул, осуществляющий перезагрузку системы, но это приводило бы к большому количеству перезагрузок во время тестирования и заняло бы больше времени на исполнение теста.

Кроме того, сложно было бы отследить, чем именно вызвана перезагрузка: нестабильностью тестируемой реализации или воздействием такого стимула. Вместо введения стимула, осуществляющего перезагрузку целевой реализации, в предлагаемом подходе используются два приема: объединение состояний и обеспечение всех возможных воздействий. А именно, начальное состояние мобильного узла объединяется с состоянием «мобильный узел в домашней сети», в которое он попадает после возвращения в домашнюю сеть, при условии, что тестовый сценарий отправит все необходимые сообщения от имени узлов виртуальной сети. Для обеспечения же перебора всех возможных воздействий в начальном состоянии первоначальные тестовые сценарии разделяются на несколько подсценариев. Этот процесс можно описать следующим образом. Сначала, как и обычно, для проверки определенных групп требований стандарта разрабатываются конкретные тестовые сценарии. Затем после определения всех возможных стимулов, необходимых для обеспечения полноты тестирования, для каждого из этих первоначально разработанных тестовых сценариев создается несколько подсценариев, которые отличаются лишь тем, что на целевую реализацию, находящуюся в первоначальном состоянии, осуществляется воздействие одним конкретным стимулом, отличным от первых стимулов в других подсценариях. При этом общее количество создаваемых подсценариев равно количеству возможных стимулов для данного тестового сценария. Таким образом, на реализацию, находящуюся в первоначальном состоянии, осуществляется воздействие всеми возможными стимулами. На Рис. 8 изображены подсценарии, полученные из предыдущего примера при помощи описанных выше действий. Заметим, что у этого графа дуга из состояния 1 в состояние 3, соответствующая первому способу перевода мобильного узла из домашней сети во внешнюю сеть, обозначена пунктиром. Это означает, что обходчик не обязан осуществлять такое воздействие, так как может считать, что оно уже произведено при выполнении перевода мобильного узла из начального состояния первым способом.

Содержание раздела