Gegenüberstellung und Anwendung verschiedener Testverfahren zur Sicherstellung der Interoperabilität von Netzelementen in Next Generation Networks

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1 Gegenüberstellung und Anwendung verschiedener Testverfahren zur Sicherstellung der Interoperabilität von Netzelementen in Next Generation Networks Dipl.-Ing. Matthias Bormann, Fachhochschule Braunschweig / Wolfenbüttel, Wolfenbüttel, Deutschland Dipl.-Ing. Daniel Hartmann, Fachhochschule Braunschweig / Wolfenbüttel, Wolfenbüttel, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Diederich Wermser, Fachhochschule Braunschweig / Wolfenbüttel, Wolfenbüttel, Deutschland Kontakt: Kurzfassung Next Generation Networks (NGNs) bieten eine generische Architektur für Multimedia-Dienste, darunter auch Voice over IP. Das IP Multimedia Subsystem (IMS) als NGN für Mobilfunknetze, bildet das Kernnetz des zukünftigen All-IP UMTS. Das IMS unterstützt die Einführung von diversen Diensten für mobile Endgeräte. Die Anzahl neuer Dienste im IMS wächst stetig, was zur Folge hat, dass nicht nur die Protokolle, sondern auch die Netzelemente komplexer werden. Ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung allgemein ist, dass die korrekte Interaktion zwischen den Netzelementen auch unterschiedlicher Hersteller sichergestellt wird. Um dies zu ermöglichen, werden unterschiedliche Testverfahren benötigt und eingesetzt. Die zwei wichtigsten Verfahren sind Konformitäts- und Interoperabilitätstests. Konformitätstests überprüfen ein Netzelement, ob eine bestimmte, enthaltene Protokollinstanz nach außen ein Protokoll gemäß seiner Spezifikation standardkonform bedient. Im Gegensatz dazu wird bei Interoperabilitätstests untersucht, ob zwei oder mehrere Netzelemente Ende-zu-Ende fehlerfrei miteinander kommunizieren können und ob die zur Verfügung stehenden Dienste erwartungsgemäß funktionieren. In diesem Beitrag werden die beiden Verfahren Konformitäts- und Interoperabilitätstest erläutert und deren Unterschiede am Beispiel des im IMS eingesetzten SIP benannt. In einem weiteren Schritt wird beschrieben, in welcher Phase des Entwicklungsprozesses eines Netzelementes welches Verfahren angewandt werden kann. Abschließend wird ein im Labor für Kommunkationssysteme entwickelter Ansatz vorgestellt, um aufgezeichnete SIP-Protokolldatensätze auf Interoperabilitätsprobleme zu untersuchen. Dabei werden die aufgezeichneten SIP- Protokolldatensätze in einer relationalen Datenbank gespeichert, so dass es möglich ist, mit SQL-Abfragen fehlerhafte Protokollabläufe herauszufiltern. Der Beitrag basiert auf Arbeiten im Forschungsschwerpunkt Modellbasierte Validierung zur Absicherung von automotiven Kommunikationsnetzwerken, der im Rahmen des AGIP-Programms vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur gefördert wird. 1 Einleitung Die Anzahl der Protokolle und Dienste im IMS für mobile Endgeräte steigt stetig. Gleichzeitig werden die angebotenen Dienste typisch komplexer [1]. Damit ein Netzelement korrekt mit anderen Netzelementen ein Protokoll oder einen Dienst nutzen kann, muss es bereits während seiner Entwicklung getestet werden. Die hohe Nachfrage nach neuen Diensten für mobile Endgeräte sowie die wachsende Komplexität erfordern spezielle Testverfahren und stellen hohe Anforderungen an den Entwicklungsprozess. Zu Beginn dieses Beitrages werden Konformitätsund Interoperabilitätstests, die gängigen Testverfahren für SIP-basierte Protokolle und Dienste im IMS [5], vorgestellt und verglichen. In einem zweiten Schritt wird beschrieben, wie eine große Anzahl aufgezeichneter SIP-Protokolldatensätze datenbankgestützt posthoc auf Interoperabilitätsprobleme hin untersucht werden kann. Abschließend wird ein Ansatz präsentiert, bei dem die vorgestellten Testverfahren den Phasen des V-Modells [14], einer Methodik zur Planung und Durchführung von Systementwicklungsprojekten, zugeordnet werden. 1-6

2 2 Testverfahren mit kontrollierter Anregung 2.1 Konformitätstests Für die Erstellung von Konformitätstests werden sogenannte Test Purposes (TPs) aus der entsprechenden Protokollspezifikation abgeleitet. Ein Test Purpose für SIP ist in Bild 3 dargestellt. Jeder dieser Test Purposes beschreibt eine bestimmte Anforderung an die Protokollinstanz. Die Test Purposes werden ausführbar gemacht, wobei die standardisierte Programmiersprache TTCN-3 (Testing and Test Control Notation) eingesetzt wird [4]. Der Test Purpose aus Bild 3 wird in Bild 4 mit TTCN-3 umgesetzt. Für die Kompilierung und die Ausführung der TTCN-3-Testfälle wird eine Testumgebung - eine Workbench - benötigt. Mit Konformitätstests wird überprüft, ob eine Protokollinstanz gemäß ihrer Spezifikation implementiert wurde. Das äußere Verhalten des Netzelementes, hier SUT (System Under Test) genannt, wird auf logische Fehler überprüft. Jedes SUT enthält dabei typisch eine oder mehrere Protokollinstanzen. Jede dieser Protokollinstanzen, die sogenannten Implementations Under Test (IUTs), wird einzeln getestet. Ziel des Konformitätstests ist es zu prüfen, ob ein SUT ein Protokoll (IUT) korrekt bedient. In Bild 1 ist ein SUT dargestellt, in dem vier verschiedene Protokolle (A-D) implementiert sind. Mit Hilfe von Konformitätstests kann jede dieser vier Protokollinstanzen einzeln im Rahmen der Testabdeckung (Test Coverage) auf die Einhaltung ihrer Spezifikation überprüft werden. Die Testabdeckung bezeichnet dabei das Verhältnis von der implementierten zur theoretisch möglichen Anzahl an Testfällen, die für das vollständige Testen einer Protokollinstanz nötig sind. Bild 2: Aufbau von Konformitätstests (modifiziert aus [5]) Bild 3: Test Purpose eines Konformitätstestfalls [7] Bild 1: Testabdeckung bei Konformitätstestfällen (modifiziert aus [5]) In Bild 2 ist die Testarchitektur für Konformitätstests dargestellt. Das SUT besteht in der Regel aus einer Reihe aufeinander aufbauender Protokollinstanzen, von denen jeweils eine, die Implementation Under Test (IUT), auf Konformität zu ihrer Spezifikation überprüft wird. Bild 4: Konformitätstestfall in TTCN-3 (gekürzt) Die ETSI hat ein Verfahren zur Erstellung von Konformitätstestfällen aus Protokollspezifikationen spezifiziert [6]. Dieses Verfahren hat sich bewährt und es gibt bereits für viele Protokolle Test Suites, wie u.a. auch für SIP [7]. Darüber hinaus konnte das Verfahren für die Erstellung von Konformitätstests bereits auch für komplexe Dienste angewandt werden [3]. 2.2 Interoperabilitätstests Im Gegensatz zu Konformitätstests wird bei Interoperabilitätstests nicht überprüft, ob ein einzelnes Protokoll (IUT) korrekt bedient wird, sondern ob Netzele- 2-6

3 mente bestehend aus mehreren IUTs Ende-zu-Ende korrekt zusammen arbeiten. Jedes dieser Netzelemente wird als Equipment Under Test (EUT) begriffen. Die EUTs werden miteinander vernetzt und bilden das SUT für den Interoperabilitätstest. Diese Testszenarien werden, wie bei den Konformitätstests die Test Purposes, aus der Protokollspezifikation abgeleitet. Ein typisches Beispiel für ein solches SIP-Testszenario ist in Bild 7 dargestellt. Bei diesem Testfall wird auch überprüft, ob die Interaktion zwischen Zeichengabe (SIP) und Nutzdaten, z.b. RTP (Real-Time Transport Protocol), funktioniert. Getestet werden die Wechselwirkungen verschiedener Protokollinstanzen EUTs. Der Fokus der Testfälle ist im Vergleich zu Konformitätstests weiter, aber nicht so tief (Bild 5). Bild 5: Testabdeckung bei Interoperabilitätstestfällen (modifiziert aus [5]) Bei Interoperabilitätstests wird ein Szenario durchlaufen, bei dem die zu testenden EUTs durch ihre Nutzeroberfläche manuell bedient werden, etwa durch das Bedienen von Knöpfen oder das Abnehmen des Hörers vom Telefon. Das tatsächliche Verhalten wird mit dem erwarteten Verhalten verglichen (z.b. das Klingeln der Telefone) und damit das Testergebnis ermittelt. Für die Durchführung von Interoperabilitätstests wird prinzipiell, anders als bei Konformitätstests, kein weiteres Test Equipment (wie eine Workbench) benötigt. Der Aufbau eines solchen Tests ist in Bild 6 dargestellt. Bild 6: Aufbau von Interoperabilitätstests (modifiziert aus [5]) Bild 7: Interoperabilitätstestszenario für SIP (modifiziert von [5]) Bei der Erstellung der Testszenarien ist zu achten, dass die Netzelemente lediglich über ihre Nutzeroberfläche gesteuert werden können. Das gezielte Anregen des EUT mit fehlerhaften Protokollnachrichten (invalid behavior) und die Überprüfung, ob es sich unter diesen Bedingungen noch korrekt verhält, ist nicht möglich. 2.3 Vergleich der Testverfahren Konformitätstests werden hauptsächlich für einzelne Komponenten eines Gesamtsystems eingesetzt, wie z.b. der Test einer einzelnen Protokollinstanz. Konformitätstests werden unter festgelegten Bedingungen ausgeführt mit Hilfe eines eigenen Testsystems. Diese Testsysteme sind, sofern die Protokolle über gängige Schnittstellen (z.b. CSMA/CD, IP) laufen, günstig zu implementieren. Für die Umsetzung des Testsystems wird lediglich eine Testsprache wie TTCN-3 mit einem Compiler benötigt. Eine Stärke von Konformitätstests ist unter anderem, dass das korrekte Verhalten des SUT auch bei fehlerhafter Anregung getestet werden kann. Dies ist ein Vorteil gegenüber Interoperabilitätstests, da hiermit auch Aspekte wie die Robustheit des Netzelementes überprüft werden können. Im Gegensatz zu Konformitätstests werden mit Interoperabilitätstests komplette Netzelemente bzw. eine Sammlung von Netzelementen unterschiedlicher Hersteller getestet. Interoperabilitätstests werden Endezu-Ende über ein Netzwerk durchgeführt. Der Test zeigt, dass eine gewisse Funktion umgesetzt wird aber nicht wie. Interoperabilitätstests stellen sicher, dass untereinander getestete Endgeräte miteinander arbeiten, nicht aber die Konformität zu einer Protokollspezifikation. 3-6

4 Abschließend betrachtet, handelt es sich bei Konformitäts- und Interoperabilitätstests um unterschiedliche Testverfahren, die bei kombiniertem Einsatz sich ergänzen [8]. 3 Datenbankgestützte Post-hoc- Analyse Viele Fehler hinsichtlich Konformität und Interoperabilität zeigen sich erst im operativen Betrieb eines Kommunikationssystems, aber nicht zwangsläufig unter kontrollierten Bedingungen im sauberen Laborbetrieb. Das System kann außerhalb einer Testumgebung mehr fehlerinduzierenden Einflüssen unterliegen, zum Beispiel unterschiedlichen Verkehrslastbedingungen. Ein SUT, das sich schon im operativen Betrieb befindet, kann jedoch einer Post-Hoc Analyse unterworfen werden. Das SUT wird in diesem Fall nicht von einer definierten Testumgebung angeregt. Stattdessen wird sein Verhalten im tatsächlichen Betrieb protokolliert und kann dann einer nachträglichen Analyse unterworfen werden. Am Labor für Kommunikationssysteme wird hierfür das Tool IMPACT (IP-based Multi Protocol Post-hoc Analyzer and Conformance Tester) entwickelt. Die Funktionsweise ähnelt dem Prinzip, das auch in [9] vorgestellt wird. Statt eines Files (wie in [9]) wird in IMPACT eine Datenbank zur Speicherung der aufgezeichneten PDUs verwendet. Diese bildet das Kernstück von IMPACT. Der Einsatz der Datenbank erlaubt es, die Mächtigkeit und Logik der Relationenalgebra für komplexe Such- und Analysefunktionen zu nutzen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um Protokollabläufe analysieren zu können. 3.1 IMPACT Architekturmodell Quelle für die zu analysierenden Daten ist eine Netzwerkschnittstelle, über die das SUT mit seiner Betriebsumgebung, kommuniziert (Bild 8). Die wesentlich vier Bestandteile von IMPACT sind die Datenbank samt DBMS zur Speicherung der gesammelten PDUs sowie Ergebnissen von Analysen, der Parser für die Umsetzung der aufgenommenen Datensätze in die Datenbank, das GUI zur Bedienung, und die Analysefunktionen in SQL (Bild 9). Bild 9: Architekturmodell von IMPACT 3.2 Aufnahme und Speicherung der zu analysierenden PDUs Der Netzwerkverkehr des sich im operativen Betrieb befindlichen SUTs wird mit Sniffern (z.b. Wireshark [10] oder tshark [11]) aufgezeichnet und in Binärdateien abgelegt (z.b. im pcap-format). Mittels GUIgestütztem Upload können die PDUs dann via Parser an den Server übertragen und dauerhaft in der Datenbank zur späteren Analyse gespeichert werden. Die aktuelle Entwicklungsversion berücksichtigt nur Zeichengabeinformationen. Eine Erweiterung zur Analyse von Nutzdatenströmen (z.b. RTP) und deren Wechselwirkung mit Zeichengabeabläufen ist bereits in Arbeit. 3.3 Analyse der gespeicherten Datensätze Voraussetzung für eine durchführbare Post-Hoc- Analyse mit IMPACT ist, dass sich ein gewünschter Testfall durch eine geeignete SQL Anfrage ausdrücken lässt. Es muss dabei, ähnlich wie in der TTCN-3 Workbench, ein Anregungsauffindeteil und ein Reaktionsüberprüfungsteil formuliert werden. Bild 10 zeigt die Gegenüberstellung der beiden Testverfahren. Die Anfragen an das DBMS werden in der Regel so formuliert, dass explizit nach fehlerhaftem und nicht nach korrektem Verhalten des SUTs gesucht wird. Hat sich das System während des Zeitraums der Aufzeichnung fehlerfrei und konform verhalten, ist das Ergebnis der Anfrage entsprechend leer. Bild 8: Datenquelle für IMPACT Bild 11 illustriert, wie prinzipiell eine solche SQL Anfrage formuliert wird. Sie behandelt den Testfall SIP_CC_TE_CE_V_001 aus [7], dessen Test Purpose 4-6

5 in Bild 3 und dessen TTCN-3-Code in Bild 4 dargestellt ist. überschaubare Phasen. Bekannte Vorgehensmodelle sind zum Beispiel: Wasserfallmodell [12] Spiralmodell nach Barry Boehm [13] V-Modell [14] Im weiteren wird das V-Modell zu Grunde gelegt, da es für jede Entwurfsphase eine entsprechende Testphase vorsieht (siehe Bild 12). Bild 10: Gegenüberstellung von kontrolliertem und post-hoc Testverfahren Bild 12: V-Modell [15] Der Detaillierungsgrad der Spezifikation einer Software steigt in den aufeinanderfolgenden Spezifikationsphasen des V-Modells an. Jeder Spezifikationsphase wird einer entsprechenden Testphase zugeordnet. Die Tests, die im Rahmen der Entwicklung eines Netzelementes für die Sicherstellung der Interoperabilität nötig sind, sollen nun entsprechend des V- Modells strukturiert werden. Bild 11: Beispiel einer SQL-Analyseabfrage (abgeleitet von Test Purpose aus Bild 3) Über längere Zeiträume protokollierte Abläufe können einige Millionen PDUs enthalten. Die Möglichkeiten moderner relationaler Datenbanken, wie z.b. effiziente Umsetzung von Datenstrukturen oder Einführung von geeigneten Indizes auf Attribute der Datenbankstruktur, erlauben eine drastische Verkürzung der Berechnungszeit von Analysevorgängen. Der Unit-Test kann gleichgesetzt werden mit dem Test einer Protokollinstanz. Im Gegensatz dazu wird bei der Integrations-Testphase die korrekte Interaktion zwischen mehren Protokollinstanzen untersucht. Schließlich wird bei der Systemintegrationsphase ein komplettes System überprüft. Die mit ihren Vor- und Nachteilen beschriebenen Testverfahren aus den Abschnitten 2 und 3, sollen nun den einzelnen Phasen des V-Modells zugeordnet werden. In Bild 12 ist ein Ansatz für eine mögliche Zuordnung zwischen Phase und Testverfahren dargestellt. 4 Zuordnung von Testverfahren zu Phasen im Entwicklungsprozess Die Entwicklung von Software im Allgemeinen, also auch von Netzelementen, werden durch Vorgehensmodelle strukturiert. Ein Vorgehensmodell gliedert den Entwicklungsprozess eines Netzelementes in Bild 13: Zuordnung von Phasen im V-Modell zu Testverfahren 5-6

6 5 Zusammenfassung In diesem Beitrag wurden Konformitäts- und Interoperabilitätstests gegenübergestellt und am Beispiel des SIP im IMS beschrieben. Beim Vergleich der beiden Verfahren ergab sich, dass beide zwar das gleiche Ziel die Interoperabilität zwischen Netzelementen verfolgen, aber unterschiedliche Aspekte überprüfen. Für das Finden von fehlerhaften Protokollabläufen in aufgezeichneten Protokolldatensätzen (PDUs) wird am Labor für Kommunikationssysteme das Tool IM- PACT entwickelt. IMPACT arbeitet datenbankgestützt und ermöglicht auch die Überprüfung von großen, aufgezeichneten Protokolldatensätzen. Diese werden typisch im operativen Betrieb eines komplexen Kommunikationssystems über einen langen Zeitraum mitgeschnitten. Mit Hilfe von SQL-Abfragen kann in der Datenbank effizient nach Protokollabläufen mit Interoperabilitätsproblemen gesucht werden. Die drei vorgestellten Testverfahren konnten zu Entwicklungsphasen des V-Modells zugeordnet werden. Die Kombination dieser drei Testverfahren bei Einsatz des V-Modells für die Entwicklung von SIPbasierten Anwendungen und Diensten im IMS erhöht die Interoperabilität der entwickelten Netzelemente. Durch die Verwendung dieser drei, unterschiedlichen Testverfahren kann die Testabdeckung erheblich verbessert werden. 6 Literatur [1] Bormann, M., Sandhaus. V., Wermser, D.: Presence Service im IMS - Architektur, Protokolle und Testverfahren. 13. ITG-Fachtagung Mobilfunk des VDE in Osnabrück, Mai [2] Sandhaus, V.; Bormann, M.; Wermser, D.: Spezifizierung und Realisierung von Konformitätstests für anwendungsorientierte Kommunikationsprotokolle in Mobilfunknetzen mittels der Testsprache TTCN ITG- Fachtagung Mobilfunk des VDE in Osnabrück, Mai [3] Bormann, M.; Sandhaus, V.; Wermser, D.: IMS und Presence Service als Plattform für die Entwicklung mobiler Dienste - Protokolle und Testverfahren. Science Days 2008 "Verteilte Anwendungen" an der HfTL; Leipzig, November [4] Willcock, C. u.a.: An Introduction to TTCN-3. John Wiley & Sons Ltd, [5] Moseley, S.; Randall, S.; Wiles, A.: Experience within ETSI of the combined roles of conformance testing and interoperability testing. 3 rd Conference on Standardization and Innovation in Information Technology, Oktober 2003, S [6] ETSI: ETS : Methods for Testing and Specification (MTS): Protocol and profile conformance testing specifications; Standardization methodology, [7] ETSI: TS : Methods for Testing and Specification (MTS); Conformance Test Specification for SIP (IETF RFC 3261); Part 2: Test Suite Structure and Test Purposes (TSS&TP), [8] Van der Veer, H.; Wiles, A.: Achieving Technical Interoperability the ETSI Approach. ETSI White Paper No. 3, 3 rd Edition, April [9] Bao, D.; Carni, D.L.; De Vito, L.; Tomaciello, L.: Session Initiation Protocol Automatic Debugger. In: IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, Mai 2007, S [10] Wireshark Foundation: Wireshark Network Protocol Analyzer. Stand April Online im Internet: [11] Wireshark Foundation: tshark Dump and analyze network traffic. Stand April Online im Internet: [12] Royce, W. W.: Managing the Development of Large Software Systems: Concepts and Techniques. In: Technical Papers of Western Electronic Show and Convention (WesCon), August [13] Boehm, B.: A spiral model of software development and enhancement. In: Computer 21 (1988), Nr. 5, S [14] Grayham, D.R.: Testing, verification and validation. In: IEE Colloquium on Layman s Guide to Software Quality, Dezember [15] Projektmanagementhandbuch, Stand April Online im Internet: 7 Abkürzungen EUT Equipment Under Test IMS IP Multimedia Subsystem IUT Implementation Under Test NGN Next Generation Network PDU Protocol Data Unit RTP Real-Time Transport Protocol SIP Session Initiation Protocol SQL Standardized Query Language SUT System Under Test TP Test Purpose TTCN Testing and Test Control Notation 6-6

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