30、IoT系统测试环境与工具全解析

IoT系统测试环境与工具全解析

1. 硬件仿真器与测试前期准备

硬件仿真器在硬件和软件设计阶段就开始模拟硬件行为，这使得在最终硬件构建、烧录和定型之前就能进行测试。通常，这借助能进行在线仿真的专用原型硬件来实现。虽然仿真器可能存在局限性，但它可以与其他硬件和软件一起纳入测试环境，作为持续集成/持续测试/持续部署（CI/CT/CD）生命周期的一部分进行评估。

像模拟对象、设备、仿真器、绕线、原型板等，虽不如最终设计美观耐用，但能用于评估覆盖范围、概念断言、与外设的集成、电源、系统可视化、软件/应用测试以及系统原型验证。

2. 全系统物联网STA SIL与仿真建模

由于STA SIL具有动态和复杂的特性，需要一系列支持工作。许多物联网SIL环境会从小规模开始，逐步演变成复杂的SIL。测试人员通常从真实环境或技术上可行的最大程度的真实环境开始测试。

主要的支持元素之一是机架和硬件ZIF补丁面板，它可以包含真实的物联网硬件、原型物联网硬件、系统和硬件的测试支持模拟器、硬件仿真器和模拟设备。ZIF补丁面板允许在测试SIL中快速配置所有这些测试支持元素的版本。

这个闭环测试系统有一个支持计算机系统，运行仿真、测试模型、关键字“测试软件”和输入数据来驱动被测系统（SUT）。这些软件驱动的支持元素能实现超出ZIF连接器机架系统所提供的测试。闭环测试系统实时运行（比SUT更快），并允许高度的测试自动化。测试人员编写或建模关键字，创建输入支持数据和仿真，然后运行测试。测试可以持续数分钟、数小时甚至数天，以评估性能或可靠性等质量指标。最后，所有测试结果和数据都记录在云端，用于测试后分析。

以下是相关测试流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[配置ZIF补丁面板] --> B[运行支持计算机系统]
    B --> C[编写或建模关键字]
    C --> D[创建输入支持数据和仿真]
    D --> E[运行测试]
    E --> F[记录测试结果到云端]
    F --> G[测试后分析]

3. 不同层次的SIL测试环境

随着测试的推进，测试人员会引入更多元素，如其他物联网系统、集成、云、SIL特性和功能。在这个阶段，测试人员拥有多个物联网设备、许多“过程支持”SIL组件、边缘系统以及与云互联网的连接，将物联网测试带入一个可能对某些测试组必要的系统。

测试人员创建高度自动化的模型和关键字系统，以运行测试程序，驱动并响应“仿真/模拟框架”系统。这个测试系统允许对多个系统进行自动化测试，测试时间可以持续数分钟、数小时、数天甚至更长。由于自动化程度高和测试时间长，SIL需要支持框架的系统，如“质量/代码分析”、性能测试、安全测试、自动化测试执行框架以及上述测试过程支持领域。

4. 真实世界全系统软件测试

对于系统中的任何复杂软件，测试永远无法涵盖所有可能的用例、流程、用户输入和/或硬件配置。一些组织可能因此只进行最低限度的测试，但随着软件用户变得更加精明，竞争持续加剧，大多数公司无法承受软件失败的后果，因此STA SIL的水平必须成为测试计划和法规的一部分。

5. 特殊环境：安全测试沙箱

对于许多物联网系统，安全测试沙箱这种特殊测试环境至关重要。安全测试应被视为物联网的一项持续活动。为支持安全测试，建议设置一个隔离的特殊环境，即“沙箱”，它能隔离环境，让测试人员尝试攻击、病毒和网络钓鱼等操作，而不会将测试工具和测试结果释放到现实世界。

沙箱是一个SIL环境，测试人员在一个模拟物联网最终用户操作环境的网络中，在安全、隔离（不连接到现实世界）的环境中运行代码、观察、分析和编写代码。其目的是在不影响实时系统的情况下评估物联网安全。

物联网STA SIL沙箱有三种主要配置：
| 配置类型 | 描述 | 优缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 虚拟化/隔离 | 使用虚拟机或隔离的硬件配置在非连接环境中运行软件 | 成本效益高，但缺乏一定的现实感，可能不被某些监管机构接受 |
| 物联网仿真/模拟 | 沙箱模拟软件并模拟物联网系统的硬件，但可能不使用系统的所有硬件 | 折中的方法，但成本也不低 |
| 完整系统仿真 | 沙箱是一个完整的物联网硬件配置，用于测试可疑软件元素的行为和影响 | 效果最好，但成本昂贵 |

物联网安全测试工作流程如下：
1. 确定安全风险和测试计划。
2. 识别要评估的软件。
3. 设置沙箱SIL。
4. 将软件加载到沙箱中。
5. 进行安全测试攻击。
6. 记录和报告测试攻击结果，并根据需要采取后续行动。

同时，为辅助安全测试工作流程，有以下安全实践：
1. 随着时间推移评估已部署物联网设备的安全性，并根据需要重复安全测试。
2. 使用黑帽攻击技术。
3. 充分利用STA SIL设置、工具（不断寻找新工具）和配置。
4. 仅使用来自软件配置管理（SCM）的授权软件和文件更新，配置管理（CM）人员、测试人员和项目人员需遵循CM/SCM项目实践。
5. 在操作测试中持续监控安全。
6. 不断更新沙箱、威胁情报和攻击手段。
7. 限制对被测设备、系统或网络、测试过程以及测试发生场所的访问。

6. IoT混沌工程“实时”测试

混沌工程是在生产中的实时软件系统上进行实验，以增强系统承受动荡或意外条件和行为的信心。由于它在实时生产环境中进行测试和评估，风险很高。在物联网中，对系统进行混沌工程测试可能会影响整个生产系统和用户。

混沌工程评估物联网系统的可靠性、弹性、安全性、功能性和性能等质量指标，通过模拟以下情况来进行测试：
- 物联网设备和软件在现实世界中的故障。
- 物联网支持软件、硬件和软件结构的故障。
- 物联网连接通信故障。
- 集成问题。

在测试过程中，混沌工程通常会实施一个扰动模型，模拟由于现实世界系统的规模和复杂性而可能发生的罕见或灾难性事件，例如：
- 通信系统通道故障。
- 流量缓慢（性能问题）。
- 其他物联网设备故障（可靠性问题）。
- 系统攻击（拒绝服务（DoS）和安全问题）。
- 被测物联网设备中的软件错误（功能丧失）。
- 级联错误（连接设备的弹性问题）。
- 恢复服务时间（设备或系统在一段时间内不可用）。
- 资源限制（服务器已满、设备过多、其他设备不可用等）。
- 人为错误（猴子测试、输入通道卡住等）。

7. SIL环境级别与项目因素的关系

物联网测试环境的性质和级别与以下项目因素相关：
- 产品完整性 ：IEEE 1012提供了确定完整性级别的相关流程，随着分配的完整性级别增加，STA和SIL的需求也会增加，呈现一对一的相关性。
- 产品成熟度和基于风险的开发运营 ：随着产品成熟或风险变化，SIL环境通常会在规模、成本、复杂性和进度等方面成熟和增加。不过，这种相关性并不固定，有些物联网产品成熟后，测试工作和SIL使用可能会减少，但如果产品使用量因更多销售和用户类型增加而上升，风险会增大，测试会更具挑战性，SIL必须具备更多功能。
- 组织能力 ：能力更强的组织往往拥有更强大和广泛的测试实验室和设施，有更多资源和复用历史，因此也会承担大型物联网项目和系统。
- 项目规模 ：小的物联网需求需要小的SIL，而广泛的物联网系统需要更复杂和更大规模的SIL。

虽然在工具、自动化、STA和SIL环境方面没有一刀切的映射，但在测试规划STA和SIL时，这些因素都需要考虑。

8. 大规模软件测试架构/环境中的STA

测试工作从多个测试计划开始，包括一个主测试计划。测试计划驱动中心的测试生命周期。主承包商创建产品并拥有一套测试环境来评估物联网系统，还有硬件和软件的分包商。测试后，这些元素按照主测试计划和低级测试计划交付给主承包商。由于这是一个大型系统，还有外部的独立验证与确认（IV&V）合同和客户（政府）评估团队。所有这些元素和团队共同构成了STA。

物联网需要借鉴嵌入式和云软件领域现有的测试历史。例如，航空航天和汽车行业有类似的测试架构和环境，如空中客车公司的“铁鸟”设施，它是一个可配置的测试实验室，包含飞机的所有硬件、系统和软件，通过仿真和模型控制测试架构系统，在受控环境中进行测试。这些行业还会进行实地测试，如在科罗拉多州的偏远道路上测试汽车在寒冷、高海拔和恶劣驾驶条件下的性能。

9. 软件系统集成实验室（SIL）工具

由于物联网系统具有独特的硬件和软件，SIL工具环境也必须定制。测试实验室通常有经过专门培训的人员和操作程序来辅助测试，包括软件工具和硬件支持工具。

软件工具涵盖规划、管理、建模、执行和分析，以及报告测试结果的工具；硬件支持工具包括带有测试点的专用计算机、探头、示波器、输入设备以及数据收集工具和记录器。

然而，大多数实验室和工具都有局限性，可能导致错过错误和信息收集不完整。例如，实验室不可能拥有所有真实世界的用户，测试环境可能只有一两个用户在测试循环中，因此测试人员必须使用工具模拟用户，但这些有限用户的模拟有多真实是个问题。此外，测试实验室也不可能拥有每个系统的所有硬件或接口。

以下是物联网测试团队在项目中应拥有和使用的标准工具列表：
- 生命周期、成本和进度管理（敏捷和DevOps）。
- 软件配置管理（SCM）、状态报告和跟踪。
- 需求管理，用于验证、跟踪和关闭。
- 带人工智能的数据分析，用于设计和评估测试输入和输出。
- 基于模型的测试工具，用于规划、设计和预言生成。
- 关键字工具、执行、监控和与模型的接口。
- 性能建模和负载测试工具。

综上所述，物联网系统的测试需要综合考虑各种测试环境和工具，根据项目的具体情况进行合理规划和配置，以确保系统的质量和安全性。

IoT系统测试环境与工具全解析

10. 不同工具在测试中的作用剖析

为了更清晰地了解这些标准工具在物联网测试中的具体作用，下面对它们进行详细剖析。

工具类型	作用
生命周期、成本和进度管理（敏捷和DevOps）	帮助团队合理安排项目时间和资源，确保项目按计划进行，控制成本，及时响应需求变化。
软件配置管理（SCM）、状态报告和跟踪	对软件的版本、变更进行管理，实时跟踪软件状态，确保软件配置的一致性和可追溯性。
需求管理，用于验证、跟踪和关闭	确保测试工作与需求一致，跟踪需求的实现情况，及时关闭已满足的需求。
带人工智能的数据分析，用于设计和评估测试输入和输出	利用人工智能技术分析大量数据，优化测试用例设计，评估测试结果的准确性和完整性。
基于模型的测试工具，用于规划、设计和预言生成	通过建立模型来规划测试流程，设计测试用例，并生成预期结果，提高测试效率和准确性。
关键字工具、执行、监控和与模型的接口	简化测试用例的编写和执行，实时监控测试过程，实现与其他模型的交互。
性能建模和负载测试工具	模拟不同的负载情况，评估系统在各种压力下的性能表现，发现性能瓶颈。

以下是这些工具在测试流程中的mermaid流程图：

graph LR
    A[生命周期、成本和进度管理] --> B[软件配置管理]
    B --> C[需求管理]
    C --> D[带人工智能的数据分析]
    D --> E[基于模型的测试工具]
    E --> F[关键字工具]
    F --> G[性能建模和负载测试工具]
    G --> H[测试执行与监控]
    H --> I[测试结果评估]

11. 工具选择与项目适配

在选择测试工具时，需要根据项目的具体情况进行适配。以下是一些考虑因素：

• 项目规模 ：小型项目可能更适合轻量级、易于使用的工具；大型项目则需要功能强大、可扩展的工具。
• 技术栈 ：工具应与项目所使用的技术栈兼容，避免出现兼容性问题。
• 团队技能 ：工具的操作难度应与团队成员的技能水平相匹配，否则可能会影响工作效率。
• 预算 ：不同工具的价格差异较大，需要根据项目预算进行选择。

例如，对于一个小型的物联网项目，团队成员技术水平有限，预算也比较紧张，可以选择一些开源的、操作简单的工具，如JMeter进行性能测试，Selenium进行自动化测试。而对于大型的、复杂的物联网项目，可能需要购买商业工具，如HP LoadRunner进行性能测试，IBM Rational Test Workbench进行功能测试。

12. 测试环境与工具的协同工作

测试环境和工具需要协同工作，才能发挥最大的效果。以下是一些协同工作的要点：

• 环境配置 ：确保测试环境的配置与工具的要求相匹配，如操作系统版本、数据库类型等。
• 数据共享 ：工具之间应能够共享测试数据，避免重复输入和数据不一致的问题。
• 自动化集成 ：将工具集成到自动化测试流程中，实现测试的自动化执行和结果分析。

例如，在一个物联网系统的测试中，可以使用Jenkins作为自动化构建和测试的工具，将不同的测试工具（如性能测试工具、安全测试工具）集成到Jenkins的流水线中，实现测试的自动化执行。同时，使用数据库管理工具将测试数据存储在数据库中，供不同的工具共享和使用。

13. 持续改进测试环境与工具

物联网系统不断发展和变化，测试环境和工具也需要持续改进。以下是一些持续改进的方法：

• 收集反馈 ：定期收集测试人员和开发人员的反馈，了解他们在使用测试环境和工具过程中遇到的问题和需求。
• 技术研究 ：关注行业内的新技术和新工具，评估其是否适合应用到项目中。
• 定期评估 ：定期对测试环境和工具进行评估，发现问题及时解决，优化其性能和功能。

例如，团队可以每月组织一次反馈会议，收集大家的意见和建议。同时，安排专人关注行业动态，及时发现新的技术和工具。每季度对测试环境和工具进行一次全面评估，根据评估结果进行改进。

14. 总结

物联网系统的测试是一个复杂而重要的过程，涉及到多种测试环境和工具。从硬件仿真器到安全测试沙箱，从混沌工程到各种标准工具，每个环节都对确保物联网系统的质量和安全性起着关键作用。

在实际项目中，需要根据项目的具体情况，合理选择和配置测试环境与工具，确保它们能够协同工作。同时，要持续关注测试环境和工具的改进，以适应物联网系统不断发展的需求。通过综合运用各种测试手段和工具，才能有效地发现和解决问题，为用户提供高质量、安全可靠的物联网产品。

以下是整个物联网测试流程的总结mermaid流程图：

graph LR
    A[硬件仿真与前期准备] --> B[SIL测试环境搭建]
    B --> C[真实世界软件测试]
    C --> D[安全测试沙箱]
    D --> E[混沌工程测试]
    E --> F[工具选择与适配]
    F --> G[测试环境与工具协同]
    G --> H[持续改进]
    H --> I[高质量物联网系统交付]

希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解物联网系统的测试环境和工具，在实际项目中做出更合理的决策。