安全平台通信性能测试技术研究

2019-03-04王一民

铁路通信信号工程技术 2019年1期

左林刘贞王一民

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

安全计算机平台是铁路信号系统的基础，必须满足“故障－安全”原则[1-2]，保证在系统发生故障时不产生危险侧输出。DS6-80地面信号安全平台（简称安全平台）采用二乘二取二架构[3-6]，主要提供通信、安全计算、存储和维护功能，通过EN50126/128/129标准的SIL4级安全认证，满足铁路地面信号控制设备的高可靠性与高安全性的要求，可支持高安全等级要求的关键应用，如城轨地面ZC系统以及大铁RBC、TSRS、CBI等系统[7-9]。

安全平台的结构如图1所示，由完全相同的两系组成。每系负责安全计算的部分采用双CPU实现二取二操作，负责与外部以太网通信的CPU提供7个以太网通道，每个通道最多可配置200个通信连接。每系还通过以太网与维护机相连。

图1 安全平台结构示意图Fig.1 Schematic diagram of safety platform structure

本文介绍一种安全平台通信性能测试系统，将所有测试案例预先设置好，对安全平台的通信性能进行自动化测试。测试结果可作为判定产品是否合格的依据，达到控制产品质量、及时发现问题的目的。

2 测试方法和内容

常见的测试方法主要有白盒测试、黑盒测试、灰盒测试等。白盒测试需要测试者对软件源代码或硬件设计原理图进行分析，从而发现缺陷或错误。黑盒测试将被测对象看作内部结构未知的整体，通过输入数据并查看输出结果以判断是否满足指定的要求。灰盒测试则兼具白盒和黑盒测试的特点。一般来说，白盒测试较为复杂，测试者需要掌握软硬件的具体设计实现过程及测试理论，且测试结果通常不够直观。而黑盒测试的技术门槛低，能够做到自动化测试，并且可以制作丰富的人机交互界面，在方便操作的同时可直观展示出测试结果。为提高测试效率，满足工厂生产过程中的自动化测试要求，本文选取黑盒测试的方式。

安全平台除承担应用的对外通信功能外，还会对应用的输入、输出数据进行安全处理，如系内二取二比较等。只有通过安全处理后，应用才能接收到数据。若平台产生故障，不能正确完成对数据的安全处理，这些数据也会被丢弃，造成丢包，影响应用功能的执行，甚至导致宕机。因此，本文采用丢包率作为衡量安全平台通信性能的最重要指标，不仅指数据在以太网通信传输、发送、接收过程中产生的丢包，还包括因为平台安全处理故障造成的丢包。本测试以丢包率不得高于万分之一作为判定通信性能是否满足要求的阈值。

安全平台之间通过以太网传输数据，而UDP通信本身是不可靠的，故选取TCP方式进行通信。由于TCP传输的是数据流，所以接收处理应当具备数据流的拼包和拆包功能，对于囤包能正确解析，并丢弃接收不完整或产生误码的包。

发送数据时，将通道号、连接号、发送序列号（每次发送后加一）、本包数据的长度、数据内容、本包数据的CRC校验码按指定格式填入每包发送数据中，如图2所示，然后将所有发送数据包组成一个大包并发送。这里的数据内容项仅仅是为满足数据长度而进行的填充，可不关心其具体组成。

图2 发送数据格式Fig.2 Format of transmitting data

接收方的处理流程如图3所示，首先识别出接收数据的通道号和索引号，其次查询缓存中是否有上一周期未接收完整的数据包，如有则尝试进行拼包。若拼包失败，将清除缓存。接着，获取发送数据格式中的数据长度信息，识别是否存在接收不完整的包或囤包。对于接收不完整的包，本周期暂不处理，进行缓存，等待与下一周期接收到的数据拼包。对于囤包，则进行拆分。然后，对数据包进行CRC校验。最后，对通过CRC校验的数据包序列号进行分析，得出丢包率。若小于阈值，则丢包率测试通过。

在编写测试案例时，还应注意结合系统需求，覆盖通信性能的边界值，例如单通道发送接收的连接数和数据量、整体发送接收的连接数和数据量等。

图3 接收数据处理流程Fig.3 Processing flow of receiving data

安全平台双系同时运行时，两系之间存在内部系间通信，使备系能够实时获取主系的状态数据，以保证与主系运行同步。这样当主系发生严重故障时，备系升为主系，接替原主系的功能，使整个安全平台无缝切换。所以除了丢包率以外，系间通信是否正常的信息也需要一并传达给测试者。

3 测试系统简介

测试系统结构如图4所示。由于安全平台为周期运行方式，每隔固定时间对通信数据进行收发处理，因此每次可同时测试两个安全平台，互相作为对方的通信数据输入。这样不仅结构简单，而且进一步提高了测试效率。另外，考虑到铁路信号设备需要进行电磁兼容、高低温、振动等环境实验，为了简化配置并尽量避免辅助测试设备性能对测试结果的影响，不再采用交换机等网络节点设备，安全平台之间采取直连的方式通信。

图4 测试系统结构示意图Fig.4 Schematic diagram of test system structure

将发送接收数据、系间通信等测试案例嵌入运行于安全平台的应用中。平台上电后加载应用，所有测试案例可以自动执行，无需人工干预。测试结果按照指定的格式通过以太网实时传输至上位机，经过解析后在用户界面中呈现，包括系统运行时间和控制模式、各通道接收到的包数及丢包率、系间通道是否正常等。当某通道的丢包率不满足要求时，会以红色背景显示，以提示测试人员。