安全平臺通信性能測試技術研究

左 林 劉 貞 王一民

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

安全計算機平臺是鐵路信號系統的基礎，必須滿足“故障－安全”原則[1-2]，保證在系統發生故障時不產生危險側輸出。DS6-80地面信號安全平臺（簡稱安全平臺）采用二乘二取二架構[3-6]，主要提供通信、安全計算、存儲和維護功能，通過EN50126/128/129標準的SIL4級安全認證，滿足鐵路地面信號控制設備的高可靠性與高安全性的要求，可支持高安全等級要求的關鍵應用，如城軌地面ZC系統以及大鐵RBC、TSRS、CBI等系統[7-9]。

安全平臺的結構如圖1所示，由完全相同的兩系組成。每系負責安全計算的部分采用雙CPU實現二取二操作，負責與外部以太網通信的CPU提供7個以太網通道，每個通道最多可配置200個通信連接。每系還通過以太網與維護機相連。

圖1 安全平臺結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of safety platform structure

本文介紹一種安全平臺通信性能測試系統，將所有測試案例預先設置好，對安全平臺的通信性能進行自動化測試。測試結果可作為判定產品是否合格的依據，達到控制產品質量、及時發現問題的目的。

2 測試方法和內容

常見的測試方法主要有白盒測試、黑盒測試、灰盒測試等。白盒測試需要測試者對軟件源代碼或硬件設計原理圖進行分析，從而發現缺陷或錯誤。黑盒測試將被測對象看作內部結構未知的整體，通過輸入數據并查看輸出結果以判斷是否滿足指定的要求。灰盒測試則兼具白盒和黑盒測試的特點。一般來說，白盒測試較為復雜，測試者需要掌握軟硬件的具體設計實現過程及測試理論，且測試結果通常不夠直觀。而黑盒測試的技術門檻低，能夠做到自動化測試，并且可以制作豐富的人機交互界面，在方便操作的同時可直觀展示出測試結果。為提高測試效率，滿足工廠生產過程中的自動化測試要求，本文選取黑盒測試的方式。

安全平臺除承擔應用的對外通信功能外，還會對應用的輸入、輸出數據進行安全處理，如系內二取二比較等。只有通過安全處理后，應用才能接收到數據。若平臺產生故障，不能正確完成對數據的安全處理，這些數據也會被丟棄，造成丟包，影響應用功能的執行，甚至導致宕機。因此，本文采用丟包率作為衡量安全平臺通信性能的最重要指標，不僅指數據在以太網通信傳輸、發送、接收過程中產生的丟包，還包括因為平臺安全處理故障造成的丟包。本測試以丟包率不得高于萬分之一作為判定通信性能是否滿足要求的閾值。

安全平臺之間通過以太網傳輸數據，而UDP通信本身是不可靠的，故選取TCP方式進行通信。由于TCP傳輸的是數據流，所以接收處理應當具備數據流的拼包和拆包功能，對于囤包能正確解析，并丟棄接收不完整或產生誤碼的包。

發送數據時，將通道號、連接號、發送序列號（每次發送后加一）、本包數據的長度、數據內容、本包數據的CRC校驗碼按指定格式填入每包發送數據中，如圖2所示，然后將所有發送數據包組成一個大包并發送。這里的數據內容項僅僅是為滿足數據長度而進行的填充，可不關心其具體組成。

圖2 發送數據格式Fig.2 Format of transmitting data

接收方的處理流程如圖3所示，首先識別出接收數據的通道號和索引號，其次查詢緩存中是否有上一周期未接收完整的數據包，如有則嘗試進行拼包。若拼包失敗，將清除緩存。接著，獲取發送數據格式中的數據長度信息，識別是否存在接收不完整的包或囤包。對于接收不完整的包，本周期暫不處理，進行緩存，等待與下一周期接收到的數據拼包。對于囤包，則進行拆分。然后，對數據包進行CRC校驗。最后，對通過CRC校驗的數據包序列號進行分析，得出丟包率。若小于閾值，則丟包率測試通過。

在編寫測試案例時，還應注意結合系統需求，覆蓋通信性能的邊界值，例如單通道發送接收的連接數和數據量、整體發送接收的連接數和數據量等。

圖3 接收數據處理流程Fig.3 Processing flow of receiving data

安全平臺雙系同時運行時，兩系之間存在內部系間通信，使備系能夠實時獲取主系的狀態數據，以保證與主系運行同步。這樣當主系發生嚴重故障時，備系升為主系，接替原主系的功能，使整個安全平臺無縫切換。所以除了丟包率以外，系間通信是否正常的信息也需要一并傳達給測試者。

3 測試系統簡介

測試系統結構如圖4所示。由于安全平臺為周期運行方式，每隔固定時間對通信數據進行收發處理，因此每次可同時測試兩個安全平臺，互相作為對方的通信數據輸入。這樣不僅結構簡單，而且進一步提高了測試效率。另外，考慮到鐵路信號設備需要進行電磁兼容、高低溫、振動等環境實驗，為了簡化配置并盡量避免輔助測試設備性能對測試結果的影響，不再采用交換機等網絡節點設備，安全平臺之間采取直連的方式通信。

圖4 測試系統結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of test system structure

將發送接收數據、系間通信等測試案例嵌入運行于安全平臺的應用中。平臺上電后加載應用，所有測試案例可以自動執行，無需人工干預。測試結果按照指定的格式通過以太網實時傳輸至上位機，經過解析后在用戶界面中呈現，包括系統運行時間和控制模式、各通道接收到的包數及丟包率、系間通道是否正常等。當某通道的丟包率不滿足要求時，會以紅色背景顯示，以提示測試人員。

4 測試結果

在一次測試中，各通道的連接數及數據量配置如表1所示。經過5 h的測試，結果如圖5所示，各通道的丟包率均在萬分之一以下，且系間通信正常，因此測試通過。

表1 測試配置Tab. 1 Test configuration

圖5 測試結果Fig.5 Test results

5 總結

介紹了一種安全平臺通信性能測試系統，對安全平臺的丟包率進行自動化測試，結果可作為判定產品是否合格的依據，并達到控制產品質量、及時發現問題的目的。