CN104486150B - 一种机载网络数据内容完整性的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载网络数据内容完整性的测试方法，机载网络数据传输过程中需要添加校验算法满足完整性要求，但校验算法性能各不相同，所使用的校验算法能否满足系统需求，仅在设计层面保证是不够的。本发明从测试角度出发，针对传输数据中的关键数据，根据不同错误模式和传输数据内容分类，分别构造测试场景并进行大量测试，最终给出了校验算法是否满足机载网络数据内容完整性要求的结论。本发明定量给出测试的未检测错误结果，保证了测试结论的科学性和可信度，为数据内容完整性的适航认证提供了有利证明。

Description

一种机载网络数据内容完整性的测试方法

技术领域

本发明用于机载网络通信技术领域，涉及机载网络数据传输和存储过程中内容完整性的测试方法。

背景技术

网络化是机载系统发展的必然趋势。除航电任务系统外，我国新一代飞机的机电和飞控等涉及飞行安全的关键控制系统也采用了网络化结构，机载网络的失效将直接影响飞行安全，机载网络成为机载系统的关键部件，必须满足适航认证的最高等级(A级)要求，失效率必须达到1E-9每飞行小时。

为保证飞机的安全性，必须保证传输和存取数据的内容完整性。飞机的安全性指标要求，会向下分解到各个机载系统的完整性指标，因此机载网络的数据内容完整性也会分解到指标要求。为保证机载网络的数据内容完整性，需在设计和测试阶段均加以保证。在设计阶段可以通过一定算法确定在数据传输和存储中需要使用的校验算法，保证飞机的安全性要求。但在测试阶段，目前没有完整的测试方法来测试数据内容完整性，无法获取相应的测试结果。测试数据的缺失导致不能验证数据未检测错误概率是否符合系统需求，无法证明数据内容完整性是否达到适航要求，使得适航认证缺少支撑材料。

发明内容

为验证机载网络数据内容完整性是否达到适航要求，本发明提出一种机载网络数据内容完整性的测试方法，通过大量测试定量给出传输数据内容完整性的未检测错误概率，从测试角度得出该机载网络校验算法是否满足系统需求的结论，保证飞机安全性指标。

本发明的目的：建立满足系统安全性需求的机载网络数据内容完整性测试方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种机载网络数据内容完整性的测试方法，其特殊之处在于：

所述测试方法所采用的机载网络数据内容的未检测错误概率为F1；

测试方法包括以下步骤，

1】确定被测数据包存在的错误模式：被测数据包存在的错误模式包括位跳变、突发错误、位滑动和独立随机错误；

位跳变：数据包中只有一位发生跳变；

突发错误：在数据包的某一部分发生两个或多个位错误；

位滑动；在数据包中某一位数据被复制或删除；

每种错误模式在正常条件下出现的概率为P_i；

2】根据被测数据包0和1出现的比率，构造第一数据包；

3】根据机载网络采用的校验算法，计算第一数据包的校验字，然后将校验字添加到数据包中，构造成第二数据包；

4】构造第二数据包对应的错误数据包，所述错误数据包包括位跳变错误数据包、突发错误错误数据包、位滑动错误数据包和独立随机错误错误数据包四种错误模式的数据包；或者所述错误数据包包括位跳变错误数据包、突发错误错误数据包和位滑动错误数据包三种错误模式的数据包；

5】根据机载网络采用的校验算法对错误数据包进行检验，若未检测出错误则该错误模式的未检测错误个数加1，重复步骤2】至步骤4】多次，根据未检测错误个数和步骤4】中错误数据包个数的比值，得到未检测错误概率K_i，则正常条件下该错误模式出现的未检测错误概率F_i＝K_i*P_i，将每种错误模式在正常条件下的未检测错误概率F_i相加，得到错误数据包的未检测错误概率F＝∑F_i；

若F≤F1，则该机载网络采用的校验算法合格，校验算法能够满足机载网络数据内容完整性要求，

若F＞F1，则该机载网络采用的校验算法不合格，重新选择校验算法，重复步骤3】至步骤5】，直到F≤F1，则完成测试。

上述步骤4】中每种错误模式的数据包有多个。

位跳变错误数据包的错误数据发生在数据字或校验字；

突发错误错误数据包的错误数据发生在数据字、或发生在校验字、或同时发生在数据字与校验字；

位滑动错误数据包的错误数据发生在数据字或校验字；

独立随机错误错误数据的错误数据包发生在数据字、或发生在校验字、或同时发生在数据字与校验字。

上述步骤4】中每种错误模式的错误数据发生在关键数据，关键数据是数据包中的非填充数据。

本发明具有以下技术效果：

本发明提出的机载网络数据内容完整性测试方法，将错误模式分类，并区分数据字和校验字错误，根据校验算法的特点全面覆盖了测试需求，从测试角度保证了机载网络数据内容完整性，为飞机的整机安全性指标提供了保障，为适航认证提供了支撑数据。

附图说明

图1是机载网络校验算法的选择方法；

图2是错误模式示意图；

图3是数据字和校验字错误。

具体实施方式

本发明提出一种机载网络数据内容完整性的测试方法，

该测试方法所采用的机载网络数据内容的未检测错误概率为F1；

测试方法包括以下步骤，

1】确定被测数据包存在的错误模式：被测数据包存在的错误模式包括位跳变、突发错误、位滑动和独立随机错误；

位跳变：数据包中只有一位发生跳变；

突发错误：在数据包的某一部分发生两个或多个位错误；

位滑动；在数据包中某一位数据被复制或删除；

独立随机错误即所有错误位之间没有关联，所有位根据误码率平等发生错误；

每种错误模式在正常条件下出现的概率为P_i；

2】根据被测数据包0和1出现的比率，构造第一数据包，

3】根据机载网络采用的校验算法，计算第一数据包的校验字，然后将校验字添加到数据包中，构造成第二数据包；

4】构造第二数据包对应的错误数据包，所述错误数据包包括位跳变错误数据包、突发错误错误数据包、位滑动错误数据包和独立随机错误错误数据包四种错误模式的数据包；或者所述错误数据包包括位跳变错误数据包、突发错误错误数据包和位滑动错误数据包三种错误模式的数据包；

其中，位跳变错误数据包的错误数据发生在数据字或校验字；

突发错误错误数据包的错误数据发生在数据字、或发生在校验字、或同时发生在数据字与校验字；

位滑动错误数据包的错误数据发生在数据字或校验字；

独立随机错误错误数据的错误数据包发生在数据字、或发生在校验字、或同时发生在数据字与校验字。

5】根据机载网络采用的校验算法对错误数据包进行检验，若未检测出错误则该错误模式的未检测错误个数加1，重复步骤2】至步骤4】多次，根据未检测错误个数和步骤4】中错误数据包个数的比值，得到未检测错误概率K_i，则正常条件下该错误模式出现的未检测错误概率F_i＝K_i*P_i，将每种错误模式在正常条件下的未检测错误概率F_i相加，得到错误数据包的未检测错误概率F＝∑F_i；

若F≤F1，则该机载网络采用的校验算法合格，校验算法能够满足机载网络数据内容完整性要求，

若F＞F1，则该机载网络采用的校验算法不合格，重新选择校验算法，重复步骤3】至步骤5】，直到F≤F1，则完成测试。

步骤4】中每种错误模式的数据包有多个。在保证错误数据包内容不重复的基础上，每种错误模式的错误数据包的数量越多越好，保证了更客观的检测结果。

步骤4】中每种错误模式的错误数据发生在关键数据，关键数据是是用户通过网络传输的数据，用户关心的、影响应用的数据，即数据包中的非填充数据，为数据包内容的一部分。仅测试关键数据可提高测试效率，减少不必要的校验算法性能要求，从而减少机载网络在数据内容完整性上的计算开销。

本发明针对关键数据传输或存储过程中存在的错误模式，以及机载网络使用的校验算法的特性，通过恶化场景测试，分别构造大量测试用例进行测试，将该测试结果经过一定计算得出数据内容的未检测错误概率，比较该概率与系统分配的数据内容完整性指标，得出该校验算法是否满足系统需求的结论。

关键数据，是指传输或存储过程中影响系统功能或安全性的数据，不包含填充的数据。

有些校验算法的检错性能与数据字的数值有关，因此系统中数据值的分布也是测试中需要考虑的问题。数据值应通过分析系统需求来按实际分布设置，而不应将0或1直接按照50％处理，避免由于数值分布问题带来测试的偏差。

在正常条件下，数据错误出现的概率很低，尤其对于添加校验算法以后，若要测试校验算法失效的情况，几乎为不可能。通过系统设计阶段的分析可知，在误码率BER确定的情况下，某种错误模式出现的概率是可以准确计算的。因此通过构造大量错误场景，获取在该错误模式下未检测错误的概率，通过计算得出正常条件下的未检测错误概率，具体算法如下文所述。

对于一个M位、包括N位关键数据的编码字，分析其错误模式，对于其存在的每一种错误模式，构造大量测试数据来测试其未检测错误概率K_i。根据系统设计阶段得出的系统在正常运行情况下发生错误的概率P_i，可计算在正常场景下该错误模式的未检测错误概率为F_i＝K_i*P_i。该系统的未检测错误概率为所有错误模式的未检测概率之和，即F＝∑F_i，将计算得出的该系统未检测错误概率，与系统设计阶段得到的数据内容完整性指标相比较，若该未检测错误概率小于等于指标要求，则校验算法符合系统要求；若未检测错误概率大于指标要求，说明该校验算法不满足系统需求，需重新选取性能更高的校验算法。

验证本发明机载网络采用的校验算法的原理：

针对设计阶段分析得出的N位关键数据，以及被测数据存在的错误模式，分类随机构造大量错误数据包进行测试，分别获取不同错误模式在测试场景下的未检测错误概率K_i。在正常环境下该类错误出现的概率为P_i，因此该类错误在正常场景下的未检测错误概率F_i＝K_i*P_i。根据系统存在的错误模式，将每种错误模式在正常条件下的未检测错误概率相加，得出最终的未检测错误概率为F＝∑F_i。比较测试结果F和设计中要求机载网络达到的数据内容完整性指标，从测试角度得出该校验算法是否满足系统需求的结论。

为保证民航飞行安全，美国联邦航空管理局(FAA)在AC-25.1309中规定了飞机整体的安全性指标，即飞机发生灾难性故障的概率为每飞行小时不超过1e-9。在飞机研制周期中需要将系统整体的安全性指标自顶向下分解到各个组件。机载网络作为整个系统的重要组成部分，也分配了完整性指标。为保证机载网络数据内容完整性，需要选择合适的校验算法，校验算法的选择方法如图1所示。

从设计层面选择的校验算法能否在实际环境中满足数据内容完整性要求，需要最终的测试数据支持。

机载网络中传输和存储的数据并不一定全是关键数据，有些数据只是补足数据包最小长度的填充位，这些数据的对错无论对系统功能还是安全性均不产生影响，我们称之为非关键数据。在本发明的测试方法中，只关注影响系统功能和安全的关键数据。

关键数据在传输和存取数据过程中出现的错误模式的不同会影响校验算法的检错效果，因此需将各种错误进行分类测试，具体错误模式如图2所示。本发明研究的错误模式包括位跳变、突发错误、位滑动和独立随机错误。

测试过程中不仅要考虑数据存在的错误模式，还要考虑发生错误的位置。一个数据包是由一个数据字和相应的错误编码方法计算结果(即帧校验序列(FCS)，本文简称校验字)的串联。数据字和校验字发生错误的检错概率是不同的，因此需要区分测试。测试分为数据字发生错误，校验字发生错误以及两者均发生错误，如图3所示。

本发明要求的测试环境包括测试发生器和测试检测器，发生器和检测器运行在同一计算平台上，发生器构造待测数据包，检测器校验并记录测试数据包总数与未检测错误个数，计算最终的未检测错误概率，并根据规定要求的未检测错误概率，给出该校验算法是否满足要求的结论。

Claims (4)

1.一种机载网络数据内容完整性的测试方法，其特征在于：

所述测试方法所采用的机载网络数据内容的未检测错误概率为F1；

测试方法包括以下步骤，

1】确定被测数据包存在的错误模式：被测数据包存在的错误模式包括位跳变、突发错误、位滑动和独立随机错误；

位跳变：数据包中只有一位发生跳变；

突发错误：在数据包的某一部分发生两个或多个位错误；

位滑动；在数据包中某一位数据被复制或删除；

每种错误模式在正常条件下出现的概率为P_i；

2】根据被测数据包0和1出现的比率，构造第一数据包；

3】根据机载网络采用的校验算法，计算第一数据包的校验字，然后将校验字添加到数据包中，构造成第二数据包；

4】构造第二数据包对应的错误数据包，所述错误数据包包括位跳变错误数据包、突发错误错误数据包、位滑动错误数据包和独立随机错误错误数据包四种错误模式的数据包；或者所述错误数据包包括位跳变错误数据包、突发错误错误数据包和位滑动错误数据包三种错误模式的数据包；

5】根据机载网络采用的校验算法对错误数据包进行检验，若未检测出错误则该错误模式的未检测错误个数加1，重复步骤2】至步骤4】多次，根据未检测错误个数和步骤4】中错误数据包个数的比值，得到未检测错误概率K_i，则正常条件下该错误模式出现的未检测错误概率F_i＝K_i*P_i，将每种错误模式在正常条件下的未检测错误概率F_i相加，得到错误数据包的未检测错误概率F＝∑F_i；

若F≤F1，则该机载网络采用的校验算法合格，校验算法能够满足机载网络数据内容完整性要求，

若F＞F1，则该机载网络采用的校验算法不合格，重新选择校验算法，重复步骤3】至步骤5】，直到F≤F1，则完成测试。

2.根据权利要求1所述的机载网络数据内容完整性的测试方法，其特征在于：所述步骤4】中每种错误模式的数据包有多个。

3.根据权利要求1或2所述的机载网络数据内容完整性的测试方法，其特征在于：位跳变错误数据包的错误数据发生在数据字或校验字；

突发错误错误数据包的错误数据发生在数据字、或发生在校验字、或同时发生在数据字与校验字；

位滑动错误数据包的错误数据发生在数据字或校验字；

独立随机错误错误数据的错误数据包发生在数据字、或发生在校验字、或同时发生在数据字与校验字。

4.根据权利要求3所述的机载网络数据内容完整性的测试方法，其特征在于：所述步骤4】中每种错误模式的错误数据发生在关键数据，关键数据是数据包中的非填充数据。