CN105162649B - 针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法及其系统 - Google Patents

针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其包括：利用虚拟节点方法，将测试设备串入被测网段；利用自开发的网络测试设备对网络测试数据进行发送、接收、过程控制和数据分析；利用第三方网络检测设备负责对发送和接收的测试数据进行同步冗余检测；将两个测试设备产生的测试结果互为参考；利用无源光耦合器对测试数据进行无损一分二处理；将两个测试设备产生的数据同时通过光纤输出给计算机；利用自开发的网络测试设备对发出的每一个测试帧进行唯一性编码，数据回读后定位每一帧。本发明能实现对核电站安全级网络通信设备的性能进行有效测试，达到有效提高测量精度和可信性目的，可有效测量出核电站安全级网络性能。

Description

针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法及其系统
技术领域
本发明涉及核电站安全级网络通信设备性能测试技术领域，尤其涉及一种针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法及其系统。
背景技术
随着核电站数字化仪控系统全面国产化工作的展开，核安全级仪控系统中通信子系统可靠性测试活动的重要性不言而喻。最大限度满足相关行业标准、法律法规要求，并尽量提高测试的准确性和可信度，成为相关从业人员面临的重要课题。
传统的网络测试方法通常采用将网络测试仪表直接串入被测网络的方式对其进行测试。应用于核安全网络测试中则会存在以下问题。
首先，核安全级通信网络为满足一定的信息安全要求，网络中无法串入其他多余的设备(如网络状况与下装时的配置情况不同，系统会自动报警，测试活动也因此无法进行)。其次，其通信协议通常不会完全引用现成的商用网络协议，因此现有的商用网络测试设备很难直接应用于核安全级网络的测试。再次，对于核安全级设备的测试(考虑环境，电磁，SEU，温湿度变化，人为因素等)，由于测试设备本身也存在发生随机性丢包的可能，采用单一测试手段直接得出的测试结果很难具备较高的说服力。无法达到有效提高测量精度和测试可信度的目的。
在实际测量活动过程中除要求拿出准确的测试数据外，还需要对测试设备或测量数据本身的可信性进行证明。因此为达到万无一失，使测量结果更具有说服力的目的，需要找到一套行之有效的方法，提高测试设备对非标准协议网络性能指标测试的可信性。
目前，核电站安全级网络通信设备都是自行开发的专用网络设备，为了网络的安全性,普遍使用自定义的网络通讯协议，虽然采用通用的I SO/OSI标准网络模型，但协议是专有的，无法使用通用的网络测试工具对其进行性能测试。因此必须单独开发针对核电站安全级网络的专用测试工具。
图3的左图为核电站安全级网络通信设备的软件架构，图3的右图为相应的专用测试工具，充分利用核电站安全级网络中通信实现设备，编写针对 性的测试代码，实现测试功能，并输出测试结果。测试工具的引入无需修改被测设备，能自动生成测试数据，以及对测试数据的判断，将判断结果输出。能很方便的测试网络的重包率、丢包率、误码率等性能指标。
传统网络测试方法通常采用SmartBit等市场上常见的网络测试仪，对被测网络发送给定长度，速率，时间间隔的数据包，通过观察被测网络的响应对其性能指标做出判断。
但由于前面提到的受网络通信协议和核电站安全级设备相关法律法规对通信网络特殊要求的限制，通过以上传统测试方法无法有效测量出核电站安全级网络的性能。
综上可知，有必要对现有技术作进一步完善和改进。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种能实现对核电站安全级网络通信设备的性能进行有效测试，达到有效提高测量精度和可行性的目的，可有效测量出核电站安全级网络性能的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法及其系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
上述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其具体包括以下步骤：(1)首先利用虚拟节点方法，将测试设备串入被测网段；(2)利用自开发的网络测试设备对网络测试数据进行发送、接收、过程控制和数据分析；(3)利用第三方网络检测设备负责对发送和接收的测试数据进行同步冗余检测；(4)将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备产生的测试结果互为参考，以防止共因故障；(5)利用无源光耦合器对测试数据进行无损一分二处理，以保证第三方网络检测设备与自开发网络测试设备得到的数据完全一致；(6)将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备产生的数据同时通过光纤输出给计算机，通过计算机对测量结果进行比较、分析和存储；(7)利用自开发的网络测试设备对发出的每一个测试帧进行唯一性编码，数据回读后定位每一帧；同时，将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备采集的测量结果通过计算机进行合理性比对，如不符合一致性将自动报警并终止测试。
所述针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其中：所述步骤(1)的具体方法是，在配置过程将测试设备配置为网络中的一个或多个节点，实际运行过程中所述节点不参与实际业务，只发送和接收一些预先定义好的测试帧。
所述针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其中：所述第三方网络检测设备为基于嵌入式处理器的第三方网络检测设备。
所述针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其中：所述自开发的网络测试设备采用FPGA作为主处理单元。
一种针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统，包括基于FPGA技术的自开发网络测试设备、基于嵌入式处理器的网络检测设备和基于计算机的测试结果比较单元；所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备用于发送和接收测试数据，对接收到的数据进行数据识别和处理，反馈结果给所述基于计算机的测试结果比较单元；所述基于嵌入式处理器的网络检测设备用于识别和比较所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备的发送和接收数据，反馈结果给所述基于计算机的测试结果比较单元；所述基于计算机的测试结果比较单元用于比较所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备和基于嵌入式处理器的网络检测设备的结论是否一致，若不一致，说明其中一个设备出现了随机故障，本次测量结果无效，此时可结束测试，或重新开始新一轮测试。
所述针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统，其中：所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备内部由数据发送单元、数据采集单元、过程控制单元和数据处理单元组成；所述数据发送单元用于在数据发送过程中测试帧的帧头、帧尾、校验部分与通信协议一致，数据段通过编码器给出唯一的编号，作为帧序号，用于对每一个发出的数据帧进行唯一性标志；所述数据采集单元用于采集回收识别测试仪器发出并经过被测设备转发的数据帧，统计接收数据帧数量，统计丢帧数量，记录丢失帧序号，记录时延等；所述过程控制单元用于建立反馈机制，采用二分法控制测试包的发送频率、包长，帧类型等(如：进行吞入量测试过程中，过程控制单元会根据丢包情况采用二分法的方式动态调整发包频率以提高测试精度和效率)，通过帧序号和时间戳方式对数据包进行识别，确保对每一个接收的和丢失的数据包进行唯一性追踪，且时延、系统建立时间、恢复时间测试采用时间戳方式；所述数据处 理单元用于对被测设备反馈回来的数据进行分析和整理(例如：进行吞吐量测试的过程中，数据处理单元负责比较从被测设备接收的数据帧与发出的数据帧是否一致，若接收到的数据帧少于发出的数据帧，则说明有丢帧，并将具体的测试数据记录和上传)。
所述针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统，其中：当所述基于计算机的测试结果比较单元接收到测试数据后(如：丢帧，时延等)，还会同时确认所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备1发出的数据是否有效，如所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备发出的数据本身存在问题，也会终止测试，结果存储，显示输出。
有益效果：
本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法能实现对核电站安全级网络通信设备的性能进行有效测试，采取虚拟站点技术和多样性冗余测试方法，利用随机故障在同一个点重合概率极低的原理，通过多套基于不同工作原理的测试设备同时对被测网络进行观测，从而达到有效提高测量精度和可信性的目的。
同时，本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统结构设计简单、合理，可针对核电站安全级网络的性能指标，包括吞吐量(Throughput)、丢包率(Lost Rate)、时延(Latency)、系统恢复时间(System recovery)、系统复位时间(Reset)等进行有效测试。网络测试设备的测试对象可以是网络中的单个站点，也可以是一个网段(多个节点组成的一段网络)。
附图说明
图1为本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统的结构原理图；
图2为本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统的基于FPGA的自开发网络测试设备的内部逻辑结构图；
图3为本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法中被测设备和测试设备的软件架构；
图4为本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统的数据帧发送方式示意图；
图5为本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统的吞吐量测试的 测量数据示意图(隐去了具体数值)。
具体实施方式
本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，具体包括以下步骤：
(1)首先利用虚拟节点方法，将测试设备串入被测网段；具体方法是，在配置过程将测试设备配置为网络中的一个或多个节点，实际运行过程中该节点不参与实际业务，只发送和接收一些预先定义好的测试帧；
(2)利用自开发的网络测试设备(基于FPGA，即采用FPGA作为主处理单元)对网络测试数据进行发送、接收、过程控制和数据分析；
(3)利用基于嵌入式处理器的第三方网络检测设备负责对发送和接收的测试数据进行同步冗余检测；
(4)将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备产生的测试结果互为参考，可有效防止共因故障；
(5)利用无源光耦合器对测试数据进行无损一分二处理，保证第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备得到的数据完全一致；
(6)将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备产生的数据同时通过光纤输出给计算机，该计算机负责对测量结果进行比较、分析和存储；
(7)利用自开发的网络测试设备对发出的每一个测试帧进行唯一性编码，数据回读后可以轻松定位每一帧；同时，两种测试设备采集的测量结果通过计算机进行合理性比对，如不符合一致性将自动报警并终止测试。
如图1至3所示，本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统，是基于上述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，包括基于FPGA技术的自开发网络测试设备1、基于嵌入式处理器的网络检测设备2和基于计算机的测试结果比较单元3。其中，FPGA技术具有结构简单、速度快、并行处理能力强等优点，近年来广泛应用于通信、工控等数字信号处理相关领域。
该基于FPGA技术的自开发网络测试设备1用于发送和接收测试数据，对接收到的数据进行数据识别和处理，反馈结果给基于计算机的测试结果比较单元3。该基于FPGA技术的网络测试设备1通过与传统测试设备相结合，扬长避短，充分发挥FPGA器件接口丰富，处理速度快和可编程的优势，其 内部由数据发送单元11、数据采集单元12、过程控制单元13和数据处理单元14组成。同时，该基于FPGA技术的自开发网络测试设备1与传统的基于嵌入式处理器的网络测试设备配合使用，可以起到相互校准的作用，由于底层架构的不同，可以最大限度的抵消共因故障对测试结果产生的不良影响。
该基于嵌入式处理器的网络检测设备2用于识别和比较基于FPGA技术的自开发网络测试设备1的发送和接收数据，反馈结果给基于计算机的测试结果比较单元3。其中，该基于嵌入式处理器的网络检测设备2在市场上很常见，相关应用也比较成熟，其结构和原理不在此复述。
该基于计算机的测试结果比较单元3用于比较基于FPGA技术的自开发网络测试设备1和基于嵌入式处理器的网络检测设备2的结论是否一致，若不一致，说明其中一个设备出现了随机故障，本次测量结果无效，此时可结束测试，或重新开始新一轮测试。当基于计算机的测试结果比较单元3接收到丢帧等错误信息后，还会同时确认基于FPGA技术的自开发网络测试设备1发出的数据是否有效，如基于FPGA技术的自开发网络测试设备1发出的数据本身存在问题，也会终止测试，结果存储，显示输出。其中，该基于计算机的测试结果比较单元3只实现简单的测试结果保存、比对、和显示功能，也不过多复述。
该基于FPGA技术的自开发网络测试设备1和基于嵌入式处理器的网络检测设备2分别采取不同的底层架构和逻辑算法，并行使用，可以有效避免基于FPGA技术的自开发网络测试设备1和基于嵌入式处理器的网络检测设备2因自身可靠性不足产生随机故障影响测试结果的精度和可信度。
采用单一测试设备的传统测量方法测量精度通常可以控制在十万分之1的量级范围内，而两套基于不同底层架构和逻辑算法的测量设备，在同一个点出现误码的概率理论上不会超过百亿分之一，可以大大提高测试精度和可信度。
本发明基于FPGA技术的自开发网络测试设备的测试流程如下：
(1)测试激励数据产生
即该数据发送单元11在数据发送过程中测试帧的帧头、帧尾、校验等部分与通信协议一致，数据段通过编码器给出唯一的编号，作为帧序号，用于对每一个发出的数据帧进行唯一性标志。
数据帧的组帧发送周期受过程控制单元控制。数据帧发送方式如图4所示：
发送数据帧总数量(Nt)的计算公式如下：
其中：Ttx为实际发送数据帧时间间隔：Td为测试持续时间(通过软件动态可配置)：Ns为测试设备模拟站点个数；每个站发送的数据包由Nf个帧组成。
接收数据包总数量为Nr，发送数据包总数量为Nt。
当Nr等于Nt时为不丢包；当Nr小于Nt时为有丢包，Nt-Nr即为丢包数。
虚拟站点数据包发送周期为：
其中，Sf为数据包发送间隔参数(通过软件配置)：Fc为发送数据包时钟频率。
实际发送速率(V)为：
其中，L为帧长。
(2)回包收集
即由该数据采集单元12采集回收识别测试仪器发出并经过被测设备转发的数据帧，统计接收数据帧数量，统计丢帧数量，记录丢失帧序号，记录时延。
(3)过程控制
即由过程控制单元13建立反馈机制，采用二分法控制测试包的发送频率，可有效提高测试效率；通过帧序号和时间戳等方式对数据包进行唯一性标注，确保对每一个接收的和丢失的数据包进行唯一性追踪；时延、系统建立时间、恢复时间测试采用时间戳方式。
(4)数据分析和整理
由数据处理单元14对数据进行分析和整理。
如图5是吞吐量测试的测量数据示意图(隐去了具体数值)。
本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法构思合理，流程简单，能实现对核电站安全级网络通信设备的性能进行有效测试，达到有效提高测量精度和可信性目的，可有效测量出核电站安全级网络性能，适于推广与应用。
本发明针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统结构设计简单、合理，可针对核电站安全级网络的性能指标，包括吞吐量、丢包率、时延、系统恢复时间、系统复位时间等进行有效测试。

Claims (7)

1.一种针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其特征在于，所述测试方法具体包括以下步骤：
(1)首先利用虚拟节点方法，将测试设备串入被测网段；
(2)利用自开发的网络测试设备对网络测试数据进行发送、接收、过程控制和数据分析；并且对每一个发出的数据帧进行唯一性标志，对接收的数据进行统计接收数据帧数量，统计丢帧数量，记录丢失帧序号，记录时延，过程控制建立反馈机制，过程控制对每一个接收的和丢失的数据包进行唯一性追踪，然后对数据分析和整理；
(3)利用第三方网络检测设备负责对发送和接收的测试数据进行同步冗余检测；
(4)将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备产生的测试结果互为参考，以防止共因故障；
(5)利用无源光耦合器对测试数据进行无损一分二处理，以保证第三方网络检测设备与自开发网络测试设备得到的数据完全一致；
(6)将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备产生的数据同时通过光纤输出给计算机，通过计算机对测量结果进行比较、分析和存储；
(7)利用自开发的网络测试设备对发出的每一个测试帧进行唯一性编码，数据回读后定位每一帧；同时，将第三方网络检测设备与自开发的网络测试设备采集的测量结果通过计算机进行合理性比对，如不符合一致性将自动报警并终止测试。
2.如权利要求1所述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体方法是，在配置过程将测试设备配置为网络中的一个或多个节点，实际运行过程中所述节点不参与实际业务，只发送和接收一些预先定义好的测试帧。
3.如权利要求1所述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其特征在于：所述第三方网络检测设备为基于嵌入式处理器的第三方网络检测设备。
4.如权利要求1所述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法，其特征在于：所述自开发的网络测试设备采用FPGA作为主处理单元。
5.一种基于权利要求1至4任一所述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试方法的测试系统，其特征在于：所述测试系统包括基于FPGA技术的自开发网络测试设备、基于嵌入式处理器的网络检测设备和基于计算机的测试结果比较单元；
所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备用于发送和接收测试数据，对接收到的数据进行数据识别和处理，反馈结果给所述基于计算机的测试结果比较单元；
所述基于嵌入式处理器的网络检测设备用于识别和比较所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备的发送和接收数据，反馈结果给所述基于计算机的测试结果比较单元；
所述基于计算机的测试结果比较单元用于比较所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备和基于嵌入式处理器的网络检测设备的结论是否一致，若不一致，说明其中一个设备出现了随机故障，本次测量结果无效，此时可结束测试，或重新开始新一轮测试。
6.如权利要求5所述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统，其特征在于：所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备内部由数据发送单元、数据采集单元、过程控制单元和数据处理单元组成；
所述数据发送单元用于在数据发送过程中测试帧的帧头、帧尾、校验部分与通信协议一致，数据段通过编码器给出唯一的编号，作为帧序号，用于对每一个发出的数据帧进行唯一性标志；
所述数据采集单元用于采集回收识别测试仪器发出并经过被测设备转发的数据帧，统计接收数据帧数量，统计丢帧数量，记录丢失帧序号，记录时延；
所述过程控制单元用于建立反馈机制，采用二分法控制测试包的发送频率、包长和帧类型，通过帧序号和时间戳方式对数据包进行唯一性标注，确保对每一个接收的和丢失的数据包进行唯一性追踪，且时延、系统建立时间、恢复时间测试采用时间戳方式；
所述数据处理单元用于对被测设备反馈回来的数据进行分析和整理。
7.如权利要求5所述的针对核电厂安全级网络性能指标的测试系统，其特征在于：当所述基于计算机的测试结果比较单元接收到丢帧错误信息后，还会同时确认所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备1发出的数据是否有效，如所述基于FPGA技术的自开发网络测试设备发出的数据本身存在问题，也会终止测试，结果存储，显示输出。
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