基于约束的预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法

摘要

本发明涉及一种基于约束的预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法，首先，从IMA平台网络获取网络配置信息和网络特性信息，并根据这些信息，初始化时间戳T

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于约束的预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法，利用基于约束的方法为事先配置完毕的IMA平台网络生成通信调度数据。

背景技术

综合模块化航空电子(Integrated Modular Avionics,IMA)系统架构采用开放式体系架构、统一的机载数据网络交换技术、I/O布局和综合信息管理，能实现物理综合和功能综合，以及资源的高度共享。现役民用飞机中，使用IMA系统的主要有B777、B787和空客A380，未来使用IMA系统将是民用飞机的发展趋势。为保障民用飞机的安全运行，必须针对整个IMA系统进行测试，确保该系统的功能、性能满足适航要求。针对IMA系统的测试包括硬件测试、软件测试以及集成测试，其中IMA系统的网络集成测试，主要是通过对IMA平台网络的通信流进行测试来实现，如果在测试平台已经配置完毕的情况下对IMA平台网络通信流进行测试，可通过开发测试应用、测试规范(包括控制规范和评估规范)来实现。首先，生成离线测试数据，测试应用和测试规范主要用于理解并执行所生成的离线测试数据，即通信调度数据。因此，离线通信调度数据的生成是IMA平台网络集成测试的重要基础，为IMA系统集成测试提供了重要的理论和数据支持。

目前，测试数据的生成方法主要分为两大类，即手动生成和自动生成方法。由于现代民用飞机航电系统具有高度的物理综合、功能综合以及资源共享，因此，依照手动生成该复杂系统的测试数据是不现实的。关于测试数据自动生成方法已有一些研究成果，主要有基于搜索的测试数据自动生成架构用于解决安全关键性等级软件系统的测试数据生成[1]、基于模型检查自动生成测试用例的方法[2]、基于启发式搜索的测试数据自动生成算法[3]以及改进的边界测试数据选取算法[4]等。而国内关于IMA系统通信调度数据自动生成算法的研究比较少，仅有中国民航大学的孙毅刚教授课题组提出的基于递归算法的通信调度数据自动生成算法[5]。

[1]Nigel James Tracey.A Search-Based Automated Test-Data Generation Framework for Safety-Critical Software[D].Toronto:University of York,September 2000.

[2]曹爽.航空软件测试用例自动生成方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2010。

[3]刘嘉玥.基于启发式搜索的软件测试数据的自动生成[D].天津：天津大学，2012。

[4]毛颖.测试用例自动生成系统研究与实现[D].成都：电子科技大学，2007。

[5]李浩.IMA平台网络的通信调度数据自动生成方法研究[D]，天津：中国民航大学，2016。

由测试原理可知，如何自动生成充分的、有效的、可行的通信调度数据对最终的IMA平台网络集成测试具有非常重要的影响，同时，为了提高测试效率应在保障测试效果的基础上尽可能缩小通信调度测试数据集，提高测试效率。现有通信调度数据自动生成方法并没有给出如何缩小通信调度数据的数学描述，可能导致生成的测试数据不足以完全代表一类测试状态，进而影响测试效果的完备性。

发明内容

本发明的目的在于定义一种具有严谨数学描述的约束函数，提出一种基于约束的通信调度数据自动生成方法，为预配置完毕的IMA平台网络生成充分的、具有代表性的测试数据集，提高IMA平台网络集成测试效率，保障测试效果的精确性以及完备性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于约束的预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法，利用基于约束的方法为事先配置完毕的IMA平台网络生成通信调度数据，其特征在于，包括下列步骤：

(1)首先，从IMA平台网络获取网络配置信息和网络特性信息，其中，网络配置信息包括IMA平台网络内的模块、分区、端口、端口类型、端口连接形式、主时间框架、队列长度、调度方式，网络特性信息包括最差情况下的硬件延时、最差情况下的软件延时，并根据这些信息，初始化时间戳T_s＝0；

(2)当时间戳T_s从0不断增加到设定长度L_s(L_s＞0)的过程时，在当前时间戳T_s＝k处，不考虑通信调度行为是否合理，生成各个端口上的通信调度行为数据，保证在每个时间戳处所生成的通信调度数据集的完整性；

(3)在当前时间戳T_s＝k处，采用具有解析形式表述的约束函数将上述完整的通信调度行为数据集中不合理的数据删除，其中，约束函数分为2类，即采样端口约束和队列端口约束，具体表述如下：

采样端口约束：

约束1：存在一个从采样端口读取数据的通信行为READ_PORT，而相应通信链路上没有WRITE_PORT，此时传输信息将被覆盖，该约束可表示为：

其中，表示时间戳为k-1时的通信行为数量；P_iA_jS_m表示模块P_i上的分区A_j内的第m个采样端口；P_kA_fS'_m表示模块P_k上的分区A_f内的与P_iA_jS_m相连的采样端口；W(·)和R(·)分别表示WRITE_PORT和READ_PORT通信行为；

约束2：存在一个从采样端口读取数据的通信行为READ_PORT，而相应通信链路上没有WRITE_PORT或者时间间隔不足以完成信息传输，该约束可表示为：

其中，T_i表示当前通信调度行为与之前通信调度行为之间的时间间隔；WCSL(·)表示最差情况下的端口软件延时；WCT表示最差情况下的网络传输延时；WCHL表示最差情况下的硬件延时；

队列端口约束：

约束3：存在一个向队列端口写数据的通信行为WRITE_PORT，而WRITE_PORT行为数量已达到最大队列长度，该约束可表示为：

其中，P_iA_jQ_m表示模块P_i上的分区A_j内的第m个队列端口；P_kA_fQ'_m表示模块P_k上的分区A_f内的与P_iA_jS_m相连的采样端口；Max_QL表示最大队列长度；

约束4：存在一个从队列端口读取数据的通信行为READ_PORT，而相应端口没有更多的WRITE_PORT行为，或者WRITE_PORT行为时间短于消息传输时间，该约束可表示为：

(4)令T_s＝k+1，随着时间戳的增加，重复(2)、(3)，扩展前一时间戳中获得的通信调度数据集，最终获取设定长度L_s下的通信调度数据集；

相比于无约束的情况，通过基于约束的预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法可以大大减小所生成的通信调度数据量，提高IMA平台网络通信调度测试效率。

本发明的有益效果是：

(1)定义了IMA平台网络通信调度数据自动生成过程中约束的解析表达形式。

(2)为IMA平台网络生成有效、可行、完备的通信调度流数据。

(3)本发明的IMA平台网络通信调度测试数据自动生成算法为国内在IMA系统测试方面的有益探讨，对于民用飞机航电系统自主设计、开发、测试验证具有重要意义。

(4)利用已经配置完毕的IMA平台网络作为研究对象，采用基于约束的方法生成通信调度数据，可以有效减少通信调度测试数据量。

附图说明

图1为本发明预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法流程图；

图2为本发明IMA平台网络连接框图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于约束的预配置IMA平台网络通信调度数据生成方法，利用已经配置完毕的IMA平台网络作为研究对象，采用基于约束的方法生成通信调度数据，包括下列步骤：

(1)首先，从IMA平台网络获取网络配置信息和网络特性信息，其中，网络配置信息包括IMA平台网络内的模块、分区、端口、端口类型、端口连接形式、主时间框架、队列长度、调度方式等，网络特性信息包括最差情况下的硬件延时、最差情况下的软件延时等，并根据这些信息，初始化时间戳T_s＝0。

(2)当时间戳T_s从0不断增加到设定长度L_s(L_s＞0)的过程时，在当前时间戳T_s＝k处，不考虑通信调度行为是否合理，生成各个端口上的通信调度行为数据，保证在每个时间戳处所生成的通信调度数据集的完整性。

(3)在当前时间戳T_s＝k处，采用具有解析形式表述的约束函数将上述完整的通信调度行为数据集中不合理的数据删除，其中，约束函数分为2类，即采样端口约束和队列端口约束，具体表述如下：

采样端口约束：

约束1：存在一个从采样端口读取数据的通信行为READ_PORT，而相应通信链路上没有WRITE_PORT，此时传输信息将被覆盖，该约束可表示为：

其中，表示时间戳为k-1时的通信行为数量；P_iA_jS_m表示模块P_i上的分区A_j内的第m个采样端口；P_kA_fS'_m表示模块P_k上的分区A_f内的与P_iA_jS_m相连的采样端口；W(·)和R(·)分别表示WRITE_PORT和READ_PORT通信行为。

约束2：存在一个从采样端口读取数据的通信行为READ_PORT，而相应通信链路上没有WRITE_PORT或者时间间隔不足以完成信息传输，该约束可表示为：

其中，T_i表示当前通信调度行为与之前通信调度行为之间的时间间隔；WCSL(·)表示最差情况下的端口软件延时；WCT表示最差情况下的网络传输延时；WCHL表示最差情况下的硬件延时。

队列端口约束：

约束3：存在一个向队列端口写数据的通信行为WRITE_PORT，而WRITE_PORT行为数量已达到最大队列长度，该约束可表示为：

其中，P_iA_jQ_m表示模块P_i上的分区A_j内的第m个队列端口；P_kA_fQ'_m表示模块P_k上的分区A_f内的与P_iA_jS_m相连的采样端口；Max_QL表示最大队列长度。

约束4：存在一个从队列端口读取数据的通信行为READ_PORT，而相应端口没有更多的WRITE_PORT行为，或者WRITE_PORT行为时间短于消息传输时间，该约束可表示为：

(4)令T_s＝k+1，随着时间戳的增加，重复(2)、(3)，扩展前一时间戳中获得的通信调度数据集，最终获取设定长度L_s下的通信调度数据集。

假设有图2所示的IMA平台网络，其由相互独立的两个IMA模块组成，其中，模块A中配置有两个分区，即分区A1、A2，每个分区均包含有两个端口，两个端口的类型分别为采样(SP)和队列(QP)两种模式，分区A1、A2内端口的连接方式属于跨模块的分区间通信。模块B有2个分区B1、B2，B1、B2上各有两个端口，类型分别为采样(SP)和队列(QP)两种模式，分区B1、B2内端口的连接方式属于跨模块的分区间通信。如表1所示，该IMA平台网络配置信息如下：包含两个模块A、B，其中模块A有分区A1、A2，主时间框架为4个时间片，p1端口为队列端口，p2端口为采样端口，分区A1、A2的激活顺序是按照时间轮询的方式(先A1后A2)，分区A1、A2的调度时间均为2个时间片；模块B有2个分区B1、B2，主时间框架为4个时间片，B1p1、B2p2为队列端口，B1p2、B2p1为采样端口，分区B1、B2的激活顺序是按照时间轮询的方式(先B1后B2)，分区B1、B2的调度时间均为2个时间片。表1第2列给出了IMA平台网络性能信息，即各个分区上的端口的最差软件延时、最差硬件延时，对应端口连接的传输延时，单位为时间片。

为了验证本发明的效益，针对图2所示的IMA平台网络和表1所示的配置及特性信息，本发明自动生成了相应的通信调度数据集，由于篇幅所限，仅给出表2所示的通信调度数据(时间戳长度为3)，表2给出的通信调度行为是只考虑各模块的处理器一直处于工作状态，即没有考虑处理器空闲时间，剔除掉处理器空闲时间所得的结果。

表1IMA平台示例网络的信息

表2当S_C0＝W(A1p1)时生成的通信调度数据

表3有无约束情况下的通信调度数据量的比较

为了验证本发明的效果，表3给出了在不同时间戳长度下的通信调度数据量。由表3可知，在不同时间戳长度L_S下，有约束时所生成的通信调度数量大大少于无约束时，并且当时间戳长度较长时，该优势更加显著。