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基于故障注入的安全計算機通信總線測試方法研究

文檔作者：邱澤宇曹源馬連川文檔來源：北京交通大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月13日
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RCA 2 0 1 7 . 8總第2 4 5期 1
安全計算機作為鐵路系統(tǒng)中核心的安全設備，
主要保證和實現(xiàn)信號系統(tǒng)的安全性、可靠性，并在
系統(tǒng)發(fā)生故障時導向安全，避免造成人員傷亡[1]。傳
統(tǒng)的安全計算機的測試方法只是對安全計算機進行
功能測試[2-3]，無法測量現(xiàn)實中在特殊環(huán)境下設備的
反應。故障注入測試通過人為的方式將故障注入到目
標系統(tǒng)中，可以模擬實際環(huán)境中的突發(fā)故障，加速軟
硬件失效[4]。
本文針對安全計算機內(nèi)部的通信總線進行故障
注入，注入層次可以分為物理層和鏈路層。分析總
線開發(fā)中出現(xiàn)過和可能出現(xiàn)的錯誤，提出對應的故
障注入測試方案，在實驗室的安全計算機平臺上進
行故障注入實驗，對測試方案進行驗證。
1 通信總線故障類型
根據(jù)以往安全計算機通信總線測試的經(jīng)驗[5]，對
通信總線出現(xiàn)的故障進行分析，總線故障主要分為通
信故障、時鐘故障、寄存器故障等。文章從故障類型、
故障位置、故障持續(xù)時間和故障注入時刻等方面進
行分析，針對不同故障，設計不同的故障方案。
1.1 通信故障
通信故障主要指總線數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)的故障。
通信故障包括消息丟失、消息延遲、數(shù)據(jù)幀錯誤等，
故障的發(fā)生可以是單個故障或多個故障的集合，發(fā)
生的位置主要在總線的數(shù)據(jù)信號線。通信故障可以
分為瞬時、間歇、永久性故障，瞬時故障是指測試
中只注入一次的故障；間歇性故障是在一定的周期
內(nèi)重復注入，重復性可以制定注入間隔，如正態(tài)分布、
平均分布、指數(shù)分布、二項式分布等；永久性故障也
文章編號：1005-8451（2017）08-0001-05
第26卷第8期
Vol.26 No.8
研究與開發(fā)
Research and Development
收稿日期 ：2017-03-06
基金項目：國家自然科學基金（U1534208）；國家重大研發(fā)計劃
（2016YFB1200600）。
作者簡介：邱澤宇，在讀碩士研究生；曹 源，副教授。
基于故障注入的安全計算機通信總線
測試方法研究
邱澤宇1，曹 源1，2，馬連川2
（1. 北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；
2. 北京交通大學 軌道交通控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044）
摘 要：隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，對列車安全性的要求日益提高。由于實際環(huán)境與測試環(huán)境
有區(qū)別，某些特定場景靠故障注入的方式能夠有效地發(fā)現(xiàn)設計上的缺陷。文章使用故障注入的測試方法
對安全計算機內(nèi)部通信總線進行故障注入測試，對通信總線內(nèi)部的故障進行分析，提出了對通信總線物
理層、鏈路層的軟件故障注入方法，并實現(xiàn)了對通信總線的故障注入。
關(guān)鍵詞：故障注入；安全計算機；通信總線；物理層；鏈路層
中圖分類號：U29∶TP39 文獻標識碼：A
Test method of safety computer communication bus based on fault injection
QIU Zeyu1, CAO Yuan1,2, MA Lianchuan2
( 1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;
2. National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong
University, Beijing 100044, China )
Abstract: With the rapid development of high speed railway in our country, the requirement of train safety is
increasing day by day. Because the actual environment is different from the testing environment, the design flaws of
some particular scenes can be effectively identified by means of fault injection. This article used the fault injection
test to test the internal communication bus of the security computer, proposed a software fault injection method for
communication bus physical layer and link layer, implemented the fault injection of communication bus.
Keywords: fault injection; safety computer; communication bus; physical layer; data link layer
萬方數(shù)據(jù)
2 2 0 1 7 . 8總第2 4 5期 RCA
是周期性注入，故障在每個傳輸周期都會出現(xiàn)，如
注入故障的周期與正常發(fā)送的周期相同時，即發(fā)送
端向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，故障注入器同時向總線注入
故障，就會造成總線永久性故障。注入故障后觀察
通信總線的反應可以判斷總線是否滿足安全性設計，
再根據(jù)撤除故障后通信總線能否恢復正常工作來判
斷通信總線的穩(wěn)定性。
1.2 時鐘故障
時鐘信號是通信總線正常運行的基礎，由于通
信總線連接多臺設備，每個設備都有各自的時鐘，
為了保證多臺設備之間的通信，需要保證設備之間
的時鐘一致。時鐘故障包括同步故障、占空比故障、
以及幅值的變化等，其中同步故障是通信總線最主
要的故障，是保障各個設備正常通信的基礎。在注
入故障時，可以直接對總線物理層時鐘線注入故障，
干擾總線上的時鐘信號；或?qū)χ髟O備注入故障，干
擾主設備發(fā)送的時鐘信號，使從設備接收到錯誤的
同步信號，達到故障注入的目的。
除了同步故障外，時鐘故障還包括對設備系統(tǒng)
時鐘注入故障，使設備自身時鐘出現(xiàn)差錯，由于時鐘
錯亂而導致自身邏輯癱瘓，如將時鐘線接地。時鐘故
障也可以根據(jù)故障的重復性劃分為注入一次性故障，
注入特定的分布函數(shù)的故障，及注入永久性故障等。
1.3 寄存器故障
寄存器故障是故障注入常用的故障類型，根據(jù)
寄存器的重要性劃分，某些寄存器直接關(guān)系到通信
總線數(shù)據(jù)的收發(fā)，修改寄存器內(nèi)的值會使總線通信
直接出現(xiàn)錯誤，影響系統(tǒng)工作。通信總線中的寄存
器包括板卡模塊中的寄存器，存放數(shù)據(jù)或地址的寄
存器，以及現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中設置的先
進先出（FIFO）、隨機存?。≧AM）等寄存器。寄
存器故障包括讀寫故障及數(shù)據(jù)故障，故障注入主要
使寄存器產(chǎn)生數(shù)據(jù)故障，即將寄存器中1 位、多位、
單字節(jié)或多字節(jié)通過故障注入器修改，對寄存器內(nèi)
部數(shù)據(jù)進行部分或全部數(shù)位的插入、翻轉(zhuǎn)、置0/1、
替換、重新設置等。
1.4 其他故障
通信總線的故障除了以上3 種，還存在電磁干擾、
硬件失效、開路短路等故障，這些故障主要是硬件故
障，發(fā)生故障可能會導致設備永久性失效，注入故
障時也需要用到硬件故障注入器如電容耦合夾、群
脈沖發(fā)生器等。由于條件有限，本文只進行軟件故
障注入，對這部分故障不做詳細分析。
2 故障注入方案設計
在通信總線的物理層和鏈路層進行故障注入。
通過在FPGA 內(nèi)部加入故障注入模塊，將從用戶與
總線之間的發(fā)送/ 接收通道通過故障注入模塊隔開，
形成故障注入器，故障注入器具有負載生成、故障
注入、數(shù)據(jù)收集等功能，能根據(jù)相應的故障生成對
應的負載并完成注入。
2.1 物理層故障注入設計
時鐘故障和通信故障可以在總線物理層進行故
障注入，總線的物理層包括電氣信號、數(shù)據(jù)信號、
時鐘信號等。通信故障注入可以采用對總線物理層
直接注入故障的方式，故障注入器模擬正常設備向
總線發(fā)送的電信號，并將信號直接發(fā)送到通信總線，
對總線的數(shù)據(jù)信號造成干擾。如圖1 所示，故障注
入器結(jié)構(gòu)與板卡通信設備相似，向總線注入一定格式
的數(shù)據(jù)，與正常工作的主設備形成“雙主”模式干
擾總線信號。由于總線采用半雙工的形式，總線數(shù)
據(jù)信號將會耦合干擾信號形成錯誤的數(shù)據(jù)信號，接
收設備會因此接收到錯誤的波形造成通信故障。
時鐘故障可以使用類似的模式，故障注入器向
總線的時鐘線注入干擾信號，干擾設備的時鐘信號。
當主從設備之間進行時鐘同步時，總線的時鐘線被
注入故障會導致設備之間時鐘無法同步，進而影響時
間觸發(fā)。根據(jù)晶振誤差和時間片周期可以算出在一
定周期后設備之間會失去同步，進而產(chǎn)生通信故障。
對時鐘同步的故障注入原理如圖2 所示，故障
注入器監(jiān)聽各個設備的時鐘，當檢測到從設備升級
為主設備時，故障注入器同時向時鐘線注入時鐘信
上層用戶
FPGA1
電平轉(zhuǎn)換
上層用戶
FPGA2
電平轉(zhuǎn)換
主控器
數(shù)據(jù)注入器
電平轉(zhuǎn)換
負載生成器數(shù)據(jù)收集
電平轉(zhuǎn)換
正常設備飯卡
故障注入器
通信總線
圖1 總線物理層故障注入原理
研究與開發(fā) 鐵 路 計 算 機 應 用 2017年8月
萬方數(shù)據(jù)
RCA 2 0 1 7 . 8總第2 4 5期 3
號，造成通信總線時鐘線上存在多個時鐘信號，達
到對總線時鐘同步進行干擾，造成系統(tǒng)故障。
故障注入通過修改板卡內(nèi)部的程序，將一塊
FPGA 變成一個故障注入系統(tǒng)，以下簡稱注入故障的
FPGA 板為A 板，其余B、C、D 板卡正常運行?？?
線數(shù)據(jù)的觀察通過聯(lián)合測試工作組（JTAG）接口連
接到電腦，由電腦上的SignalTapII 軟件邏輯分析儀
測量，測量被注入故障設備及總線實際的信號數(shù)據(jù)。
2.2 鏈路層故障注入設計
寄存器故障通過對鏈路層通信協(xié)議的破壞達到
故障注入的目的。故障注入器劫持設備與總線之間的
存放數(shù)據(jù)幀的寄存器，并對寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)進行修
改。故障注入截取原理如圖3 所示，用戶數(shù)據(jù)會放
在寄存器中等待總線發(fā)送/ 接收。故障注入器攔截了
用戶與總線的通信通道，即截取了寄存器數(shù)據(jù)，寄
存器數(shù)據(jù)被截取后，故障注入器可以將寄存器中的1
位、多位或全部數(shù)據(jù)進行翻轉(zhuǎn)、修改、丟失或置0/1
修改，這些修改可能會破壞數(shù)據(jù)幀，使數(shù)據(jù)的實際
校驗與原有校驗位不同，數(shù)據(jù)發(fā)送端/ 接受端會因為
校驗錯誤丟棄該數(shù)據(jù)幀，達到故障注入的目的。
主控器
時鐘發(fā)送
電平轉(zhuǎn)換
負載生成器時鐘監(jiān)聽FPGA1
電平轉(zhuǎn)換
FPGA2
電平轉(zhuǎn)換
…
故障注入器
時鐘監(jiān)聽
時鐘線
圖2 監(jiān)聽時鐘注入故障
3 故障注入實現(xiàn)與驗證
對實驗室安全計算機測試平臺的通信總線進
行故障注入測試，該總線參考了高可靠性汽車安全
通信總線FlexRay[4-5]，通過時間觸發(fā)（TT，Time-
Triggered）保障總線設計的安全性。故障注入測試環(huán)
境如圖4 所示，鐵箱內(nèi)包含電源板、背板及4 塊邏
輯板卡，邏輯板卡通過FPGA 連接到通信總線相互
通信，背板將總線電路連接在一起。
上層用戶
數(shù)據(jù)收集
負載生成
控制器
負載生成
數(shù)據(jù)收集
故障注入
解幀模塊接收模塊電平轉(zhuǎn)換
電平轉(zhuǎn)換
上層用戶
解幀模塊發(fā)送模塊
寄存器
寄存器
再發(fā)送
再發(fā)送
通
信
總
線
截取
截取
故障
注入器
FPGA
FPGA
圖3 寄存器故障注入原理
3.1 時鐘同步故障注入
根據(jù)總線周期，當一個設備升為主設備時，時
間片之間會有一段時間間隙進行時鐘同步。圖5 表
示故障未注入前，C 板接收到總線上從A 板發(fā)出的
同步信號，時鐘RX CLK 會保持一段時間的高電平，
用來進行各個設備板之間的時鐘同步。
圖4 故障注入測試環(huán)境
圖5 正常情況下的時鐘同步
當A 板發(fā)送周期過完后會降級為從設備，同時
其他板升為主設備，并在時間片間隙將進行時鐘同
步。故障注入器控制A 板在其他板時鐘同步信號時
向總線發(fā)送干擾信息，干擾時鐘同步。注入結(jié)果如圖
6 所示，故障注入開始階段，總線時間片之間的間隙
內(nèi)不再有時鐘同步數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)發(fā)送正常，在經(jīng)過
一段時間后（如圖7 顯示幀序號0xa8 即168），總線
停止運行運行，邏輯分析儀顯示停止前總線收到最
后一次的數(shù)據(jù)如圖7 所示。
第26卷第8期 邱澤宇等：基于故障注入的安全計算機通信總線測試方法研究 研究與開發(fā)
萬方數(shù)據(jù)
4 2 0 1 7 . 8總第2 4 5期 RCA
方式是周期采樣，總線停止時顯示最后一次總線正
常收發(fā)的數(shù)據(jù)，波形與圖8 相似，只是總線停止運行。
由于總線傳輸使用半雙工的方式，同時寫入數(shù)
據(jù)會引起總線故障，出現(xiàn)“雙主”的情況，造成總線
數(shù)據(jù)線的干擾，系統(tǒng)停止工作。實驗結(jié)果說明，故
障注入器實現(xiàn)了通信總線的故障注入，在半雙工的
總線上設備不能同時向總線寫入數(shù)據(jù)。
3.3 寄存器故障注入
測試中故障注入器向A 板FPGA 中寄存器注入
故障，對存放組幀完成后的數(shù)據(jù)幀寄存器進行故障
注入，對組幀完成后的數(shù)據(jù)進行修改。
圖9、圖10 中FIFO PSC DATA 表示組幀完成
后送入到寄存器中的數(shù)據(jù)幀，fifo-psc-data 表示將要
發(fā)送數(shù)據(jù)時從寄存器拿出的數(shù)據(jù)幀。圖9 可以看出
正常情況下進入寄存器的數(shù)據(jù)與從寄存器拿到的數(shù)
據(jù)以及向總線發(fā)出的數(shù)據(jù)都是同樣的數(shù)據(jù)幀，圖10
是對寄存器進行故障注入后的波形圖，可以看出進
入寄存器的數(shù)據(jù)還是完整的數(shù)據(jù)幀，但從寄存器出
來的數(shù)據(jù)被修改為0xfe，修改后的數(shù)據(jù)被發(fā)送進入
通信總線，即TX DATA 也變成0xfe。注入故障后，
A 板無法與其他設備進行通信，總線系統(tǒng)停止工作，
邏輯分析儀停留在圖10。
寄存器故障注入通過破壞數(shù)據(jù)幀使數(shù)據(jù)發(fā)送錯
誤信息造成通信總線故障，達到了故障注入的目的。
同時也證明了通信總線設計安全性，一旦發(fā)送故障，
總線會將錯誤數(shù)據(jù)丟棄，使設備導向安全狀態(tài)，證
明了安全計算機設計的合理性。
4 結(jié)束語
本文研究了安全計算機通信總線軟件故障注入
這是由于設備之間時鐘無法同步而出現(xiàn)的錯誤。
設定所有設備之間完成接收和發(fā)送的總時間為周期
T，主設備發(fā)送，某一個從設備接收的時間為t，總
線設備總數(shù)為n，則存在如下關(guān)系：
T=n ? (n–1) ? t （ 1）
每個T 內(nèi)時鐘偏差即晶振誤差設為α，N 為設備
可以正常運行的周期，總誤差在t 時間內(nèi)才能保證正
常通信，即：
N ? T ? α ≤ t （ 2）
根據(jù)時間片周期t 為1 ms，實驗設備n 為4，誤
差參數(shù)α 為1‰，由公式（1）和公式（2）可以估
算出設備最少運行周期N 為83 個周期。由圖7 可知
總線在故障后運行了168 個周期，大于預期。由此
可見設備之間的時鐘同步是十分必要的，同時證明
了總線設計的合理性，出現(xiàn)故障時能停止運行自動
導向安全態(tài)。
3.2 通信故障注入
通信故障的測試由故障注入器向總線發(fā)送干擾
數(shù)據(jù)。正常的數(shù)據(jù)發(fā)送如圖8 所示，通過C 板觀測
到的總線數(shù)據(jù)波形，RX DATA 表示總線接收的到的
數(shù)據(jù)信號，0xA5 為空閑數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀從幀頭0x02
開始，發(fā)送目的地址為0x44，源地址為0x11，表示
A 板作為主設備向總線發(fā)送了數(shù)據(jù)。
當A 板過完發(fā)送周期，B 板會升為主設備后向
總線發(fā)送數(shù)據(jù)，故障注入器控制A 板同時向總線發(fā)
送數(shù)據(jù)，導致總線停止工作。由于邏輯分析儀工作
圖7 通信停止時邏輯分析儀數(shù)據(jù)
圖8 正常運行時總線信號
圖6 注入故障后的時鐘同步
（下轉(zhuǎn)P12）
研究與開發(fā) 鐵 路 計 算 機 應 用 2017年8月
萬方數(shù)據(jù)
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的測試方法，實驗成功將故障注入到通信總線中，對
通信總線上設備的通信造成了干擾，并且沒有對總
線造成破壞性故障，在故障撤除后總線又能重新恢
復通信，驗證了通信總線符合安全計算機安全標準，
即發(fā)生故障時設備導向安全狀態(tài)的設計。故障注入
的方式可以彌補安全計算機測試手段的不足，進一
步證明了安全計算機的通信設計的安全性，出現(xiàn)錯
誤時擁有故障- 安全的機制。
參考文獻：
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（上接P4）
數(shù)據(jù)庫是可行的，客票系統(tǒng)團隊秉承堅持自主創(chuàng)新，
理論與實踐相結(jié)合，先簡單后復雜，先外圍后核心
的研究原則，通過理論研究、技術(shù)研究和應用推廣
3 條路線，形成開源數(shù)據(jù)庫研究應用的指導策略和
理論依據(jù)，并在客票系統(tǒng)典型業(yè)務中進行試點應用。
通過及時總結(jié)、完善應用研究經(jīng)驗，指導客票系統(tǒng)
后續(xù)在開源技術(shù)深入應用研究。
在客票系統(tǒng)中應用開源數(shù)據(jù)庫成熟、穩(wěn)定后，
可將開源數(shù)據(jù)庫自主化、產(chǎn)品化，形成客票數(shù)據(jù)庫
產(chǎn)品并在鐵路行業(yè)內(nèi)進行市場推廣，引領(lǐng)鐵路信息
系統(tǒng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。
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責任編輯 陳 蓉
責任編輯 陳 蓉
研究與開發(fā) 鐵 路 計 算 機 應 用 2017年8月
萬方數(shù)據(jù)

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