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CN102420715B - 一种ieee1588协议否定测试方法 - Google Patents

一种ieee1588协议否定测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种IEEE1588协议否定测试方法，IEEE1588测试仪和被测从钟设备连接，建立实时闭环反馈机制；测试仪作为主钟，与被测从钟设备建立稳定时间同步；测试仪得到被测从钟设备在扰动前的对时偏差或路径延迟；测试仪组帧异常报文并发送给被测从钟设备；测试仪计算异常报文扰动后的对时偏差或路径延迟增量；测试仪判断被测从钟设备的对时偏差或路径延迟是否突变，如果没有发生突变，测试通过；反之，则测试不通过。这种测试方法利用了IEEE1588报文中的校正域字段，“放大”被测从钟设备对异常报文激励的反应，并实现实时闭环检测，可以有效地检验被测从钟设备的报文处理逻辑实现是否合乎IEEE1588协议。

Description

一种IEEE1588协议否定测试方法
技术领域
本发明属于电力工程的继电保护自动化领域，涉及一种适用于从钟设备的IEEE1588否定测试方法。
背景技术
智能变电站由于要求更高的实时性，以及与站外有协同互动功能，必须要有精确的绝对时标。在过程层网络采用IEC61850 9-2的数字化变电站中，IEEE1588时间同步方式是一种合适的时间同步方式。采用IEEE1588对时方式省去了专用的对时网络，原理简单，协议实现占用设备资源小，配置简单。
目前国内多个电力设备制造商都陆续开展了IEEE1588的应用研究和产品开发，电力公司也组织进行了IEEE1588产品互操作性测试，但IEEE1588规约一致性测试在电力行业才刚刚起步。IEEE1588规约一致性测试的关键是优化设计覆盖面全的一致性测试案例，这样才能有效发现产品IEEE1588协议实现中的问题。
否定测试（Negative testing）是相对于肯定测试（Positive testing）而言的，它们是测试设计时的两个非常重要的划分。简单点说，肯定测试就是测试被测对象是否完成了它应该完成的工作；而否定测试就是测试被测对象是否不执行它不应该完成的操作。在有些文献中否定测试被称为负面测试，肯定测试被称为正面测试。IEEE1588一致性测试的肯定测试用例较易设计，模拟异常的否定测试用例较难设计，这导致在IEEE1588一致性测试中否定测试偏少，测试覆盖面较窄，无法有效保证从钟设备的时间同步可靠性问题。因此，有必要设计覆盖面宽的IEEE1588否定测试案例，有效保证从钟设备的时间同步可靠性。
在IEEE1588协议的否定测试项目中，测试异常报文对被测从钟的影响是一类很重要的否定测试项目，这类否定测试项目的目的是验证被测从钟的报文处理逻辑是否正确，即被测从钟应忽略(即不处理)异常报文，从而保证从钟同步的可靠性。现有测试方法是：首先组帧异常报文(异常报文是指报文格式错误或内容错误)，然后发送给被测从钟设备，观察从钟设备的反应。但这种测试方法在实施中遇到了困难 -- 虽然把异常报文发送给了被测从钟设备，但是被测从钟设备的反应不明显，也很难根据报文交互过程分析出被测从钟设备是否忽略了异常报文。这是因为IEEE1588协议中同步计算过程和延迟计算过程都是周期性的，一帧报文忽略与否对从钟同步影响不大，被测从钟设备即使失步也有一个偏差逐渐增大的过程。鉴于现有测试方法难以测试被测从钟的报文处理逻辑是否正确，因此有必要对现有测试方法进行改进以适应实际测试的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种IEEE1588协议否定测试方法，以检测被测从钟设备在接收到异常报文的情况下，其报文处理逻辑是否正确。
本发明的IEEE1588协议否定测试方法的具体步骤如下：
（1）连接IEEE1588测试仪和被测从钟设备，建立实时闭环反馈机制；
（2）IEEE1588测试仪作为主钟，与被测从钟设备建立稳定时间同步；
（3）IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制得到被测从钟设备在扰动前的对时偏差或路径延迟；
（4）IEEE1588测试仪组帧异常报文，并发送给被测从钟设备； 
（5）IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制得到被测从钟设备在异常报文扰动后的对时偏差或路径延迟；
（6）计算异常报文扰动后的对时偏差增量或路径延迟增量；
（7）通过步骤6计算的增量判断被测从钟设备的对时偏差或路径延迟是否突变，如果没有发生突变，则说明被测从钟设备对异常报文的处理逻辑正确，本次检查项通过；反之则说明被测从钟设备处理异常报文的逻辑有误，本次检查项不通过。
进一步的，所述步骤（1）中实时闭环反馈机制是秒脉冲反馈机制或IEEE1588管理机制。
进一步的，IEEE1588测试仪接收GPS信号，获取基准秒脉冲信号，被测从钟设备具有秒脉冲信号输出接口，秒脉冲信号引入IEEE1588测试仪，IEEE1588测试仪通过比对基准秒脉冲信号和被测从钟设备输出的秒脉冲信号，得到从钟设备的实时对时偏差。
进一步的，IEEE1588测试仪和被测从钟设备均支持IEEE1588管理机制，IEEE1588测试仪作为管理端，通过管理机制中的获取操作GET命令可随时获取被测从钟设备的路径延时。
进一步的，如果被测从钟设备具有秒脉冲信号输出接口，则所述实时闭环反馈机制选择秒脉冲反馈机制，则在步骤7中判断对时偏差是否突变；如果被测从钟设备支持IEEE1588管理机制，则所述实时闭环反馈机制选择IEEE1588管理机制，则在步骤7中判断路径延迟是否突变。
进一步的，所述步骤（4）中组帧异常报文除了设计报文本身的错误，同时异常报文的校正域字段还要赋给一个异常值，一旦被测从钟设备接受这个本应忽略掉的异常报文时，这个校正域异常值就会“放大”被测从钟设备的对时偏差或路径延迟。
进一步的，所述步骤（7）中判断被测从钟设备的路径延迟或对时偏差是否突变，是指被测从钟设备在受到扰动后即异常报文输入，对时偏差和路径延迟与正常时有显著不同，该显著不同使得IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制轻易识别。
进一步的，所述突变为对时偏差或路径延迟在扰动后比扰动前高一个数量级。
本发明的一种IEEE1588协议否定测试方法是一种实现IEEE1588否定测试的通用框架。通过插入由测试工程师定制的异常报文，来验证被测从钟设备在接收到异常报文的情况下，报文处理逻辑是否正确，有效保证了从钟设备的时间同步可靠性。这种测试方法利用了IEEE1588报文中的校正域(correctionField)字段，“放大”被测从钟设备对异常报文激励的反应，并实现实时闭环检测，可以有效地检验被测从钟设备的报文处理逻辑实现是否合乎IEEE1588协议。
附图说明
图1是实施例的测试系统图；
图2是实施例的测试方法流程图；
图3是IEEE1588-2008协议中规定的从钟设备处理来自主钟的跟随报文的流程图。
具体实施方式
本专利申请的实现IEEE1588协议否定测试方法的设计思路是：IEEE1588测试仪发送异常报文给被测从钟设备，该异常报文中的校正域字段是一个特别设计的异常值。如果被测从钟设备接受异常报文，异常报文中经特别设计的校正域字段会显著增大被测从钟设备的对时偏差和路径延迟，这种显著不同使得IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制轻易识别。通过检测被测从钟设备的对时偏差或路径延迟是否突变，验证被测从钟设备的报文处理逻辑是否正确。异常报文可能是IEEE1588测试仪发送的同步报文或跟随报文,也可能是IEEE1588测试仪响应被测从钟设备的延迟应答报文。
IEEE1588测试仪和被测从钟设备组成实时闭环反馈的目的是，测试仪必须能快速检测出从钟设备路径延迟或对时偏差的变化。形成实时闭环机制可以通过秒脉冲反馈机制或IEEE1588管理机制。
当同步网络采用延迟请求-应答延迟计算机制(即通常所谓的E2E模式)且两步钟模式时，从钟设备的路径延迟及对时偏差公式如下：
delay =[(t2–t1) + (t4–t3)–corrSync–corrFollowUp–corrDelayResp]/2   (1)
offset = t2–t1–delay –corrSync –corrFollowUp
         = [(t2 –t1)–(t4 –t3)–corrSync–corrFollowUp + corrDelayResp ]/2  (2)  
式中 t1为主钟发出同步报文的时标，t2 为从钟接收同步报文的时标，t3为从钟发出延迟报文的时标，t4为主钟接收延迟报文的时标，corrSync为同步报文(Sync)校正域、corrFollowUp为跟随报文(Follow_Up)校正域，corrDelayResp为延迟应答报文(Delay_Resp)校正域。 
由公式(1)、(2)可以看出，对时偏差(offset)和路径延迟(delay)的计算依赖于时标t1、t2、t3、t4和同步、跟随和延迟应答报文的校正域。
报文中的校正域字段占8个字节，前6个字节为整数位，后2个字节为小数位，单位为纳秒，例如0x0000000000028000表示2.5纳秒。从公式(1)可以看出，如果修改corrFollowUp的值为 0x00000200 00000000，即225纳秒(约33.6毫秒)，而公式中其他的变量相对不变，则会导致路径延迟delay约33.6/2 = 16.8毫秒的突变；同样当同步报文到达从钟时，从钟计算对时偏差offset也会产生约16.8毫秒的突变。
本专利申请的方法首先IEEE1588测试仪与被测从钟设备组成实时闭环系统，这样IEEE1588测试仪可以实时闭环检测被测设备的对时偏差或路径延迟。实时闭环可以通过两种方式，一种是基于秒脉冲反馈的方式，把被测从钟设备输出的秒脉冲引入IEEE1588测试仪；另一种是通过IEEE1588管理机制。
当组帧异常报文时，除了设计报文本身的错误(例如报文某个字段错误)，同时异常报文的校正域字段还要赋给一个经过特别设计的异常的值，一旦被测从钟设备接受这个本应忽略掉的异常报文时，这个校正域(correctionField)字段就“放大”了被测从钟设备的对时偏差或路径延迟。
在接收异常报文前，IEEE1588测试仪已经记录了被测从钟设备的的对时偏差或路径延时，当被测从钟设备接受异常报文时，“放大”的对时偏差或网络延迟与先前的对时偏差或路径延时显著不同，因此可以很容易判断出被测从钟设备没有忽略掉异常报文，即被测从钟设备的报文处理逻辑有误。
下面结合附图来详细说明本发明的一个实施例 --无效跟随报文(Follow_Up)测试，这个实施例用以测试被测从钟设备对跟随报文的处理逻辑是否正确, 验证被测从钟设备能否忽略无效的跟随报文。附图3是IEEE1588-2008协议中的Figure31，规定了从钟对来自主钟的跟随报文的处理流程图，本测试案例检查的处理环节如图中椭圆所示：
    检查项A(椭圆A)：检查跟随报文是否来自当前主钟；如果不是来自当前主钟，则应忽略此帧报文；
    检查项B(椭圆B): 检查跟随报文的报文序号和关联的同步报文的报文序号是否相同；如果不同，则应忽略此帧报文；
    如图1所示，此实施例的测试系统包括IEEE1588测试仪和被测从钟设备。被测从钟设备为智能变电站中微秒级精度的设备(例如数字合并单元)，被测从钟设备和IEEE1588测试仪均支持硬件时标。如果IEEE1588测试仪和被测从钟设备通过光纤直接连接，则被测从钟设备正常时的对时偏差约为几十纳秒，计算出的路径延迟一般为几个纳秒。因为被测从钟设备为智能变电站中微秒级精度的设备，具有秒脉冲输出接口，故实时闭环反馈采用秒脉冲反馈机制，检测被测从钟设备的对时偏差是否突变；当然如果被测从钟设备支持IEEE1588管理机制，实时闭环反馈也可采用IEEE1588管理机制，通过获取操作(GET命令)检测被测从钟设备的路径延迟是否突变。
如果被测从钟接受了校正域突然增大的异常跟随报文，那么异常跟随报文对于被测设备的同步过程是一个扰动，如果跟随报文的校正域突然增大，则会导致路径延迟突然变大，对时偏差也随后突然变大；如果后续跟随报文的校正域不再变化，则路径延迟和对时偏差也会很快稳定下来。 
此实施例中被测从钟设备和IEEE1588测试仪直连，作为主钟的IEEE1588测试仪发送的正常跟随报文的校正域corrFollowUp为0。测试中要发送的异常跟随报文的校正域corrFollowUp的值设计为 0x0000000004000000，即1024纳秒，则corrFollowUp的值突增至1024纳秒，而公式中其他时标和校正域的增量是相对稳定的，根据公式(1)、(2)，则会导致对时偏差和路径延迟1024/2 = 512纳秒的突变。对时偏差和路径延迟约500纳秒的突增量，对于正常同步时的几十纳秒的对时偏差或几纳秒的路径延迟，已足够明显，IEEE1588测试仪可以通过秒脉冲反馈机制或IEEE1588管理机制轻易识别。 
 图2是本实施例的操作流程图,其具体过程是：
步骤S1：连接IEEE1588测试仪和被测从钟设备，建立实时闭环反馈机制；
步骤S2：IEEE1588测试仪作为主钟，与被测从钟设备建立稳定时间同步；
步骤S3：记录正常对时偏差和正常路径延迟。
如果被测从钟设备支持秒脉冲信号输出，IEEE1588测试仪通过比对基准秒脉冲信号和从钟设备输出的秒脉冲信号，得知从钟设备的对时偏差，记录此时从钟设备的正常对时偏差（normal offset）;
如果被测从钟设备支持IEEE1588管理机制，记录此时从钟设备的正常路径延迟（normal delay）。
步骤S4：根据本次检查项构造特定的异常报文，并发送给被测从钟设备。此异常报文中除某个字段异常外，校正域也被特别设计用以“放大”被测从钟接受异常报文时的反应。
步骤S5：记录异常报文输入后的对时偏差和路径延迟。
如果被测从钟设备支持秒脉冲信号输出，记录此时从钟设备的对时偏差（disturb offset）;
如果被测从钟设备支持IEEE1588管理机制，记录此时从钟设备的路径延迟（disturb delay）。
步骤S6：计算异常报文扰动后的对时偏差增量、路径延迟增量：
如果被测从钟设备支持秒脉冲信号输出，则对时偏差增量为： 
delta offset = | disturb offset – normal offset |，
    上式中，disturb offset为扰动后的从钟对时偏差，normal offset为扰动前的从钟对时偏差。
如果被测从钟设备支持IEEE1588管理机制，则路径延迟增量为：      
delta delay = | disturb delay – normal delay |
上式中，disturb delay为扰动后的从钟路径延迟，normal delay为扰动前的从钟路径延迟。
步骤S7：判断对时偏差或路径延迟是否突变。
通过步骤S6计算的增量判断被测从钟设备的对时偏差或路径延迟是否突变，如果没有发生突变，则说明被测从钟设备对异常报文的处理逻辑正确，本次检查项通过；反之则说明被测从钟设备处理异常报文的逻辑有误，本次检查项不通过。
判断被测从钟设备的路径延迟或对时偏差是否突变，其确切含义为被测从钟设备在受到扰动后(异常报文输入)，对时偏差和路径延迟与正常时有显著不同，这种显著不同使得IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制轻易识别，一般地突变可定义为对时偏差或路径延迟在扰动后比扰动前高一个数量级。
步骤S8：如果还有检查项，重复执行步骤S2至步骤S7。
如果本次检查项为A，即检查接收到的跟随报文是否来自当前主钟这一环节，参见图3中椭圆A。跟随报文来自哪个主钟，由跟随报文的源端口标识字段sourcePortIdentity确定，此字段包括2部分，即钟标识和钟端口号，钟标识反映了主钟MAC地址, 端口号标志报文来自主钟的哪个端口；在本实施例中，当前主钟的钟标识反映了IEEE1588测试仪的MAC地址，端口号为0。因此在步骤S4中，需要构造如下异常跟随报文:设置跟随报文源端口标识字段的钟标识与步骤S2中正常时的钟标识不同即可，端口号可仍为0，同时跟随报文校正域设置为前述的0x0000000004000000，即1024纳秒，其他字段与正常跟随报文相同。如果被测从钟设备没有判定(或判定错误)跟随报文是否来自主钟，则会接受此异常跟随报文，导致步骤S7中路径延迟和对时偏差突然增大，说明从钟设备对跟随报文是否来自当前主钟的判断逻辑没有实现或实现错误。
如果本次检查项为B，即验证跟随报文的报文序号是否与关联的同步报文的报文序号一致，参见图3中椭圆B，则在步骤S4中，需构造如下异常跟随报文: 设置跟随报文的报文序号与最近接收到的同步报文的报文序号不同(例如设置跟随报文序号=最近接收到的同步报文序号+10), 同时跟随报文校正域设计为前述的0x0000000004000000，即1024纳秒，其他字段与正常跟随报文相同。如果被测从钟设备没有判定(或判定错误)跟随报文序号是否与同步报文的报文序号一致，则会接受此异常跟随报文，导致步骤S7中路径延迟和对时偏差突然增大，说明被测从钟设备对跟随报文序号是否与同步报文序号一致的判断逻辑没有实现或实现错误。
由上述实施例可见，本发明的测试方法是一种实现IEEE1588否定测试的通用框架，对于要检查的特定报文的处理逻辑流程，每轮测试验证一个报文处理环节的实现是否正确(通过发送针对此环节设计的异常报文)，确保被测设备的IEEE1588报文处理逻辑严格遵循IEEE1588-2008。

Claims (7)

1.一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
（1）连接IEEE1588测试仪和被测从钟设备，建立实时闭环反馈机制；
（2）IEEE1588测试仪作为主钟，与被测从钟设备建立稳定时间同步；
（3）IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制得到被测从钟设备在扰动前的对时偏差或路径延迟；
（4）IEEE1588测试仪组帧异常报文，并发送给被测从钟设备；
（5）IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制得到被测从钟设备在异常报文扰动后的对时偏差或路径延迟；
（6）计算异常报文扰动后的对时偏差增量或路径延迟增量；
（7）通过步骤6计算的增量判断被测从钟设备的对时偏差或路径延迟是否突变，如果没有发生突变，则说明被测从钟设备对异常报文的处理逻辑正确，本次检查项通过；反之则说明被测从钟设备处理异常报文的逻辑有误，本次检查项不通过；
所述步骤（4）中组帧异常报文除了设计报文本身的错误，同时异常报文的校正域字段还要赋给一个异常值，一旦被测从钟设备接受这个本应忽略掉的异常报文时，这个校正域异常值就会“放大”被测从钟设备的对时偏差或路径延迟。
2.根据权利要求1所述的一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于：所述步骤（1）中实时闭环反馈机制是秒脉冲反馈机制或IEEE1588管理机制。
3.根据权利要求2所述的一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于：IEEE1588测试仪接收GPS信号，获取基准秒脉冲信号，被测从钟设备具有秒脉冲信号输出接口，秒脉冲信号引入IEEE1588测试仪，IEEE1588测试仪通过比对基准秒脉冲信号和被测从钟设备输出的秒脉冲信号，得到从钟设备的实时对时偏差。
4.根据权利要求2所述的一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于：IEEE1588测试仪和被测从钟设备均支持IEEE1588管理机制，IEEE1588测试仪作为管理端，通过管理机制中的获取操作GET命令可随时获取被测从钟设备的路径延时。
5.根据权利要求2所述的一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于：如果被测从钟设备具有秒脉冲信号输出接口，则所述实时闭环反馈机制选择秒脉冲反馈机制，则在步骤7中判断对时偏差是否突变；如果被测从钟设备支持IEEE1588管理机制，则所述实时闭环反馈机制选择IEEE1588管理机制，则在步骤7中判断路径延迟是否突变。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于：所述步骤（7）中判断被测从钟设备的路径延迟或对时偏差是否突变，是指被测从钟设备在受到扰动后即异常报文输入，对时偏差和路径延迟与正常时有显著不同，该显著不同使得IEEE1588测试仪通过实时闭环反馈机制轻易识别。
7.根据权利要求6所述的一种IEEE1588协议否定测试方法，其特征在于：所述突变为对时偏差或路径延迟在扰动后比扰动前高一个数量级。
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