分布式軟件故障注入及軟件脆弱點(diǎn)檢測(cè)方法研究.pdf

1、在一些高可靠性領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如交通控制、醫(yī)療、核電站、銀行、電訊系統(tǒng)和航空航天等。在這些領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的失效可能造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。另外，在高性能并行計(jì)算領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)可靠性的重要性也越來(lái)越高。并行計(jì)算機(jī)通常用于一些高強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)用，如基礎(chǔ)物理/化學(xué)、飛機(jī)/汽車建模等，這些應(yīng)用不僅運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，而且由于并行計(jì)算所帶來(lái)的電子器件增多導(dǎo)致故障發(fā)生的可能性增大。特別是對(duì)于航天領(lǐng)域，由于宇宙射線的存在，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系

2、統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生各種故障。
　　可靠性計(jì)算機(jī)一般都采用容錯(cuò)機(jī)制來(lái)檢測(cè)軟件或硬件故障，定位故障源或可能從這些故障/錯(cuò)誤中恢復(fù)。但如何在系統(tǒng)應(yīng)用之前對(duì)這些容錯(cuò)機(jī)制的有效性、可用性進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，檢驗(yàn)它們是否和我們事先預(yù)想的情況相一致。這就需要一種有效的對(duì)容錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行評(píng)測(cè)的方法和工具。同時(shí)，在對(duì)軟件系統(tǒng)裝配容錯(cuò)機(jī)制之前，考慮到容錯(cuò)機(jī)制的效率因素，把容錯(cuò)機(jī)制放于何處及如何放置才能發(fā)揮它們的最大作用，這就需要了解軟件系統(tǒng)中錯(cuò)誤的產(chǎn)生與傳播過(guò)程，以

3、及找出軟件系統(tǒng)中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)或部分。最后在找到軟件系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以后，如何對(duì)之進(jìn)行加固也是一個(gè)很重要的內(nèi)容。
　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證是一個(gè)復(fù)雜艱巨的任務(wù)，一般使用理論建模方法，但由于故障激活機(jī)制和錯(cuò)誤傳播過(guò)程非常復(fù)雜，在大多數(shù)情況下都是不完全可知的，所以很難對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行建模。故障注入技術(shù)作為一種實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)方法被證明是一種高效的可靠性驗(yàn)證方法，他通過(guò)人為的在目標(biāo)系統(tǒng)中產(chǎn)生故障，加速系統(tǒng)發(fā)生故障和失效的過(guò)程，通過(guò)對(duì)注入故障后系統(tǒng)

4、的反應(yīng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可獲得對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)性能的評(píng)測(cè)結(jié)果。與其它方法相比，故障注入具有應(yīng)用范圍廣、結(jié)果精確度高、時(shí)間花費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，已引起眾多學(xué)者和研究人員的重視。
　　本文首先研究了進(jìn)行故障注入的一些基本原理和方法，結(jié)合航天領(lǐng)域的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了故障模型，然后提出了一種分布式的故障注入工具的架構(gòu)，并在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行了開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工具可在分布式系統(tǒng)或單機(jī)系統(tǒng)中注入多種故障，同時(shí)還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)回收功能，并具

5、有很好的可移植性（可在所有類Unix操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行）和可擴(kuò)展性。這為以后研究分布式系統(tǒng)的可靠性奠定了一定的基礎(chǔ)。
　　以該故障注入工具為基礎(chǔ)，本文又分別在信號(hào)和模塊級(jí)別上研究了故障在軟件中的生成與傳播過(guò)程，并定義了描述此過(guò)程的參數(shù)及其計(jì)算方法，其中首次提出了模塊泄漏率和活動(dòng)率的概念，并給出了軟件脆弱點(diǎn)的概念及確定原則，最后在一衛(wèi)星光纖陀螺捷聯(lián)航姿控制系統(tǒng)上對(duì)該框架的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。這為從設(shè)計(jì)角度來(lái)減少軟件系統(tǒng)模塊間的

6、錯(cuò)誤傳播提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為評(píng)測(cè)軟件系統(tǒng)可靠性提供了方法，并為如何放置容錯(cuò)機(jī)制才能使之達(dá)到效率最高提供了依據(jù)。
　　找到了軟件系統(tǒng)中的脆弱點(diǎn)，但如何對(duì)它們進(jìn)行加固處理，也是本文考慮的一個(gè)內(nèi)容。本文針對(duì)航天領(lǐng)域強(qiáng)輻射的特點(diǎn)，分別從程序控制流和數(shù)據(jù)流角度提出了兩種在線加固方法?？刂屏骷庸谭椒ǎ≧SCFC）可以檢測(cè)程序中的控制流錯(cuò)誤，該方法首先識(shí)別程序中的各個(gè)基本模塊，然后把基本模塊間的關(guān)系編碼進(jìn)模塊標(biāo)記中，最后在每個(gè)基本模塊的首部

7、和尾部分別加上測(cè)試和設(shè)置指令，通過(guò)一全局變量來(lái)檢測(cè)程序的執(zhí)行流程。該方法不僅可用于高級(jí)語(yǔ)言，也可在匯編語(yǔ)言級(jí)上實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在幾個(gè)C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)程序上使用該方法，并進(jìn)而進(jìn)行故障注入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方法在對(duì)程序代碼大小和性能影響不大的條件下可把未探測(cè)故障率從原始程序的20.7～68.8％降低到2.8～20.4%。
　　數(shù)據(jù)流加固方法（SBC）通過(guò)對(duì)程序中變量進(jìn)行簡(jiǎn)單編碼和解碼操作后，可對(duì)發(fā)生在程序數(shù)據(jù)空間內(nèi)的單“位”錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)而糾正。

8、故障注入的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于程序數(shù)據(jù)段錯(cuò)誤，該算法可把錯(cuò)誤輸出從原始程序的27%～49%降低到0.01%～0.02%，同時(shí)故障糾正率接近100%；對(duì)于程序堆棧段錯(cuò)誤，該算法可把錯(cuò)誤輸出從原始程序的10%～70%降低到1%～3%，故障糾正率也在73%以上。
　　在軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，我們把故障注入平臺(tái)、錯(cuò)誤傳播和軟件脆弱點(diǎn)檢測(cè)集成到了一起，統(tǒng)稱軟件脆弱點(diǎn)識(shí)別環(huán)境SAVIE。本文在最后對(duì)SAVIE設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各個(gè)模塊