軟件故障注入關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、可靠性是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，在航天、航海、金融、交通、核工業(yè)控制等很多任務(wù)或時(shí)間關(guān)鍵性領(lǐng)域中，一旦在使用中出現(xiàn)故障后果不堪設(shè)想，可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此對這些系統(tǒng)在投入使用之前一定要進(jìn)行充分的測試，消除系統(tǒng)內(nèi)可能存在的故障和漏洞，同時(shí)也要在使用之前模擬未來使用環(huán)境中可能出現(xiàn)的環(huán)境擾動(dòng)，如常見的單粒子翻轉(zhuǎn)故障，來對系統(tǒng)的可靠性等指標(biāo)進(jìn)行充分的評測，根據(jù)測試結(jié)果采用必要的設(shè)計(jì)和防護(hù)方法，保證其滿足可靠性要求。
　　

2、故障注入技術(shù)作為一種可靠性評測手段日益受到人們的重視。故障注入是通過人為地產(chǎn)生并引入故障到目標(biāo)系統(tǒng)中加速系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤和失效，然后通過分析故障引入后的系統(tǒng)行為反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評測的技術(shù)。與傳統(tǒng)可靠性評測技術(shù)相比，它具有無需建立和求解復(fù)雜的系統(tǒng)模型，而且實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn)。故障注入技術(shù)有硬件實(shí)現(xiàn)的故障注入、模擬實(shí)現(xiàn)的故障注入和軟件實(shí)現(xiàn)的故障注入三種。與前兩種方法相比，基于軟件實(shí)現(xiàn)的故障注入具有操作簡便、開發(fā)成本低廉，

3、不會(huì)對目標(biāo)系統(tǒng)造成損傷等優(yōu)點(diǎn)。本文主要研究了軟件故障注入技術(shù)，將軟件故障注入應(yīng)用到軟件測試的不同環(huán)節(jié)，分別研究了變異測試技術(shù)，基于中間層的故障注入技術(shù)與基于空間的故障注入技術(shù)，并設(shè)計(jì)了軟件故障注入工具。
　　首先，根據(jù)各類故障模型利用突變理論對軟件故障注入進(jìn)行了建模及分析，并設(shè)計(jì)了故障注入策略算法。這種策略通過對故障模型的注入強(qiáng)度進(jìn)行比較與分類，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)注入強(qiáng)度進(jìn)行故障注入實(shí)驗(yàn)的故障注入算法,為有效的故障注入實(shí)驗(yàn)實(shí)施提供依據(jù)。<

4、br>　　研究討論了面向程序變異測試技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展規(guī)律，設(shè)計(jì)并提出了第一個(gè)關(guān)于Tcl的變異分析原型工具Tester，目前實(shí)現(xiàn)了3大類共13個(gè)運(yùn)算符的變異算子，利用其進(jìn)行了變異分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明Tester能有效的實(shí)施變異分析測試。研究了面向自動(dòng)機(jī)的變異，面向自動(dòng)機(jī)的變異主要目的是評測測試用例生成方法的有效性，這比面向程序的變異技術(shù)更進(jìn)一步。我們設(shè)計(jì)了11種變異算子變異自動(dòng)機(jī)，利用變異后的自動(dòng)機(jī)評測測試用例生成方法，主要評測了TT方

5、法與W方法。研究了面向CTL邏輯說明的變異，面向CTL邏輯說明的變異可以利用變異測試有效地生成測試用例。前面兩者是利用變異測試評測測試用例的充分性及測試用例生成方法的有效性，此種變異則是利用變異測試直接生成測試用例，這里需要利用SMV模型檢驗(yàn)器的反例生成能力。我們設(shè)計(jì)了10種變異算子變異CTL邏輯說明。這些我們都通過實(shí)驗(yàn)說明了提出的變異算子的有效性。
　　研究了基于中間層的軟件故障注入。對于模塊與環(huán)境之間的集成整合，Unix環(huán)境下

6、研究了利用FIG實(shí)施的中間層故障注入技術(shù)。Windows環(huán)境下研究了利用detours庫截獲系統(tǒng)調(diào)用，對截獲的調(diào)用注入故障，模擬各種環(huán)境擾動(dòng)故障，通過這種方式評測模塊面對可能環(huán)境故障的可恢復(fù)性與可靠性。對于模塊之間的整合，研究利用軟件故障注入實(shí)現(xiàn)的模塊級和信號級的可靠性評測。目前，對于模塊級的可靠性評測可以利用的理論有單調(diào)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)理論，本文對此理論作了介紹，指出了將其應(yīng)用于利用軟件故障注入評測系統(tǒng)可靠性方面的不足，對于此種情況提出了一種

7、基于軟件故障注入技術(shù)的可靠性評測方法。針對星載軟件系統(tǒng)因宇宙射線和環(huán)境擾動(dòng)而產(chǎn)生的軟件錯(cuò)誤及錯(cuò)誤傳播問題，研究了一種錯(cuò)誤傳播分析方法，利用此方法可從信號和模塊兩個(gè)層次評測軟件的可靠性，并根據(jù)結(jié)果對系統(tǒng)信號或模塊的脆弱性進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)較為脆弱的信號與模塊及最可能傳播錯(cuò)誤的信號傳播路徑；定義了信號與模塊的錯(cuò)誤傳播率、暴露率等參數(shù)，并設(shè)計(jì)了參數(shù)的計(jì)算方法；提出了錯(cuò)誤傳播圖的構(gòu)建算法。
　　研究了基于存儲(chǔ)空間注入技術(shù)的軟件故障注入實(shí)驗(yàn)

8、與分析中存在的問題。提出了并設(shè)計(jì)了兩種基于空間注入技術(shù)的注入方式，并利用它們分別進(jìn)行了故障注入實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)著重分析了注入地址不同的空間分布對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)記錄格式并規(guī)范化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算。完善了軟件故障注入理論，提出了注入強(qiáng)度λ的概念，證明了所提出的兩種注入方式的故障計(jì)數(shù)過程本質(zhì)是泊松過程。詳細(xì)討論并分析了基于不同空間地址概率分布的故障注入實(shí)驗(yàn)問題，得出結(jié)論，對于空間注入技術(shù)實(shí)施的故障注入實(shí)驗(yàn)總存在一種相對較優(yōu)的注入