軟件故障注入關鍵技術研究.pdf

1、可靠性是計算機系統(tǒng)的重要指標之一，在航天、航海、金融、交通、核工業(yè)控制等很多任務或時間關鍵性領域中，一旦在使用中出現(xiàn)故障后果不堪設想，可能造成巨大的經濟損失和人員傷亡。因此對這些系統(tǒng)在投入使用之前一定要進行充分的測試，消除系統(tǒng)內可能存在的故障和漏洞，同時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，如常見的單粒子翻轉故障，來對系統(tǒng)的可靠性等指標進行充分的評測，根據測試結果采用必要的設計和防護方法，保證其滿足可靠性要求。
　　

2、故障注入技術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生并引入故障到目標系統(tǒng)中加速系統(tǒng)產生錯誤和失效，然后通過分析故障引入后的系統(tǒng)行為反應，實現(xiàn)對目標系統(tǒng)可靠性進行評測的技術。與傳統(tǒng)可靠性評測技術相比，它具有無需建立和求解復雜的系統(tǒng)模型，而且實驗時間短、結果精度高等優(yōu)點。故障注入技術有硬件實現(xiàn)的故障注入、模擬實現(xiàn)的故障注入和軟件實現(xiàn)的故障注入三種。與前兩種方法相比，基于軟件實現(xiàn)的故障注入具有操作簡便、開發(fā)成本低廉，

3、不會對目標系統(tǒng)造成損傷等優(yōu)點。本文主要研究了軟件故障注入技術，將軟件故障注入應用到軟件測試的不同環(huán)節(jié)，分別研究了變異測試技術，基于中間層的故障注入技術與基于空間的故障注入技術，并設計了軟件故障注入工具。
　　首先，根據各類故障模型利用突變理論對軟件故障注入進行了建模及分析，并設計了故障注入策略算法。這種策略通過對故障模型的注入強度進行比較與分類，實現(xiàn)了根據注入強度進行故障注入實驗的故障注入算法,為有效的故障注入實驗實施提供依據。<

4、br>　　研究討論了面向程序變異測試技術的特點及發(fā)展規(guī)律，設計并提出了第一個關于Tcl的變異分析原型工具Tester，目前實現(xiàn)了3大類共13個運算符的變異算子，利用其進行了變異分析實驗，實驗結果標明Tester能有效的實施變異分析測試。研究了面向自動機的變異，面向自動機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更進一步。我們設計了11種變異算子變異自動機，利用變異后的自動機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模型檢驗器的反例生成能力。我們設計了10種變異算子變異CTL邏輯說明。這些我們都通過實驗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實施的中間層故障注入技術。Windows環(huán)境下研究了利用detours庫截獲系統(tǒng)調用，對截獲的調用注入故障，模擬各種環(huán)境擾動故障，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關聯(lián)系統(tǒng)理論，本文對此理論作了介紹，指出了將其應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)境擾動而產生的軟件錯誤及錯誤傳播問題，研究了一種錯誤傳播分析方法，利用此方法可從信號和模塊兩個層次評測軟件的可靠性，并根據結果對系統(tǒng)信號或模塊的脆弱性進行分析，找出系統(tǒng)較為脆弱的信號與模塊及最可能傳播錯誤的信號傳播路徑；定義了信號與模塊的錯誤傳播率、暴露率等參數，并設計了參數的計算方法；提出了錯誤傳播圖的構建算法。
　　研究了基于存儲空間注入技術的軟件故障注入實驗

8、與分析中存在的問題。提出了并設計了兩種基于空間注入技術的注入方式，并利用它們分別進行了故障注入實驗，通過實驗著重分析了注入地址不同的空間分布對實驗產生的影響，設計了實驗記錄格式并規(guī)范化了實驗數據的分析和計算。完善了軟件故障注入理論，提出了注入強度λ的概念，證明了所提出的兩種注入方式的故障計數過程本質是泊松過程。詳細討論并分析了基于不同空間地址概率分布的故障注入實驗問題，得出結論，對于空間注入技術實施的故障注入實驗總存在一種相對較優(yōu)的注入