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软件故障传播分析与仿真

作　者: 刘雪莲
导　师: 刘衍珩
学　校: 吉林大学
专　业: 软件工程
关键词: 复杂网络软件复杂性故障传播软件度量网络化软件
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着信息技术的发展,人们对软件功能的需求越来越高。软件结构日益复杂化,导致了软件故障的复杂性增加。如果一个或者少数几个个体发生故障,该故障可能会随着调用和依存关系传播至其他个体甚至致使其他个体无法正常运行,最终导致部分或者整个系统崩溃,如数值溢出、兼容性故障等简单的错误往往造成不可挽回的结果。因此,研究如何提高软件可靠性问题被越来越多的人关注。软件系统作为典型的复杂系统,其内部模块之间的相互“通信”使软件从整体结构上表现出了复杂网络的特征,可以借助复杂网络理论来进行建模和分析。通过从服务、构件、模块、包、接口、类、函数等不同粒度的角度上对软件进行复杂网络拓扑建模,将上述元素视为组成复杂网络的节点,这些元素之间的作用关系如调用关系、继承关系、聚合关系、包含关系、协作关系等视为复杂网络的边。目前,研究人员大多是通过复杂网络的理论和工具对软件系统进行研究,研究对象主要是开源软件,采用逆向工程等方法,从开源软件源代码中抽取出软件类图,再建立软件网络模型进行分析,进而发现各种统计特性,并针对研究现象得出一些客观规律。本文首先对涉及到的复杂网络领域相关知识加以介绍,包括复杂网络的研究进展,将软件抽象成复杂网络模型并进行故障传播实验的研究意义。然后给出四类典型的网络模型,包括规则网络、随机网络、小世界网络和无标度网络,同时介绍了软件网络化的进展情况,也给出了一些传统软件质量度量的方法,软件网络化和软件漏洞分类方面的相关知识背景。提出了一个构造复杂软件的网络拓扑模型的方法,考虑到边权对真实软件系统的影响不可忽视,将权重加入到复杂网络模型中,提出了加权有向复杂网络模型。为了对比不同网络拓扑结构的容错性,构建了与真实软件网络的节点数、边数、及边权总数相同的随机网络和无标度网络。同时通过引入函数容错能力和软件故障强度建立了复杂软件的级联故障模型,考虑到以下影响网络质量的因素：故障强度、初始故障节点数目、节点容错能力、故障破坏强度、故障触发方式,将其设计到系统中参与讨论。在模拟软件运行时的故障传播行为时,通过实验研究拓扑结构、触发方式、故障强度、初始故障数目和容错能力等因素对级联故障传播的影响,探讨实验现象及其现实涵义,发现：(1)真实软件网络、随机网络和无标度网络的模拟结果均揭示出级联故障的传播速度和范围同故障强度、初始故障数目、容错能力密切相关,即：弱的故障强度、少的初始故障数目和高的容错能力均会减缓级联故障的传播速度,缩小波及范围,提高软件质量；(2)级联故障在三种网络的各场景下展现出的传播整体趋势是一致的,说明了网络拓扑模型和级联故障模型是正确的；(3)在所有实验场景中,真实网络的容错能力均高于随机网络和无标度网络；(4)恶意触发的故障传播速度比随机触发的快,这意味着如果能提高软件系统中的关键函数及其周边函数的容错能力,将有助于提升软件系统的整体质量。在本文的级联故障模型中,故障强度在整个传播过程中始终保持不变,但由于各函数容错能力的作用和差异,该故障的强度应随着函数的调用而产生变化,例如,如果某函数没有异常处理环节,那么该故障传播至此后强度应该被增加,反之则减弱。对复杂软件的级联故障进行建模有助于增进对软件复杂性和容错性的认识,为提高软件质量提供帮助。

全文目录

前言  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-16
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究意义  13-14
  1.3 本文研究内容  14
  1.4 本文章节设置  14-16
第2章复杂网络理论  16-22
  2.1 复杂网络概述  16-17
  2.2 四类典型的网络模型  17-20
    2.2.1 规则网络  17-18
    2.2.2 随机网络  18
    2.2.3 小世界网络  18-19
    2.2.4 无标度网络  19-20
  2.3 软件网络化  20-22
第3章软件故障传播建模  22-27
  3.1 传统软件质量度量  22
  3.2 软件网络拓扑模型  22-23
  3.3 软件漏洞分类  23-24
  3.4 软件级联故障模型  24-27
第4章实验分析  27-49
  4.1 故障触发方式在不同拓扑结构中的影响  32-33
  4.2 故障强度的影响  33-37
  4.3 初始故障数目的影响  37-40
  4.4 容错能力的影响  40-43
  4.5 故障传播在不同时刻的网络拓扑  43-46
  4.6 节点未被最终感染的原因分析  46-49
第5章总结与展望  49-52
  5.1 全文总结  49-50
  5.2 展望  50-52
参考文献  52-55
作者简介及在学期间所取得的科研成果  55-56
致谢  56

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