Linux的魯棒性度量詳解及魯棒性關聯(lián)測試分析

軟件(或軟件構件)魯棒性是衡量軟件在異常輸入和應力環(huán)境條件下保持正常工作能力的一種度量。魯棒性測試主要用于測試操作系統(tǒng)、應用程序、COTS軟件、構件及服務協(xié)議等軟件和協(xié)議的可靠性及健壯性。在操作系統(tǒng)和安全關鍵軟件等一些重要軟件的測試上尤為重要。對于系統(tǒng)魯棒性的評價一般有基于測量的方法和基于故障注入的方法，近年來提出了魯棒性基準程序方法(Robustness Benchmarking)[1]。魯棒性基準程序(Robustness Benchmark)由一組健壯性測試用例組成。

實施軟件魯棒性測試的目的是發(fā)現(xiàn)所測代碼的健壯性薄弱環(huán)節(jié)，并予以消除或增強抵抗異常情況的能力。增強代碼健壯性的過程包括：(1)確定軟件的激發(fā)健壯性失效的異常值參數(shù)，并進行測試；(2)分析測試結果，找出失效原因；(3)寫保護代碼屏蔽導致失效的異常值；(4)把保護代碼與軟件模塊相連接[3]。
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1 Linux內核函數(shù)測試

Linux操作系統(tǒng)體系結構從底層到頂部的順序依次是：內核(包含內核函數(shù))、系統(tǒng)調用、內建程序(操作系統(tǒng)的命令)。內核函數(shù)是內核代碼的組成部分，其調用程序直接運行在內核空間。內核函數(shù)一旦出現(xiàn)異常，將立刻對整個操作系統(tǒng)產生影響。系統(tǒng)調用一般對內核函數(shù)進行封裝，以此作為內核與用戶空間的接口。當用戶程序使用系統(tǒng)調用時會轉到內核空間，調用結束后又會返回用戶空間。內核函數(shù)的測試結果一般分類為：函數(shù)錯誤碼返回、異常、內核掛起、工作負載夭折、工作負載結果不正確、工作負載完成[1]。

Linux內核函數(shù)魯棒性測試的最終目的是要提高系統(tǒng)的健壯性，需要根據(jù)測試結果生成相應的保護代碼。這方面的研究目前處于初期階段。
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2 魯棒性維度分析

典型的魯棒性測試包括模塊化基準測試和層次化測試兩種主要方法。模塊化基準測試是對一個系統(tǒng)進行分離測試。它把一個獨立的系統(tǒng)看作是一系列組件的集合，如文件系統(tǒng)、內存系統(tǒng)、外部交互系統(tǒng)、鎖機制和多道程序運作等，另外還通過一個監(jiān)視器程序來監(jiān)視和收集測試的結果。而層次化測試是通過定義一個清晰的交互層，使測試和對各種模塊進行測試的執(zhí)行細節(jié)相分離。一些測試可以適用于所有模塊，而另一些可能只適合一個模塊子集。使用層次性結構是分解系統(tǒng)的好方法。通過層次化來對操作系統(tǒng)進行測試可以收到較好的效果[2]。

無論采用模塊化基準測試還是層次化方法，最終都是對操作系統(tǒng)接口函數(shù)采用參數(shù)的組合測試。對魯棒性測試結果進行分析的一種方法是使用維度(Dimensionality)模型。維度有兩種定義：(1)參數(shù)維度，它指的是模塊中參數(shù)的個數(shù)，對于一個軟件模塊而言，參數(shù)維度被定義為其變量的個數(shù)；(2)魯棒性失效維度，對于引起魯棒性失效的一組特殊參數(shù)，那些確實引起失效的參數(shù)的個數(shù)被定義為魯棒性失效維數(shù)。
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2.1 維度失效

維度失效分一維失效和多維失效。多維失效的參數(shù)一定都是符合條件的系統(tǒng)能夠識別的值。一維失效和多維失效所引發(fā)的原因不同，一維失效是參數(shù)非法，多維失效是參數(shù)組合非法(每個參數(shù)都是合法的)。當一維失效用例被保護和屏蔽后，會不會跳轉為多維失效，關鍵是看其參數(shù)是否構成組合關系。從對其參數(shù)的組合關系的判定上，可以判斷該失效用例是真維失效用例還是變維失效用例[3]。

基于低維度優(yōu)先的維度模型中失效維度不可能超過參數(shù)維度。可能屬于一維失效的某個失效，同時也可能屬于高維失效。對于這種情況，一般把這個失效作為低維失效來對待。同時激發(fā)軟件魯棒性失效所需考慮的最少因素取決于魯棒性失效維數(shù)，當參數(shù)維度為失效維度時，測試結果的觀察最為直觀；當參數(shù)維度大于失效維度，測試結果的觀察就不太直觀了。失效維度也可以通過觀察魯棒性測試的響應模式得到。
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2.2 失效狀態(tài)分析

維度失效狀態(tài)分為三類。(1)真維失效指狀態(tài)失效條件被屏蔽后，測試用例跳轉到正常狀態(tài)；(2)同維失效指狀態(tài)失效條件被屏蔽后，失效維度保持不變；(3)變維失效指相同條件下產生失效維度升高。由于基于低維度優(yōu)先原則，所以由高維度向低維度的失效躍遷跳變不可能發(fā)生[3]。魯棒性測試用例的失效維度狀態(tài)轉變如圖1所示。

Linux的魯棒性度量詳解及魯棒性關聯(lián)測試分析