面向系统可靠性保障的软件配置错误诊断仿真.pdf

509第40 卷第6 期2023年6 月真机仿算文章编号：10 0 6-9348（2 0 2 3)0 6-0 50 9-0 4面向系统可靠性保障的软件配置错误诊断仿真吕晓华,王诺1*，崔建弘，范家熠？（1.河北工程技术学院人工智能与大数据学院，河北石家庄0 50 0 0 0；2.江苏科技大学苏州理工学院，江苏张家港2 156 0 0）摘要：为提高软件服务质量，满足系统的可靠性及高度可定制性要求，提出面向系统可靠性保障的软件配置错误诊断方法。以组件模块间可靠性为前提，结合系统对软件配置的要求，生成软件配置间的关联性，确定配置项值匹配与配置类型，根据相应诊断规则判断软件各节点输出的关系流是否存在错误，完成诊断全过程。实验表明，所提方法能够依据系统软件部分的各项参数诊断软件配置，且诊断结果与实际情况一致，检出率高，能够满足系统的实际应用需求。关键词：关联性；配置项值匹配；配置类型匹配；诊断规则；关系流中图分类号：TP391文献标识码：BSimulation of Software Configuration Error Diagnosisfor System Reliability AssuranceLV Xiao-hua,WANG Nuol*,CUI Jian-hong,FAN Jia-yi?(1.Department of Artificial Intelligence and Big Data,Hebei Polytechnic Institute,Shijazhuang Hebei 050000,China;2.Suzhou Institute of Technology,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang Jiangsu 215600,China)ABSTRACT:In order to improve software service quality and meet the requirements of system reliability and highcustomizability,a method of software configuration error diagnosis for guaranteeing system reliability was put forward.On the premise of guaranteeing the reliability between component modules,the correlation between software configura-tions was established by combining it with the requirements of the system for software configuration.After that,we de-termined the value matching and configuration type of configuration items.Moreover,we judged whether there weresome errors in relationship flow output by software nodes according to diagnosis rules.Finally,the diagnosis was fin-ished.Experimental results show that the proposed method can diagnose the software configuration according to theparameters of the system software,and the results are consistent with the actual situation.In addition,the detectionrate is high,so the method can meet practical requirements.KEYWORDS:Relevance;Configuration item value matching;Configuration type matching;Diagnostic rule;Rela-tionshipflow1引言分析软件配置可以明确该系统的绑定服务器端口、应用算法以及数据存储位置等信息，但由于涉及参数巨大，不完全满足要求的配置结构，会影响系统正常运行、无法执行对应功能，降低了其可靠性，具体表现如下：配置错误是服务失效、系统异常的主要原因之一，经相关调查表明50%以上的收稿日期：2 0 2 1-0 9-2 3系统故障是由配置错误导致的。配置错误所造成的后果也较为严重，直接影响的系统的服务水平，给开发商带来口碑下降、经济损失等负面影响。现阶段关于软件可靠性的研究有很多,罗玲 提出一种采用随机Petri网的嵌人式机载软件可靠性检测。该方法采用Petri网对软件系统建模，获得判定准则与检测策略，随后再次通过Petri网对系统是否存在设计缺陷进行仿真验证，结果表明方法是有效可行的，但多次使用Petri网，对其建模要求较高，面对多功能配置系统时，诊断效率和精度不稳定，510受软件复杂程度影响较大；除此之外，还有学者提出了一种基于代码路径的嵌入式软件可靠度评估方法，采用代码分析法结合已有的软件检测数据验证原始评估模型，根据验证结果完善对应缺陷，给出提高可靠性方案，实验表明该方法在完善阶段可能出现误差，导致最终评估结果准确性低，可操作性和适用性差。基于此，本文面向保障系统的可靠性，给出一种基于软件间关联关系的配置错误诊断方法。总结软件组件各配置间的关联关系，根据推导出的错误诊断规则，对错误源进行判断。实验表明所提方法的诊断精度高，具有可应用于实际的价值。2软件配置项类型匹配设软件的组件模块为M,M2,M，.M,，可靠性可以表示为R,R2,R3，R，若通过所有模块汇合来完成系统的一个任务2】,则其可靠性又可以描述为minR，R 2,R 3，R,。如果一个N模表决系统能够纠正L（N-1)/2 个错误，软件配置中的每个模块可靠性是R，那么此时系统的可靠性可以表示为RNMRZ.c%(1-R)-).R(1)i=M式中,C%表示错误结合，现阶段常用的三模表决系统3 的可靠性可以表示为Rrm(t)=3(R(t)R(t)1-R(t)J)+R(t)R(t)R(t)=3R(t)-2R(t)=3e-2-2e-3(2)式中，入表示软件失效率；t表示软件运行时间，令RTR（t）R(t)则有3e-2入 2 e-3Ae-入t(3)为简化计算，令e-=K,则有3K-2K3=K0.5K R(t)R(t)R(t)R(t)(6)R(t)r1-u r+u11-u由此可得，软件配置采用不同结构、不同连接方式相连所得的软件系统可靠性具有一定的差异4,因此需要分析系统软件中各配置间的关联性，才能更好地完成配置错误的诊断。通常配置间的关联主要表现在配置项类型的一致上，因此要想理清软件配置之间的关系，首先要明确匹配配置项类型，当配置项值完全被匹配时，就可以初步判定该配置的类型，凭借相关指令完成匹配准确性的验证。例如检测到的配置项值为/var/www/abc时，将其初步定义为“路径”，通过分析器调用路径类型指令，确认该路径是否存在，检测出该路径是绝对路径还是相对路径，根据检测结果再次将该路径分类为绝对路径或相对路径。但是某些类型的软件配置不能够直接验证5】，需要根据大量配置样本内容进行训练，并利用分类器确认该配置的最终类型确定系统中的每个配置类型后，就可以初步通过其所属类型进行关系关联，针对字符串、数值等通用配置类型关系可以使用关联算法进一步训练生成6 。具体方法如下：以MySQL监听地址举例，首先通过系统日志进行类型匹配，匹配完成后由MySQL配置监听已被判定的IP网址，此时两个配置的中间数据库地址以及网络接口地址，也会被判定为IP地址，那么识别出的各个地址类型配置项之间就产生了关联，相应的关联规则也会就此产生。3诊断规则生成配置间的关联关系生成后，可获得相应的诊断规则。系统中各软件的实际应用环境与其具体功能密切相关，仅仅依靠数据挖掘生成诊断规则的效率较低7 ,在数据量较大的系统中不可行。因此本文结合系统的实际运维经验以及各配置之间的关联关系，给出了诊断规则，依然以MySQL配置为例,给出其规则生成模板为组件-路径grant组件）-用户名，尖括号中的部分表示占位符。规则在产生的过程中首先会枚举所有组件及配置项，例如通过模板给出MySQL配置的一条相关规则如下：MySQL-datadirgrantCenTOS-MySQL,表示CenTOS账户的MySQL需具备访问MySQL的datadir权限，其余诊断规则模板如表1所示。表1诊断规则生成模板模板说明【组件-类型=组件-类型两个配置项之间存在关联，且类型一致组件)-=组件)-软件中的两个IP地址配置项位于同一子网内组件）-路径)grant组件）-用户名用户名相关的配置项需具有文件路径相关配置项的访问权组件)-路径)denied组件）-软件中的用户名配置项需归属于用户组配置项结合各配置之间的关联关系，给定诊断规则生成模板，用户也可以根据系统的实际情况自定义删除或添加模板。针对所有模板系统会根据全部需要匹配的占位符自动进行数据填充，生成初始规则。生成后的初始规则中可能掺杂了部分垃圾规则8 ，因此还需要进行一次初始规则筛选，删除无意义的垃圾规则4车软件配置错误诊断实现首先给出2 点错误源假设如下：假设1：节点状态错误，根据诊断规则可以得出该错误主要体现在两个方面分别为：各路径对应的输人关系流判断错误，任务执行时出现不合理现象。假设2：输人数据存在错误，因此根据诊断规则可以得出不论系统各个节点的状态是否正常，错误关系都会传递到输出关系流。根据以上假设得出如下公理：公理：若某节点的所有输出关系均为正确的，则可认定该节点没有错误，如果某节点的输出关系流存在错误，则认为该节点中存在错误。定理：假设（u12，,m-1,m）表示系统对应有向图的通路，如果输出数据不存在错误，则该条通路中没有错误源，如果的输出数据有错误,则其中至少有一个错误源i。证明：如果m的输出关系没有错误，则根据公理可知m不存在错误，的输人关系流也是不能存在错误的，也就是说前一节点的输出关系流也没有错误,则通道(1,2，Um-1,m）中没有错误。根据以上定理总结出以下两点错误：1)若m的输人数据没有错误，则该节点的前一节点Um-I输出是没有错误的,从而可以进一步确定该节点的初始输人规则到m-1节点之间的通路中没有错误。也就可以得出，若存在错误，则实施任务时在该节点存在不合理行为，是唯一导致该点输出错误的错误源。2)若输入规则为错误的,则该节点的前一节点m-1的输出规则也是错误的，以此类推往前搜索，直至发现某一节点u，的输入规则是无错误的,则可以判定从初始节点到该节点通路上的输人规则是正确的，而；的错误沿着通路传输至m，导致m的输出规则出现错误。若任意节点的执行主体发现前一节点的输入关系有错误，则根据诊断规则可知该任务的前一节点输出关系流发生错误，此时软件的运行就会出现故障，需要对该故障进行定位和诊断，具体步骤如下：步骤1：确定从原始节点到u-1之间的通路为（u1,2，Uk-1）,令检查节点为Uk-io步骤2：根据诊断规则判断节点Uk-的输人数据是否有错误存在，如果没有表示从初始点到u-;之间的通路中只有-i节点上有不合理行为，则按照诊断规则进入错误诊断流程，即转人步骤3，如果存在错误转人步骤4。步骤3：判断k;的输出错误类型，记录错误内容，分析错误原因，储存至错误类型数据库，避免同样错误继续发生，转人步骤5。步骤4：令=计1,并转人步骤2。步骤5:诊断结束。5仿真研究5.1仿真环境为实现对错误诊断算法的有效性测试，搭建具体的诊断环境平台，平台包括3台服务器，一台用来管理节点，两台用来计算节点。收集目标软件运行过程中的系统调用追踪信息，采用本文方法对以下常用服务器的软件配置情况进行诊断，分别为：多线程HTTP服务器；关系型数据库MySQL；应用程序服务器JavaWeb；分布式文件系统Tomcat。为了获得系统的真实配置错误，使用相关术语搜索测试对象的漏洞库，手动检测搜索出由配置错误所产生的bug，根据错误报告重现每个bug。最终得出实验对象共存在9个由软件配置错误导致的bug，如下：1)Apache-1其所在服务器为HTTP,导致其产生的原因为：由于软件配置错误，是节点误标记导致了无限循环，具体体现在系统中的症状为挂起。2)Apache-2其所在服务器为HTTP,导致其产生的原因为：由于软件配置错误，误标记导致SSL重复销毁和创建，降低系统性能。具体体现在系统中的症状为运行速度减慢。3)Tomcat-1其所在服务器为Java Web,导致其产生的原因为：过滤器链项设置错误导致无限循环。具体症状为挂起4)Tomcat-2其所在服务器为JavaWeb，导致其产生的原因为：计数器值更新出现错误导致线程不停检查数值是否错误，具体症状为挂起。5)Tomcat-3其所在服务器为JavaWeb，导致其产生的原因为：尝试将读锁升级至写锁知识服务器，具体症状为挂起。512下转第52 2 页）6)HDFS-1其所在服务器为Tomcat，导致其产生的原因为：无休止等待系统设置原子变量，具体症状为挂起。7)HDFS-2其所在服务器为Tomcat，导致其产生的原因为：连续读取套接字直至超时，具体症状为挂起。8)MySQL-1其所在服务器为MySQL，导致其产生的原因为：两个线程同时尝试执行INSERTDELAYED语句，但其中一个线程已锁定表导致两个线程进人死锁状态，具体症状为挂起。9)MySQL-2其所在服务器为MySQL,导致其产生的原因为：在截取一个大表后，写人磁盘频繁异常，具体症状为挂起。5.2诊断有效性测试通过本文方法对以上系统进行错误诊断，诊断结果如表2所示。表2诊断结果表系统调用总Bug相关是否与实际名称次数(百万）调用情况相符Apache-13.7sys_getimeofday,sys_write是Apache-23.6sys_stat64,sys_write是Tomcat-11.2sys_gettimeofday,sys_read是Tomcat-22.3sys_gettimeofday,sys_stat64是Tomcat-31.9sys_stat64,sys_gettimeofday是HDFS-11.5sys_gettimeofday,sys_read是HDFS-22.4sys_gettimeofday,sys_read是MySQL-11.3sys_stat64,sys_llseek是MySQL-24.0Sys_futex,sys_gettimeofday是从表2 中可以看出，本文方法成功地诊断出了不同系统由于软件配置导致的bug，且诊断结果均与实际情况相同。5.3检出率测试对比本文方法与基于随机Petri网、基于代码路径的软件配置错误诊断检出率，结果如图1所示。可以看出所提方法的总检出率要高于其它两种方法，进一步证明了本文方法能够有效地完成配置错误诊断，能够满足实际需求。100959085基于代码路径随机Petri网本文方法8075100.51.01.52.02.53.03.54.0调用次数/百万图1不同方法检出率对比图5.4运行效率测试本节测试错误诊断的运行时间是否能够达到实时性要求，分别记录出算法诊断不同错误的起始与结束时间，各个诊断耗时如图2 所示。14基于代码路径12随机Petri网本文方法10S/回期86420Apache-Apache-2Tomcat-Tomcat-2Tomcat-HDFS-HDFS-2MySQLMySQL2图2不同错误诊断耗时从图2 中可以看出，本文方法的平均耗时较短,其中所有错误中诊断耗时最长的为Tomcat-3,共用了12 s,最短为MySQL-1,耗时仅用了5s,所提方法能够在短时间内完成大量计算，运行效率较高。5.5诊断开销测试在诊断过程中，会占用额外的运行空间，将该空间称为性能开销，为验证所提方法能否在不占用大量额外空间的前提下完成计算，对其性能开销进行测试，并根据实际数据对各测试设置工作量。针对Apache、T o m c a t 服务器，采用httperf以每秒10 0、50 次的频率向二者分别发出请求；使HDFS服务器运行Pi程序；使MySQL服务器每秒执行2 0 次select操作。共进行5次试验，试验结果如图3所示。2.0基于代码路径1.8随机Petri网1.6本文方法1.41.21.00.80.60.40.20.0-12Apache-1Apache-2Tomcat-1Tomcat-2Tomcat-3HDFS-1HDFS-2MySQLMySQL图3诊断开销测试结果从图3中可以看出，所提方法对MySQL-2产生的额外开销最低，仅占用系统内存约0.1GB,而最高开销为Tomcat-3,也不超过0.5GB,且对各个bug进行诊断时所占用内存均低于其它两种，证明了所提方法能够在不影响系统正常运行的情况下完成诊断，确保系统的可靠性。6绍结论随着软件的功能增加，522上接第512 页）重构在室内照明区域控制中是必不可少的一环。目前室内照明区域控制方法存在控制精度和节电率低、动态采光水平差的问题。提出基于视觉参照系重构的室内照明区域控制方法，首先研究分析自然光的衰减情况，结合研究结果合理地调节百叶窗角度，然后通过计算选定合适的配灯数，最后根据配灯照度值调节室内照明控制的均一性。实验结果表明，所提方法可以有效地提高控制精度、节电率和动态采光水平，为室内照明区域控制在未来能够有更好地发展奠定基础。参考文献：1赵建平，王书晓，高雅春.健康照明应用研究发展与展望J.科学通报,2 0 2 0,6 5(4)：30 0-310.2傅鹏有，周金治，刘艺涵，等.无线智能情景LED照明控制系统设计J.电视技术，2 0 19,43（4）：99-10 2.3许馨尹，李淑娴，付保川.基于日光和用户需求的照明节能控制方法研究J.建筑科学，2 0 19,35（10）：150-156.4张婷，张德干，高瑾馨.一种基于WSN的室内日光自适应控制方法J.控制工程，2 0 2 0,2 7（1）：8-12.5罗浩顺，徐良杰，杜志刚，等。冰雪弯道多频视觉参照系对车速感知的影响J.中国安全科学学报，2 0 19,2 9（2）：10 0-10 5.6美尹力，史玲娜，刘贞毅，等.低交通量下“与车随行”隧道照明节软件配置的复杂度也大幅度增加，配置错误也就随之产生，为及时发现配置错误情况，提高系统可靠性，提出一种面向系统可靠性保障的软件配置错误诊断仿真。首先根据实际参数给出各配置之间的关联关系，制定出诊断规则，根据诊断规则判断系统各节点的输出和输人数据流是否正确完成错误诊断全过程。通过实验分析表明，所提方法的诊断准确率较高、运行耗时较短且性能开销占比较低，能够满足实际需求。参考文献：1罗玲.采用随机Petri网的嵌人式机载软件可靠性检测J.计算机工程与应用，2 0 19,55（1）：2 33-2 40.2段文静，姜瑛.基于用户反馈的APP软件缺陷识别J.计算机科学,2 0 2 0,47（6）：44-50.3李元香，董夏磊，项正龙，等.基于图卷积神经网络的软件缺陷分派方法J.武汉大学学报（理学版），2 0 2 0,6 6（3）：2 44-2 52.4王焘，陈伟，李娟，刘绍华，等.一种基于关联挖掘的服务一致化配置方法J.计算机研究与发展，2 0 2 0,57（1）：18 8-2 0 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0-），女（汉族），河北赵县人，硕士，副教授，主要从事电子通信技术与计算机科学研究。范家熠（1991-），男（汉族），江苏张家港人，硕士，助教，主要从事电子信息工程研究。