嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真

李柯景，魯光男

(長(zhǎng)春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引言

嵌入式軟件指的是支持嵌入式裝置運(yùn)行的軟件層或是應(yīng)用軟件層，主要負(fù)責(zé)處理計(jì)算機(jī)發(fā)出的各項(xiàng)控制指令。嵌入式軟件能夠增值嵌入式設(shè)備，通過(guò)軟件代碼間的相互作用，實(shí)現(xiàn)軟件的不同功能[1]。隨著嵌入式軟件應(yīng)用面不斷拓展，軟件與局域網(wǎng)間的連接問(wèn)題逐漸成為研究熱點(diǎn)。

國(guó)外對(duì)嵌入式軟件研究起步較早，在軟件與網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障的檢測(cè)上也起步較早，借助于解析模型手段，現(xiàn)已研究得到實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。國(guó)內(nèi)在研究嵌入式軟件上的時(shí)間并不久，但在我國(guó)研究人員不斷地努力下，已經(jīng)得到了多種檢測(cè)方法和測(cè)試平臺(tái)。文獻(xiàn)[2]提出嵌入式通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別檢測(cè)，分析遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)增高預(yù)警值，建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信傳輸模型，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)點(diǎn)均值處理系統(tǒng)中的無(wú)效數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)平均線處理方法對(duì)通信系統(tǒng)中的有效數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，獲得有效數(shù)據(jù)交叉信息鏈，連接相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)點(diǎn)均值，計(jì)算出數(shù)據(jù)的包絡(luò)特征值，用于識(shí)別通信系統(tǒng)中的有效數(shù)據(jù)，形成遠(yuǎn)程有效數(shù)據(jù)時(shí)域波形信息分量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確識(shí)別檢測(cè)。文獻(xiàn)[3]提出采用隨機(jī)Petri網(wǎng)的嵌入式機(jī)載軟件可靠性檢測(cè)，針對(duì)典型缺陷，建立了嵌入式機(jī)載軟件系統(tǒng)行為模型，給出了典型缺陷的檢測(cè)策略和判斷準(zhǔn)則，通過(guò)對(duì)Petri網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證系統(tǒng)是否存在這種設(shè)計(jì)缺陷，并給出了軟件設(shè)計(jì)運(yùn)行過(guò)程的仿真驗(yàn)證算法，以完成可靠性檢測(cè)。

雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但在嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)中檢測(cè)存在一定局限，為此在仿真技術(shù)的支持下，研究一種網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，解決軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中由于描述不同導(dǎo)致的故障檢測(cè)問(wèn)題，增強(qiáng)嵌入式軟件與網(wǎng)絡(luò)連接間的銜接過(guò)程。研究嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真是很有必要的。

2 嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真

2.1 計(jì)算嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的響應(yīng)特性

嵌入式軟件處于工作過(guò)程時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連接的線路與數(shù)據(jù)傳輸間都可能產(chǎn)生連接故障[4]，不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)在數(shù)據(jù)應(yīng)答間隙內(nèi)，發(fā)送一個(gè)顯性位應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)的回執(zhí)，以支持嵌入式軟件運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，當(dāng)軟件網(wǎng)絡(luò)發(fā)生連接錯(cuò)誤時(shí)，網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)在發(fā)生位置將顯性位變換為隱性位，也就形成了邏輯值相異[5]。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤時(shí)間比率數(shù)值，將相異性的邏輯值轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤幀，轉(zhuǎn)換過(guò)程就可表示為

(1)

其中，C表示發(fā)生網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤的時(shí)刻，W表示軟件網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)間，r表示發(fā)生網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤的數(shù)量，E表示網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的時(shí)刻向量，TR表示網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)長(zhǎng)，T(u)表示錯(cuò)誤故障發(fā)生的時(shí)長(zhǎng)參數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障在一段時(shí)間內(nèi)，嵌入式軟件會(huì)產(chǎn)生不同的錯(cuò)誤行為，所以在計(jì)算錯(cuò)誤響應(yīng)特性前，計(jì)算錯(cuò)誤故障的周期，計(jì)算公式可表示為

(2)

其中，t表示間隔時(shí)長(zhǎng)，v表示網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的累積時(shí)長(zhǎng)，其余參數(shù)含義不變。根據(jù)嵌入式軟件的連接特性，實(shí)際產(chǎn)生的連接錯(cuò)誤故障周期并不均勻，所以在計(jì)算嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的響應(yīng)特性時(shí)，根據(jù)實(shí)際的嵌入式軟件的接收指令信號(hào)的周期[6]，設(shè)定錯(cuò)誤故障的最大可接受程度閾值，將該閾值作為響應(yīng)評(píng)估參數(shù)，該評(píng)估參數(shù)就可表示為

(3)

其中，A(t)表示實(shí)際錯(cuò)誤故障的顯性位數(shù)量，Li表示設(shè)定的可接受程度閾值。將該公式評(píng)估網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤故障的性能作為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障的響應(yīng)過(guò)程，根據(jù)故障網(wǎng)絡(luò)形成的響應(yīng)，設(shè)定實(shí)時(shí)檢測(cè)方式。

2.2 設(shè)定實(shí)時(shí)檢測(cè)方式

在上述分析得到的響應(yīng)特性下，將軟件連接網(wǎng)絡(luò)的若干個(gè)點(diǎn)作為保護(hù)單元，設(shè)定一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)門(mén)限數(shù)值，可表示為

(4)

其中，Nf表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參考單元的采樣點(diǎn)數(shù)量，T表示連接網(wǎng)絡(luò)的虛警參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)單元平均恒虛警理論的控制下，檢測(cè)點(diǎn)的門(mén)限系數(shù)就可計(jì)算得到

(5)

其中，Pf表示檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)概率，N表示網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。以上述門(mén)限系數(shù)大小，劃定上述檢測(cè)點(diǎn)為不同的檢測(cè)區(qū)域，根據(jù)分辨單元內(nèi)的回波能量，不斷累積距離單元中的故障回波[7]。為了控制單元中的噪聲數(shù)值，計(jì)算分辨單元中的檢測(cè)概率，計(jì)算公式就可表示為

(6)

圖2 檢測(cè)概率與噪聲數(shù)值間的變化關(guān)系

根據(jù)圖2所示的數(shù)值變化關(guān)系可知，在檢測(cè)次數(shù)的影響下，一旦噪聲數(shù)值增大，那么檢測(cè)錯(cuò)誤故障的概率也會(huì)降低，所以在設(shè)定實(shí)時(shí)檢測(cè)方式時(shí)，根據(jù)檢測(cè)次數(shù)的大小，只保留在門(mén)限系數(shù)左右的采樣數(shù)據(jù)，以最小的門(mén)限系數(shù)作為采樣起點(diǎn)[8]，計(jì)算采樣門(mén)限系數(shù)的重心，計(jì)算公式可表示為

(7)

其中，n，l表示檢測(cè)數(shù)據(jù)采樣的起點(diǎn)與終點(diǎn)，x(j)表示連續(xù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)集。在上述重心參數(shù)的控制下，設(shè)定檢測(cè)采樣值為數(shù)值1，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法的實(shí)時(shí)性[9]。設(shè)定實(shí)時(shí)的檢測(cè)方式后，設(shè)定模擬窗口的執(zhí)行時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真。

2.3 網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)

模擬檢測(cè)仿真的不變時(shí)間量，作為錯(cuò)誤故障的有效壽命，疊加處理連接錯(cuò)誤參數(shù)[10]，整理得到軟件損壞隨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤變化

在如圖3所示的嵌入式軟件錯(cuò)誤變化下，控制仿真時(shí)間段在有效壽命之間，并將該時(shí)期作為故障實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真時(shí)期[11]，聯(lián)合上述設(shè)定的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，采用JAVA中的AWT/Swing體系結(jié)構(gòu)設(shè)定一個(gè)檢測(cè)仿真窗口，設(shè)定的仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 設(shè)定的檢測(cè)仿真結(jié)構(gòu)圖

在圖4所示的檢測(cè)仿真窗口下，準(zhǔn)備響應(yīng)特性得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，創(chuàng)建一個(gè)連接錯(cuò)誤后繼邊，構(gòu)建一個(gè)后繼邊合法性的判斷關(guān)系，可表示為

R(t)=P(g>t)，t≥0

(8)

其中，g表示軟件壽命的隨機(jī)變量，t表示指定的時(shí)間。隨機(jī)選取一條合法的后繼邊，作為軟件測(cè)試階段的末期，計(jì)算選取后繼邊的數(shù)值，根據(jù)數(shù)值大小判斷軟件網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤是否進(jìn)入到錯(cuò)誤狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)，使用甘特圖標(biāo)出連接錯(cuò)誤故障[12]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接沒(méi)進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)，瞬時(shí)處理該后繼邊，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)的仿真。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備具有如表1參數(shù)所示的嵌入式系統(tǒng)。

表1 嵌入式系統(tǒng)功能參數(shù)

使用上表所示功能參數(shù)控制的嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使用CPU為i5、內(nèi)存為8G的計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)連接PXIe機(jī)箱，在計(jì)算機(jī)硬件機(jī)箱上插入多功能通訊卡與網(wǎng)絡(luò)資源模塊卡作為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連接端口。在網(wǎng)絡(luò)硬件組件接口處、多功能通訊卡和網(wǎng)絡(luò)資源模塊卡處設(shè)定網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤的測(cè)試節(jié)點(diǎn)，設(shè)置的測(cè)試節(jié)點(diǎn)結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試節(jié)點(diǎn)

在表2所示的節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，分別使用文獻(xiàn)[2]中的檢測(cè)仿真方法、文獻(xiàn)[3]中的檢測(cè)仿真方法以及文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)仿真方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種檢測(cè)仿真方法的性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)處存在100個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障缺陷，以三種檢測(cè)仿真方法發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障作為對(duì)比指標(biāo)，定義檢測(cè)仿真方法網(wǎng)絡(luò)處理集與設(shè)定的故障集數(shù)量相等時(shí)，即為一次故障發(fā)現(xiàn)成功過(guò)程，統(tǒng)計(jì)三種檢測(cè)仿真方法發(fā)現(xiàn)故障數(shù)量，結(jié)果如表3所示：

表3 三種實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真方法發(fā)現(xiàn)故障能力

由表3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在三種檢測(cè)仿真方法控制下，一個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)處設(shè)置100個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接故障，每個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)位置共有500個(gè)連接故障，根據(jù)上表各項(xiàng)數(shù)值結(jié)果可知，文獻(xiàn)[2]中的檢測(cè)仿真方法最終發(fā)現(xiàn)故障的數(shù)量最少，錯(cuò)誤故障數(shù)量在250～300個(gè)之間，文獻(xiàn)[3]中的檢測(cè)仿真方法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤故障較多，數(shù)值在350～400個(gè)之間。而文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)仿真方法能夠發(fā)現(xiàn)480～500個(gè)錯(cuò)誤故障，與前述兩種現(xiàn)有檢測(cè)仿真方法相比，文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)仿真方法發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤故障最多，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤故障的能力最強(qiáng)。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，定義在設(shè)定的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)處生成有效檢測(cè)集與實(shí)際檢測(cè)得到的故障數(shù)量相等時(shí)，即為一次檢測(cè)有效過(guò)程，可計(jì)算得到

(9)

其中，i，j分別表示設(shè)定的連接錯(cuò)誤故障以及實(shí)際檢測(cè)得到的錯(cuò)誤故障，n表示檢測(cè)路徑，m表示檢測(cè)路徑的約束參數(shù)，Vij表示得到的有效檢測(cè)集，tij表示約束生成的時(shí)間集合，在設(shè)定已知數(shù)量的錯(cuò)誤故障下，統(tǒng)計(jì)三種實(shí)時(shí)檢測(cè)方法在不同測(cè)試階段的有效率，有效率結(jié)果如表4所示。

由表4所示的檢測(cè)有效率結(jié)果可知，在三種檢測(cè)仿真方法控制下，網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障檢測(cè)表現(xiàn)出了不同的有效率結(jié)果，根據(jù)表4中的數(shù)值大小，文獻(xiàn)[2]中的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法的有效率數(shù)值在68%左右，檢測(cè)的有效率數(shù)值較小，文獻(xiàn)[3]中檢測(cè)方法的有效率數(shù)值在83%左右，檢測(cè)錯(cuò)誤故障的有效性較強(qiáng)，而文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)仿真方法的有效率數(shù)值在92%左右，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障的有效性最強(qiáng)。

表4 檢測(cè)有效率結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)定測(cè)試節(jié)點(diǎn)處的配對(duì)門(mén)限為5000個(gè)采樣單元，當(dāng)檢測(cè)方法檢測(cè)到采樣單元中的連接錯(cuò)誤時(shí)，軟件網(wǎng)絡(luò)發(fā)出預(yù)警，設(shè)定三種實(shí)時(shí)檢測(cè)仿真方法重復(fù)檢測(cè)采樣單元10萬(wàn)次，統(tǒng)計(jì)三種檢測(cè)仿真方法最終產(chǎn)生的虛警次數(shù)，結(jié)果如表5所示：

表5 三種檢測(cè)仿真方法產(chǎn)生的虛警次數(shù)

根據(jù)表5所示虛警次數(shù)結(jié)果可知，重復(fù)檢測(cè)采樣單元10萬(wàn)次后，文獻(xiàn)[2]中的檢測(cè)仿真方法在檢測(cè)錯(cuò)誤故障過(guò)程中，實(shí)際的虛警次數(shù)在45次左右，產(chǎn)生的虛警次數(shù)最多，文獻(xiàn)[3]中的檢測(cè)仿真方法產(chǎn)生虛警次數(shù)在25次左右，實(shí)際的虛警次數(shù)較少，而文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)仿真方法產(chǎn)生的虛警次數(shù)在5次左右，產(chǎn)生的虛警次數(shù)最少。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)仿真方法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤故障的數(shù)量最多、故障檢測(cè)的有效率最大且產(chǎn)生的虛警次數(shù)最少，適合實(shí)際檢測(cè)仿真過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著嵌入式軟件逐漸向復(fù)雜化方向發(fā)展，傳統(tǒng)式的檢測(cè)方法已無(wú)法滿足軟件的安全性要求，為此仿真嵌入式軟件網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程，將網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤故障進(jìn)行細(xì)化處理，改善傳統(tǒng)檢測(cè)仿真方法檢測(cè)故障有效率過(guò)小、發(fā)現(xiàn)故障數(shù)量過(guò)少，產(chǎn)生虛警次數(shù)過(guò)多的不足，為今后研究整體嵌入式軟件的錯(cuò)誤故障提供一定的研究方向。