基于环境多样性的软件容错及其应用研究

Modern life depends on devices and systems that contain a moderate to significant amount of software, so software reliability is very important to the reliability of a system. Hardware redundancy based on replication is well utilized, but software redundancy has hitherto been based on design diversity, which is rather expensive. Affordable software fault tolerance using the newer notion of environmental diversity is studied in this project. This idea is predicated on the existence of elusive software faults known as environment dependent bugs. The environment for a software system here is taken to mean the operating systems resources and other concurrently running applications. This project mainly focuses on the following three research aspects: environmental factor identification, environment control techniques, environmental diversity based fault tolerance approaches, and applications to Android systems. Failure data analytics from open sources, experiments, analytic modeling and optimization techniques will be employed. The fruits of the research will contribute to the reduction of the cost of software fault tolerance, while reducing the impact of environment dependent bugs on software reliability/availability. It will also contribute to the emergence and development of the environment dependet bugs related research in software engineering.

软件是现代系统中的重要组成部分，因此软件可靠性对于系统的可靠性来说至关重要。迄今为止，软件容错主要通过设计多样性来实现，其高昂的实现成本在很大程度上限制了应用范围。在本项目中，我们主要研究一种低成本的基于环境多样性的软件容错方法，用于对具有暂态特性的环境依赖缺陷所产生的错误进行容错，其中软件的运行环境主要是指系统资源以及同时运行的其它软件。本项目主要研究以下四方面内容：环境因子识别、关键环境因子控制技术、基于环境多样性的软件容错方法以及该容错方法在安卓系统上的应用。我们将从开源软件的失效数据分析、实验研究、解析建模和优化技术等方面展开研究。本项目的研究工作能够有效减小环境依赖缺陷对系统可靠性/可用性影响，同时减少软件容错的成本。除此之外，该项目还有助于软件工程领域中环境依赖缺陷相关领域的研究和发展。

环境依赖缺陷引发的软件失效往往与软件运行的环境条件有关，使得软件失效时间随着软件运行环境的变化而发生变化。我们提出一个研究核心科学问题：主动控制软件运行在失效时间较长的环境条件下，即环境多样性容错。本研究从环境因子识别、关键环境控制技术、容错技术分析三个方面展开研究，已经完成了申请书中所罗列研究目标：首先，提出了一种自动化的环境因子识别技术分析失效报告、系统日志等，将软件失效划分为多个类别，对应不同的影响环境因子；然后，提出了基于硬件环境和软件使用剖面的两种环境因子控制技术，建立了环境因子与软件失效时间的分析模型；最后，基于环境因子识别和控制技术研究，提出了软件环境多样性容错技术的使用方法以及系统可用性分析模型，在如安卓等软件系统上进行了验证，同时对一般性系统上进行了理论分析，开发了环境多样性容错分析软件分析和优化软件。本项目研究成果为软件可靠性的发展和应用奠定了理论和技术基础。