安全关键和能量有效的实时任务调度技术研究

安全关键实时系统面临着多样化安全性挑战，同时又不可避免地遭受能量受限的挑战。当前实时任务调度研究缺乏同时对安全和能耗因素的考虑，因而不适用于能量受限的安全关键实时系统。本项目首先将对安全关键实时任务进行安全性量化，通过测试和分析安全服务机制的能耗和时间开销，建立安全机制的细粒度能耗和运行时间开销模型。然后分析已有的安全增强和能量有效策略，并在此基础上设计安全和能耗感知的实时任务集成调度框架。针对安全关键的硬实时应用，进一步研究安全性能确保的低复杂度和高效率的算法；针对安全关键的软实时应用，研究动态自适应的软实时调度算法。本项目通过在实时系统中无缝集成安全增强和能量节省的任务调度技术，进而提高实时系统在安全关键嵌入式领域的实用性和可行性。

随着计算机网络的不断发展和进步，实时系统面临着网络攻击和系统脆弱性带来的安全威胁，特别是处理安全敏感数据的关键应用。由于大多数实时系统采用电池供电，过快消耗电能可能导致执行关键任务的嵌入式系统过早失效。传统实时系统在任务调度级缺乏同时对安全和能耗需求的考虑，不能很好地胜任安全关键的实时应用，因此，研究安全关键和能量有效的实时系统势在必行，以填补国际研究在这方面的空白。..本项目围绕能耗感知和安全感知的实时任务调度展开研究，从而提高安全关键嵌入式系统的安全性和能量使用有效性。本课题针对安全性能分析和安全感知实时调度的关键技术，具有一定创新性，并通过深入研究取得了突破性成果。与此同时，我们通过相关实验平台和应用环境对相关技术的有效性和合理性进行了充分的验证。本课题主要完成了以下工作：1）搭建了一套适合于嵌入式实时系统的能耗和时间开销测试平台，此平台是基于ARM9开发平台、µCOSII实时操作系统、Cryptlib密码库、NI数据采集装置和LabView开发环境的综合软硬件平台，是一种近似非侵入式、高精度的测试平台。2）基于上述平台，测试了大部分主流密码算法的相关运行开销，然后提出了面向单位能耗，功率和处理速度的三维安全算法性能分析框架，并对大量关键数据进行了分析总结。3）在安全量化方面，提出了一种更为实际的安全量化指标，即基于安全风险的安全量化指标，并扩展应用到单机和分布式系统的设计优化中。4）针对安全关键的硬实时系统，我们分别提出了面向性能最优、性能统计确保和约束统计确保的近似动态规划算法，以及基于模拟退火和遗传算法的智能演化算法，实现对单机和分布式硬实时系统的优化和调度。5）针对安全关键软实时应用，我们提出了基于改进PID反馈控制的安全自适应算法，并应用于单机实时任务调度、Nand Flash存储应用和分布式调度；同时，提出了基于MPC（模型预测控制）的线性二次型最优控制模型等实现分布式自适应安全管理。基于以上研究，我们发表了18篇论文，取得了3项软件著作权，荣获了1项国际学术奖，并培养了4名优秀研究生。..本课题是安全关键实时系统当前研究的一个重要补充和突破，具有较强实践指导意义，研究成果可应用于我国可信嵌入式领域，如航空电子、汽车电子等。本课题既迎合了嵌入式领域对安全关键实时应用的迫切需求，也可为非实时系统安全增强提供了一定的理论与实践依据。