Linux內(nèi)核函數(shù)魯棒性關(guān)聯(lián)測(cè)試研究

內(nèi)核是系統(tǒng)的心臟，是運(yùn)行程序和管理像磁盤和打印機(jī)等硬件設(shè)備的核心程序。Linux是最受歡迎的自由電腦作業(yè)系統(tǒng)核心。它是一個(gè)用C語(yǔ)言寫成，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的類Unix作業(yè)系統(tǒng)。Linux最早是由芬蘭黑客林納斯·托瓦茲為嘗試在英特爾x86架構(gòu)上提供自由免費(fèi)的類Unix操作系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的。該計(jì)劃開(kāi)始于1991年，這里有一份林納斯·托瓦茲當(dāng)時(shí)在Usenet新聞群組comp.os.minix所登載的貼子，這份著名的貼子標(biāo)志著Linux計(jì)劃的正式開(kāi)始。

軟件（或軟件構(gòu)件）魯棒性是衡量軟件在異常輸入和應(yīng)力環(huán)境條件下保持正常工作能力的一種度量。魯棒性測(cè)試主要用于測(cè)試操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、COTS軟件、構(gòu)件及服務(wù)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(guān)鍵軟件等一些重要軟件的測(cè)試上尤為重要。對(duì)于系統(tǒng)魯棒性的評(píng)價(jià)一般有基于測(cè)量的方法和基于故障注入的方法，近年來(lái)提出了魯棒性基準(zhǔn)程序方法（RobuSTness Benchmarking）[1].魯棒性基準(zhǔn)程序（Robustness Benchmark）由一組健壯性測(cè)試用例組成。

實(shí)施軟件魯棒性測(cè)試的目的是發(fā)現(xiàn)所測(cè)代碼的健壯性薄弱環(huán)節(jié)，并予以消除或增強(qiáng)抵抗異常情況的能力。增強(qiáng)代碼健壯性的過(guò)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(jìn)行測(cè)試；（2）分析測(cè)試結(jié)果，找出失效原因；（3）寫保護(hù)代碼屏蔽導(dǎo)致失效的異常值；（4）把保護(hù)代碼與軟件模塊相連接。

1 Linux內(nèi)核函數(shù)測(cè)試

Linux 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了很多重要的體系結(jié)構(gòu)屬性。在或高或低的層次上，內(nèi)核被劃分為多個(gè)子系統(tǒng)。Linux 也可以看作是一個(gè)整體，因?yàn)樗鼤?huì)將所有這些基本服務(wù)都集成到內(nèi)核中。這與微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)不同，后者會(huì)提供一些基本的服務(wù)，例如通信、I/O、內(nèi)存和進(jìn)程管理，更具體的服務(wù)都是插入到微內(nèi)核層中的。

Linux操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從底層到頂部的順序依次是：內(nèi)核（包含內(nèi)核函數(shù)）、系統(tǒng)調(diào)用、內(nèi)建程序（操作系統(tǒng)的命令）。內(nèi)核函數(shù)是內(nèi)核代碼的組成部分，其調(diào)用程序直接運(yùn)行在內(nèi)核空間。內(nèi)核函數(shù)一旦出現(xiàn)異常，將立刻對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)產(chǎn)生影響。系統(tǒng)調(diào)用一般對(duì)內(nèi)核函數(shù)進(jìn)行封裝，以此作為內(nèi)核與用戶空間的接口。當(dāng)用戶程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間，調(diào)用結(jié)束后又會(huì)返回用戶空間。內(nèi)核函數(shù)的測(cè)試結(jié)果一般分類為：函數(shù)錯(cuò)誤碼返回、異常、內(nèi)核掛起、工作負(fù)載夭折、工作負(fù)載結(jié)果不正確、工作負(fù)載完成.

Linux內(nèi)核函數(shù)魯棒性測(cè)試的最終目的是要提高系統(tǒng)的健壯性，需要根據(jù)測(cè)試結(jié)果生成相應(yīng)的保護(hù)代碼。

2 魯棒性維度分析

典型的魯棒性測(cè)試包括模塊化基準(zhǔn)測(cè)試和層次化測(cè)試兩種主要方法。模塊化基準(zhǔn)測(cè)試是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分離測(cè)試。它把一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)看作是一系列組件的集合，如文件系統(tǒng)、內(nèi)存系統(tǒng)、外部交互系統(tǒng)、鎖機(jī)制和多道程序運(yùn)作等，另外還通過(guò)一個(gè)監(jiān)視器程序來(lái)監(jiān)視和收集測(cè)試的結(jié)果。而層次化測(cè)試是通過(guò)定義一個(gè)清晰的交互層，使測(cè)試和對(duì)各種模塊進(jìn)行測(cè)試的執(zhí)行細(xì)節(jié)相分離。一些測(cè)試可以適用于所有模塊，而另一些可能只適合一個(gè)模塊子集。使用層次性結(jié)構(gòu)是分解系統(tǒng)的好方法。通過(guò)層次化來(lái)對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試可以收到較好的效果。

無(wú)論采用模塊化基準(zhǔn)測(cè)試還是層次化方法，最終都是對(duì)操作系統(tǒng)接口函數(shù)采用參數(shù)的組合測(cè)試。對(duì)魯棒性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析的一種方法是使用維度模型。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(gè)數(shù)，對(duì)于一個(gè)軟件模塊而言，參數(shù)維度被定義為其變量的個(gè)數(shù)；（2）魯棒性失效維度，對(duì)于引起魯棒性失效的一組特殊參數(shù)，那些確實(shí)引起失效的參數(shù)的個(gè)數(shù)被定義為魯棒性失效維數(shù)。

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(shí)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(gè)參數(shù)都是合法的）。當(dāng)一維失效用例被保護(hù)和屏蔽后，會(huì)不會(huì)跳轉(zhuǎn)為多維失效，關(guān)鍵是看其參數(shù)是否構(gòu)成組合關(guān)系。從對(duì)其參數(shù)的組合關(guān)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。

基于低維度優(yōu)先的維度模型中失效維度不可能超過(guò)參數(shù)維度?？赡軐儆谝痪S失效的某個(gè)失效，同時(shí)也可能屬于高維失效。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(dāng)參數(shù)維度為失效維度時(shí)，測(cè)試結(jié)果的觀察最為直觀；當(dāng)參數(shù)維度大于失效維度，測(cè)試結(jié)果的觀察就不太直觀了。失效維度也可以通過(guò)觀察魯棒性測(cè)試的響應(yīng)模式得到。

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(cè)試用例跳轉(zhuǎn)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(chǎn)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(cè)試用例的失效維度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D1所示。

現(xiàn)以Linux系統(tǒng)函數(shù)read（fd, buf,count）為實(shí)例進(jìn)行分析，說(shuō)明上述不同失效維度之間的轉(zhuǎn)變問(wèn)題。函數(shù)的三個(gè)參數(shù)取值如表1所示。

假設(shè)當(dāng)參數(shù)fd取值errno file,buf取值 Null時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生一維失效。當(dāng)fd取合法的值，并且buf分配空間小于count時(shí)產(chǎn)生一個(gè)二維失效。此時(shí)，對(duì)參數(shù)fd取值empty file進(jìn)行保護(hù)屏蔽，則一些測(cè)試用例將會(huì)通過(guò)測(cè)試，如read（empty file,8,1）；而另一些用例則維持一維失效不變，如read（empty file,Null,1024）；還有一些用例將轉(zhuǎn)化為多維（維度≥2）失效，如read（empty file,1,8）。

3 魯棒性關(guān)聯(lián)測(cè)試

當(dāng)參數(shù)維度等于失效維度時(shí)，很容易看出是哪些參數(shù)失效。而測(cè)試時(shí)維度的跳變，會(huì)給魯棒性測(cè)試的分析帶來(lái)困難，會(huì)影響測(cè)試覆蓋率的問(wèn)題，還牽扯到測(cè)試用例的增加.在魯棒性測(cè)試中可以利用參數(shù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行測(cè)試。將傳統(tǒng)的組合測(cè)試法分為兩步：關(guān)聯(lián)性測(cè)試和非關(guān)聯(lián)性測(cè)試。魯棒性關(guān)聯(lián)測(cè)試的流程如圖2所示。