Linux內(nèi)核函數(shù)的魯棒性關(guān)聯(lián)

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。魯棒性測試主要用于測試操作系統(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試上尤為重要。對于系統(tǒng)魯棒性的評價一般有基于測量的方法和基于故障注入的方法，近年來提出了魯棒性基準(zhǔn)程序方法（Robustness Benchmarking）［1］。魯棒性基準(zhǔn)程序（Robustness Benchmark）由一組健壯性測試用例組成。
　　實施軟件魯棒性測試的目的是發(fā)現(xiàn)所測代碼的健壯性薄弱環(huán)節(jié)，并予以消除或增強抵抗異常情況的能力。增強代碼健壯性的過程包括：（1）確定軟件的激發(fā)健壯性失效的異常值參數(shù)，并進行測試；（2）分析測試結(jié)果，找出失效原因；（3）寫保護代碼屏蔽導(dǎo)致失效的異常值；（4）把保護代碼與軟件模塊相連接［3］。
　　1 Linux內(nèi)核函數(shù)測試
　　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)用程序直接運行在內(nèi)核空間。內(nèi)核函數(shù)一旦出現(xiàn)異常，將立刻對整個操作系統(tǒng)產(chǎn)生影響。系統(tǒng)調(diào)用一般對內(nèi)核函數(shù)進行封裝，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)用時會轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間，調(diào)用結(jié)束后又會返回用戶空間。內(nèi)核函數(shù)的測試結(jié)果一般分類為：函數(shù)錯誤碼返回、異常、內(nèi)核掛起、工作負載夭折、工作負載結(jié)果不正確、工作負載完成［1］。
　　Linux內(nèi)核函數(shù)魯棒性測試的最終目的是要提高系統(tǒng)的健壯性，需要根據(jù)測試結(jié)果生成相應(yīng)的保護代碼。這方面的研究目前處于初期階段。
　　2 魯棒性維度分析
　　典型的魯棒性測試包括模塊化基準(zhǔn)測試和層次化測試兩種主要方法。模塊化基準(zhǔn)測試是對一個系統(tǒng)進行分離測試。它把一個獨立的系統(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)、鎖機制和多道程序運作等，另外還通過一個監(jiān)視器程序來監(jiān)視和收集測試的結(jié)果。而層次化測試是通過定義一個清晰的交互層，使測試和對各種模塊進行測試的執(zhí)行細節(jié)相分離。一些測試可以適用于所有模塊，而另一些可能只適合一個模塊子集。使用層次性結(jié)構(gòu)是分解系統(tǒng)的好方法。通過層次化來對操作系統(tǒng)進行測試可以收到較好的效果［2］。
　　無論采用模塊化基準(zhǔn)測試還是層次化方法，最終都是對操作系統(tǒng)接口函數(shù)采用參數(shù)的組合測試。對魯棒性測試結(jié)果進行分析的一種方法是使用維度（Dimensionality）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)的個數(shù)，對于一個軟件模塊而言，參數(shù)維度被定義為其變量的個數(shù)；（2）魯棒性失效維度，對于引起魯棒性失效的一組特殊參數(shù)，那些確實引起失效的參數(shù)的個數(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（每個參數(shù)都是合法的）。當(dāng)一維失效用例被保護和屏蔽后，會不會跳轉(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［3］。
　　基于低維度優(yōu)先的維度模型中失效維度不可能超過參數(shù)維度。可能屬于一維失效的某個失效，同時也可能屬于高維失效。對于這種情況，一般把這個失效作為低維失效來對待。同時激發(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，測試結(jié)果的觀察最為直觀；當(dāng)參數(shù)維度大于失效維度，測試結(jié)果的觀察就不太直觀了。失效維度也可以通過觀察魯棒性測試的響應(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）為實例進行分析，說明上述不同失效維度之間的轉(zhuǎn)變問題。函數(shù)的三個參數(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，均會產(chǎn)生一維失效。當(dāng)fd取合法的值，并且buf分配空間小于count時產(chǎn)生一個二維失效。此時，對參數(shù)fd取值empty file進行保護屏蔽，則一些測試用例將會通過測試，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）。