嵌入式軟件網絡連接錯誤故障實時檢測仿真

李柯景，魯光男

(長春大學計算機科學技術學院，吉林 長春 130022)

1 引言

嵌入式軟件指的是支持嵌入式裝置運行的軟件層或是應用軟件層，主要負責處理計算機發出的各項控制指令。嵌入式軟件能夠增值嵌入式設備，通過軟件代碼間的相互作用，實現軟件的不同功能[1]。隨著嵌入式軟件應用面不斷拓展，軟件與局域網間的連接問題逐漸成為研究熱點。

國外對嵌入式軟件研究起步較早，在軟件與網絡連接錯誤故障的檢測上也起步較早，借助于解析模型手段，現已研究得到實時檢測方法。國內在研究嵌入式軟件上的時間并不久，但在我國研究人員不斷地努力下，已經得到了多種檢測方法和測試平臺。文獻[2]提出嵌入式通信系統遠程高速數據準確識別檢測，分析遠程高速數據，獲取數據增高預警值，建立遠程數據通信傳輸模型，利用遠程數據點均值處理系統中的無效數據，采用動態平均線處理方法對通信系統中的有效數據缺失進行數據補償，獲得有效數據交叉信息鏈，連接相對獨立的多個遠程數據點均值，計算出數據的包絡特征值，用于識別通信系統中的有效數據，形成遠程有效數據時域波形信息分量，實現數據的精確識別檢測。文獻[3]提出采用隨機Petri網的嵌入式機載軟件可靠性檢測，針對典型缺陷，建立了嵌入式機載軟件系統行為模型，給出了典型缺陷的檢測策略和判斷準則，通過對Petri網模型進行仿真驗證，驗證系統是否存在這種設計缺陷，并給出了軟件設計運行過程的仿真驗證算法，以完成可靠性檢測。

雖然上述研究取得一定進展，但在嵌入式軟件網絡中檢測存在一定局限，為此在仿真技術的支持下，研究一種網絡連接錯誤故障實時檢測方法，解決軟件在開發過程中由于描述不同導致的故障檢測問題，增強嵌入式軟件與網絡連接間的銜接過程。研究嵌入式軟件網絡連接錯誤故障實時檢測仿真是很有必要的。

2 嵌入式軟件網絡連接錯誤故障實時檢測仿真

2.1 計算嵌入式軟件網絡錯誤的響應特性

嵌入式軟件處于工作過程時，網絡連接的線路與數據傳輸間都可能產生連接故障[4]，不同的網絡節點會在數據應答間隙內，發送一個顯性位應答網絡的回執，以支持嵌入式軟件運行的網絡連接拓撲結構為分析對象，結構如圖1所示。

圖1 網絡連接的拓撲結構

根據圖1所示的拓撲結構可知，當軟件網絡發生連接錯誤時，網絡故障會在發生位置將顯性位變換為隱性位，也就形成了邏輯值相異[5]。根據拓撲結構中網絡連接錯誤時間比率數值，將相異性的邏輯值轉換為網絡錯誤幀，轉換過程就可表示為

(1)

其中，C表示發生網絡連接錯誤的時刻，W表示軟件網絡發生錯誤的時間，r表示發生網絡連接錯誤的數量，E表示網絡錯誤的時刻向量，TR表示網絡連接時長，T(u)表示錯誤故障發生的時長參數。當網絡連接錯誤故障在一段時間內，嵌入式軟件會產生不同的錯誤行為，所以在計算錯誤響應特性前，計算錯誤故障的周期，計算公式可表示為

(2)

其中，t表示間隔時長，v表示網絡錯誤的累積時長，其余參數含義不變。根據嵌入式軟件的連接特性，實際產生的連接錯誤故障周期并不均勻，所以在計算嵌入式軟件網絡錯誤的響應特性時，根據實際的嵌入式軟件的接收指令信號的周期[6]，設定錯誤故障的最大可接受程度閾值，將該閾值作為響應評估參數，該評估參數就可表示為

(3)

其中，A(t)表示實際錯誤故障的顯性位數量，Li表示設定的可接受程度閾值。將該公式評估網絡錯誤故障的性能作為實際網絡連接錯誤故障的響應過程，根據故障網絡形成的響應，設定實時檢測方式。

2.2 設定實時檢測方式

在上述分析得到的響應特性下，將軟件連接網絡的若干個點作為保護單元，設定一個檢測點的實時門限數值，可表示為

(4)

其中，Nf表示網絡節點參考單元的采樣點數量，T表示連接網絡的虛警參數。在網絡單元平均恒虛警理論的控制下，檢測點的門限系數就可計算得到

(5)

其中，Pf表示檢測點的檢測概率，N表示網絡檢測點的數量。以上述門限系數大小，劃定上述檢測點為不同的檢測區域，根據分辨單元內的回波能量，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值，計算分辨單元中的檢測概率，計算公式就可表示為

(6)

圖2 檢測概率與噪聲數值間的變化關系

根據圖2所示的數值變化關系可知，在檢測次數的影響下，一旦噪聲數值增大，那么檢測錯誤故障的概率也會降低，所以在設定實時檢測方式時，根據檢測次數的大小，只保留在門限系數左右的采樣數據，以最小的門限系數作為采樣起點[8]，計算采樣門限系數的重心，計算公式可表示為

(7)

其中，n，l表示檢測數據采樣的起點與終點，x(j)表示連續檢測的數據集。在上述重心參數的控制下，設定檢測采樣值為數值1，實現檢測方法的實時性[9]。設定實時的檢測方式后，設定模擬窗口的執行時間，最終實現實時檢測仿真。

2.3 網絡連接錯誤故障實時檢測

模擬檢測仿真的不變時間量，作為錯誤故障的有效壽命，疊加處理連接錯誤參數[10]，整理得到軟件損壞隨時間的變化過程，如圖3所示。

圖3 網絡錯誤變化

在如圖3所示的嵌入式軟件錯誤變化下，控制仿真時間段在有效壽命之間，并將該時期作為故障實時檢測仿真時期[11]，聯合上述設定的實時檢測方法，采用JAVA中的AWT/Swing體系結構設定一個檢測仿真窗口，設定的仿真結構如圖4所示。

圖4 設定的檢測仿真結構圖

在圖4所示的檢測仿真窗口下，準備響應特性得到的檢測數據后，創建一個連接錯誤后繼邊，構建一個后繼邊合法性的判斷關系，可表示為

R(t)=P(g>t)，t≥0

(8)

其中，g表示軟件壽命的隨機變量，t表示指定的時間。隨機選取一條合法的后繼邊，作為軟件測試階段的末期，計算選取后繼邊的數值，根據數值大小判斷軟件網絡連接錯誤是否進入到錯誤狀態，當進入錯誤狀態時，使用甘特圖標出連接錯誤故障[12]。當網絡連接沒進入錯誤狀態時，瞬時處理該后繼邊，實現對軟件網絡連接錯誤故障實時檢測的仿真。

3 實驗分析

3.1 實驗準備

準備具有如表1參數所示的嵌入式系統。

表1 嵌入式系統功能參數

使用上表所示功能參數控制的嵌入式軟件網絡環境，使用CPU為i5、內存為8G的計算機，控制計算機連接PXIe機箱，在計算機硬件機箱上插入多功能通訊卡與網絡資源模塊卡作為測試網絡數據的連接端口。在網絡硬件組件接口處、多功能通訊卡和網絡資源模塊卡處設定網絡連接錯誤的測試節點，設置的測試節點結果如表2所示。

表2 設定的網絡測試節點

在表2所示的節點位置設置相同的節點數量，分別使用文獻[2]中的檢測仿真方法、文獻[3]中的檢測仿真方法以及文中設計的檢測仿真方法進行實驗，對比三種檢測仿真方法的性能。

3.2 實驗結果及分析

基于上述實驗準備，設置每個節點處存在100個網絡故障缺陷，以三種檢測仿真方法發現網絡故障作為對比指標，定義檢測仿真方法網絡處理集與設定的故障集數量相等時，即為一次故障發現成功過程，統計三種檢測仿真方法發現故障數量，結果如表3所示：

表3 三種實時檢測仿真方法發現故障能力

由表3所示的實驗結果可知，在三種檢測仿真方法控制下，一個測試節點處設置100個網絡連接故障，每個測試節點位置共有500個連接故障，根據上表各項數值結果可知，文獻[2]中的檢測仿真方法最終發現故障的數量最少，錯誤故障數量在250～300個之間，文獻[3]中的檢測仿真方法發現錯誤故障較多，數值在350～400個之間。而文中設計的檢測仿真方法能夠發現480～500個錯誤故障，與前述兩種現有檢測仿真方法相比，文中設計的檢測仿真方法發現的錯誤故障最多，發現錯誤故障的能力最強。

保持上述實驗環境不變，定義在設定的檢測節點處生成有效檢測集與實際檢測得到的故障數量相等時，即為一次檢測有效過程，可計算得到

(9)

其中，i，j分別表示設定的連接錯誤故障以及實際檢測得到的錯誤故障，n表示檢測路徑，m表示檢測路徑的約束參數，Vij表示得到的有效檢測集，tij表示約束生成的時間集合，在設定已知數量的錯誤故障下，統計三種實時檢測方法在不同測試階段的有效率，有效率結果如表4所示。

由表4所示的檢測有效率結果可知，在三種檢測仿真方法控制下，網絡連接錯誤故障檢測表現出了不同的有效率結果，根據表4中的數值大小，文獻[2]中的實時檢測方法的有效率數值在68%左右，檢測的有效率數值較小，文獻[3]中檢測方法的有效率數值在83%左右，檢測錯誤故障的有效性較強，而文中設計的檢測仿真方法的有效率數值在92%左右，檢測網絡連接錯誤故障的有效性最強。

表4 檢測有效率結果

在上述實驗環境下，設定測試節點處的配對門限為5000個采樣單元，當檢測方法檢測到采樣單元中的連接錯誤時，軟件網絡發出預警，設定三種實時檢測仿真方法重復檢測采樣單元10萬次，統計三種檢測仿真方法最終產生的虛警次數，結果如表5所示：

表5 三種檢測仿真方法產生的虛警次數

根據表5所示虛警次數結果可知，重復檢測采樣單元10萬次后，文獻[2]中的檢測仿真方法在檢測錯誤故障過程中，實際的虛警次數在45次左右，產生的虛警次數最多，文獻[3]中的檢測仿真方法產生虛警次數在25次左右，實際的虛警次數較少，而文中設計的檢測仿真方法產生的虛警次數在5次左右，產生的虛警次數最少。綜合上述實驗結果可知，文中設計的檢測仿真方法發現錯誤故障的數量最多、故障檢測的有效率最大且產生的虛警次數最少，適合實際檢測仿真過程。

4 結束語

隨著嵌入式軟件逐漸向復雜化方向發展，傳統式的檢測方法已無法滿足軟件的安全性要求，為此仿真嵌入式軟件網絡連接錯誤故障實時檢測過程，將網絡連接錯誤故障進行細化處理，改善傳統檢測仿真方法檢測故障有效率過小、發現故障數量過少，產生虛警次數過多的不足，為今后研究整體嵌入式軟件的錯誤故障提供一定的研究方向。