Linux內核函數魯棒性關(guān)聯(lián)測試研究

內核是系統的心臟，是運行程序和管理像磁盤(pán)和打印機等硬件設備的核心程序。Linux是最受歡迎的自由電腦作業(yè)系統核心。它是一個(gè)用C語(yǔ)言寫(xiě)成，符合POSIX標準的類(lèi)Unix作業(yè)系統。Linux最早是由芬蘭黑客林納斯·托瓦茲為嘗試在英特爾x86架構上提供自由免費的類(lèi)Unix操作系統而開(kāi)發(fā)的。該計劃開(kāi)始于1991年，這里有一份林納斯·托瓦茲當時(shí)在Usenet新聞群組comp.os.minix所登載的貼子，這份著(zhù)名的貼子標志著(zhù)Linux計劃的正式開(kāi)始。

軟件（或軟件構件）魯棒性是衡量軟件在異常輸入和應力環(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、應用程序、COTS軟件、構件及服務(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。對于系統魯棒性的評價(jià)一般有基于測量的方法和基于故障注入的方法，近年來(lái)提出了魯棒性基準程序方法（RobuSTness Benchmarking）[1].魯棒性基準程序（Robustness Benchmark）由一組健壯性測試用例組成。

實(shí)施軟件魯棒性測試的目的是發(fā)現所測代碼的健壯性薄弱環(huán)節，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(guò)程包括：（1）確定軟件的激發(fā)健壯性失效的異常值參數，并進(jìn)行測試；（2）分析測試結果，找出失效原因；（3）寫(xiě)保護代碼屏蔽導致失效的異常值；（4）把保護代碼與軟件模塊相連接。

1 Linux內核函數測試

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

Linux操作系統體系結構從底層到頂部的順序依次是：內核（包含內核函數）、系統調用、內建程序（操作系統的命令）。內核函數是內核代碼的組成部分，其調用程序直接運行在內核空間。內核函數一旦出現異常，將立刻對整個(gè)操作系統產(chǎn)生影響。系統調用一般對內核函數進(jìn)行封裝，以此作為內核與用戶(hù)空間的接口。當用戶(hù)程序使用系統調用時(shí)會(huì )轉到內核空間，調用結束后又會(huì )返回用戶(hù)空間。內核函數的測試結果一般分類(lèi)為：函數錯誤碼返回、異常、內核掛起、工作負載夭折、工作負載結果不正確、工作負載完成.

Linux內核函數魯棒性測試的最終目的是要提高系統的健壯性，需要根據測試結果生成相應的保護代碼。

2 魯棒性維度分析

典型的魯棒性測試包括模塊化基準測試和層次化測試兩種主要方法。模塊化基準測試是對一個(gè)系統進(jìn)行分離測試。它把一個(gè)獨立的系統看作是一系列組件的集合，如文件系統、內存系統、外部交互系統、鎖機制和多道程序運作等，另外還通過(guò)一個(gè)監視器程序來(lái)監視和收集測試的結果。而層次化測試是通過(guò)定義一個(gè)清晰的交互層，使測試和對各種模塊進(jìn)行測試的執行細節相分離。一些測試可以適用于所有模塊，而另一些可能只適合一個(gè)模塊子集。使用層次性結構是分解系統的好方法。通過(guò)層次化來(lái)對操作系統進(jìn)行測試可以收到較好的效果。

無(wú)論采用模塊化基準測試還是層次化方法，最終都是對操作系統接口函數采用參數的組合測試。對魯棒性測試結果進(jìn)行分析的一種方法是使用維度模型。維度有兩種定義：（1）參數維度，它指的是模塊中參數的個(gè)數，對于一個(gè)軟件模塊而言，參數維度被定義為其變量的個(gè)數；（2）魯棒性失效維度，對于引起魯棒性失效的一組特殊參數，那些確實(shí)引起失效的參數的個(gè)數被定義為魯棒性失效維數。

2.1 維度失效

維度失效分一維失效和多維失效。多維失效的參數一定都是符合條件的系統能夠識別的值。一維失效和多維失效所引發(fā)的原因不同，一維失效是參數非法，多維失效是參數組合非法（每個(gè)參數都是合法的）。當一維失效用例被保護和屏蔽后，會(huì )不會(huì )跳轉為多維失效，關(guān)鍵是看其參數是否構成組合關(guān)系。從對其參數的組合關(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，當參數維度為失效維度時(shí)，測試結果的觀(guān)察最為直觀(guān)；當參數維度大于失效維度，測試結果的觀(guān)察就不太直觀(guān)了。失效維度也可以通過(guò)觀(guān)察魯棒性測試的響應模式得到。

2.2 失效狀態(tài)分析

維度失效狀態(tài)分為三類(lèi)。（1）真維失效指狀態(tài)失效條件被屏蔽后，測試用例跳轉到正常狀態(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)轉變如圖1所示。

現以L(fǎng)inux系統函數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變問(wèn)題。函數的三個(gè)參數取值如表1所示。

假設當參數fd取值errno file,buf取值 Null時(shí)，均會(huì )產(chǎn)生一維失效。當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)，對參數fd取值empty file進(jìn)行保護屏蔽，則一些測試用例將會(huì )通過(guò)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）；還有一些用例將轉化為多維（維度≥2）失效，如read（empty file,1,8）。

3 魯棒性關(guān)聯(lián)測試

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