基于数据流异常检测的嵌入式软件容错研究

论文摘要

现代机电产品在功能越来越复杂的同时,对其安全性和可靠性的要求也越来越高。软件作为机电产品的重要组成部分,其可靠性直接决定了机电产品的质量。本文以提高机电产品软件的可靠性和安全性研究为主线,从软件数据流分析的角度出发,对基于数据流异常检测的软件容错纠错技术进行了较为深入系统的研究。针对可能出现的软件系统故障提出了一种新的基于数据流异常检测、软件看门狗技术和回卷恢复技术的软件容错纠错方法。该方法定期对目标程序进行备份,通过提取目标程序中的一组相关变量建立数据流分析模型,利用数据流的异常检测方法排查出其中的离群点即出错点。当发现目标程序运行出错时,看门狗强制使程序跳转到备份点,使目标程序回卷到上一个备份的正常状态,以实现对软件瞬时性故障的容错纠错。提出了上述软件容错纠错策略的实现框架、操作流程,研究了基于最小二乘支持向量机的二元回归模型和离群点检测算法。以二元函数为例,对文中提出的二元回归模型和离群点检测算法进行了仿真研究,仿真结果验证了回归模型的正确性和离群点检测算法的有效性。提出了偏向最近动态的基于距离的数据流异常检测算法,该算法是一种基于聚类思想的的异常检测方法,通过计算检测数据与聚类中心的距离来判断异常,并根据数据流的特性进行了改进,能够有效地实现数据流的异常检测。该算法实现简单并且计算速度快,对阈值的选择具有自适应性,提高了检测的精度,仿真实验验证了该算法的有效性。设计了基于数据流异常检测的软件容错纠错实验方案,以数据流异常检测算法为核心搭建了实验平台,进行了软件容错纠错实验研究。实验结果表明本文提出的容错策略能够很好地实现软件的容错纠错,以上研究工作为软件的容错纠错提供了新的解决方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及软件容错技术介绍
• 1.2 国内外软件容错技术研究现状和发展趋势
• 1.2.1 国外软件容错技术的研究现状及发展趋势
• 1.2.2 国内软件容错技术的研究现状及发展趋势
• 1.3 软件容错研究的分类
• 1.4 研究的目的和意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 基于数据流异常监测的容错纠错方案
• 2.1 整体容错纠错方案
• 2.2 支持向量机理论
• 2.3 聚类理论
• 2.4 数据的备份与回卷
• 2.5 硬件设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于支持向量机的数据流异常检测算法
• 3.1 数据流的概念
• 3.1.1 数据流模型的分类
• 3.1.2 数据流的特点
• 3.2 数据流处理技术
• 3.3 数据流的趋势、异常和变化检测算法
• 3.4 最小二乘法与最小二乘支持向量回归
• 3.4.1 最小二乘法理论
• 3.4.2 最小二乘支持向量回归LS-SVR
• 3.5 基于支持向量机回归模型的数据流离群点检测算法
• 3.6 仿真验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 一种偏向最近动态的数据流异常检测聚类算法
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 聚类分析
• 4.1.2 k-means 聚类算法
• 4.2 基于距离的数据流异常检测
• 4.3 偏向最近动态的加权算法
• 4.4 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验与分析
• 5.1 实验运行环境及数据集
• 5.2 客户端的程序设计
• 5.3 检测端的程序设计
• 5.3.1 uboot 的移植
• 5.3.2 Linux 内核的移植
• 5.3.3 文件系统的移植
• 5.3.4 应用程序的开发
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献