基于字节码的软件监控及可信演化框架设计与实现

论文摘要

随着因特网的迅速发展,以及软件规模和复杂度的不断增加,软件故障和软件失效问题日益严峻,给人们生活甚至国家安全带来极大的影响。因此,如何构造可信的软件系统以确保其在动态、开放的网络环境中安全可靠地运行,受到人们的普遍关注。可信软件的本质特征在于软件的行为与使用者的期望保持一致。对软件实施有效的监控以获得软件的运行时状态信息,并对监控信息进行实时检查与分析,通过动态演化技术对软件系统进行针对性的干预与调整,可以有效的提高软件系统的可信程度。但是目前监控及演化技术尚处于发展期,在技术和实践方面还存在很多局限性,突出表现在监控需求描述手段不够灵活、监控信息检查逻辑与目标系统业务逻辑互相纠缠、缺乏针对无源码系统的轻量化监控信息获取机制以及支持监控与演化处理的平台及工具的通用性不够、自动化程度不高等问题。针对上述问题,本文提出了基于字节码的软件监控及可信演化模型。模型通过基于字节码的AOP技术,将监控需求作为横切关注点自动化注入到目标软件系统的业务逻辑字节码文件中,在系统运行时收集软件运行状态和运行环境等监控信息,并进行实时检查与分析;将分析结果与预定义演化规则相匹配,规则触发时通过类加载器及反射机制提供软件动态演化能力,对软件系统实时干预。本文的主要研究工作可概述为如下几个方面:1.提出了基于字节码的软件监控及可信演化模型BSMEF。该模型由业务逻辑及监控需求描述模块、监控能力注入模块和演化处理模块三部分组成。模块之间松散耦合,功能相互独立,并且与具体应用无关,具有一定的通用性和可扩展性,属于平台无关的轻量级可扩展框架模型;2.基于BSMEF模型,本文设计并实现了基于字节码的软件监控及可信演化框架。框架支持开发者在独立文件中进行监控需求描述,实现了面向字节码的监控能力自动化注入机制以及基于监控信息的软件运行时演化能力;3.以分布式文件传输系统负载均衡器的监控能力注入及在线演化为实例,对BSMEF框架进行了验证,实现结果证明了BSMEF框架针对无源码软件系统进行监控能力自动化注入及在线演化能力构造的可用性和正确性。同时通过定量分析比较,验证了基于字节码的监控能力注入方式比基于源代码的注入方式在效率上有所提升。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 软件监控技术的发展
• 1.2.2 软件演化技术的发展
• 1.2.3 总结与分析
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 相关技术研究
• 2.1 面向方面的编程技术
• 2.1.1 AOP 基本概念
• 2.1.2 AOP 技术特点
• 2.1.3 AOP 关键技术
• 2.2 字节码操作技术
• 2.2.1 字节码框架
• 2.2.2 基于字节码的AOP
• 2.3 类加载器及反射技术
• 2.3.1 类加载器请求传递模型
• 2.3.2 类加载过程
• 2.3.3 反射机制
• 2.4 小结
• 第三章 基于字节码的软件监控及可信演化模型
• 3.1 应用案例分析
• 3.2 编程框架模型
• 3.3 运行机制
• 3.3.1 独立式监控需求描述机制
• 3.3.2 监控能力自动注入机制
• 3.3.3 事件驱动的运行时关联机制
• 3.3.4 基于监控信息的通用演化机制
• 3.3.5 演化模块远程控制机制
• 3.4 模型分析
• 3.4.1 模型结构特性分析
• 3.4.2 模型功能特性分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于字节码的软件监控及可信演化框架设计
• 4.1 设计目标
• 4.2 体系结构设计
• 4.3 业务逻辑及监控需求描述模块设计
• 4.4 监控能力注入模块设计
• 4.5 演化处理模块设计
• 4.6 小结
• 第五章 基于字节码的软件监控及可信演化框架实现
• 5.1 监控能力注入模块的实现
• 5.1.1 字节码文件预编译器的实现
• 5.1.2 监控代码注入能力的实现
• 5.2 演化处理模块的实现
• 5.2.1 在线演化能力的实现
• 5.2.2 状态保存与迁移能力的实现
• 5.2.3 演化模块远程控制的实现
• 5.3 小结
• 第六章 应用案例与试验验证
• 6.1 分布式远程文件传输系统
• 6.1.1 分布式开发技术分析
• 6.1.2 分布式远程文件传输系统实现
• 6.2 基于BSMEF 的应用实例分析及运行结果展示
• 6.2.1 监控需求构造
• 6.2.2 监控模块及监控信息可视化展现
• 6.2.3 负载均衡器的在线演化及效果展现
• 6.2.4 状态保存与迁移
• 6.3 系统性能测试
• 6.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间论文发表情况
• 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目