基于物联网软件的可靠性评估与进化方案研究

王 军, 陈未如

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142)

尽管现阶段还处于物联网发展的初级阶段，但围绕物联网相关领域的研究极为活跃和广泛[1-2].作为物联网的重要组成部分之一的软件，直接决定着物联网未来发展.物联网本身是一个由多种网互联在一起的复杂平台，在该平台上应用的软件绝大多数是由多个大系统构成的超大型的复杂分布式软件系统.该类软件首先是分布式的软件系统，其各个组件多数是跨平台调用，甚至是在不同类型的网络平台上、不同类别的设备上进行相互调用与协作等.这些特点是以前软件工程领域不常见的.该类软件系统的可靠性评价及维护十分困难且无系统的方法，目前还未见有相关成果系统地针对该类特殊软件进行可靠性及再工程进化研究[3-4].然而目前所研究的物联网可靠性绝大多数是面向网络本身机制的可靠性.另一方面在软件工程领域中针对大型软件系统在可靠性方面的评估体系和方法大多都局限于对软件本身的分析，没有将连接件，如通信协议、网络环境等的QoS考虑进去[5-6].因此，本文利用基于软件架构的可靠性评估思想及软件逆向工程方法论，提出了一套系统的基于物联网软件的可靠性评估与进化方法，以实现对复杂的物联网软件可靠性综合评价及维护升级改造.该方法解决了复杂分布式软件系统的可靠性分析与评价，以及多个大系统构成的超大型软件可靠性升级等难点问题.

1 物联网软件体系结构

1.1 物联网发展概述

物联网作为新生事物，人们对其内涵和外延的理解也有很大区别，给其概念、特征所作出的归纳和总结也有很大的差别.如国际电信联盟(ITU)认为[7]：信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网,它是对物体具有全面感知能力、对信息具有可靠传送和智能处理能力的连接物体与物体的信息网络,具有全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的特征.我国也有学者认为：物联网是一种“泛在网络”，这种泛在网就是利用互联网将世界上的物体都连接在一起，使世界万物都可以上网.具体可以理解为通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合成一个全新的巨大网络，实现现有的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网连接起来，实现智能化识别和管理[8].

物联网(internet of things)的概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，当时是指用射频识别(RFID)技术自动识别物品，识别码保存在一定的载体中附着于物体上.通过射频阅读器可读出编码，经解析后就可以得到存储物体信息的互联网服务器地址，及其他相关信息，从而实现所谓的物体与互联网的联接.物联网的主要定位是在物流、供应链等需要企业间信息共享的开环应用，最近两年成为全球关注的热点，可以概括成以下几个阶段[9-10]：

(1) MIT的 Kevin Ashton：把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联网”(1998)；Auto-ID中心：物联网是成千上万的物品采用无线方式接入了Internet的网络(1999).

(2) 日本和韩国在2005年提出相关战略.其中日本在2009年制定的中长期信息技术发展战略《i-Japan2015》中提出：要构建以人为本的安心且充满活力的数字化社会，其关注点在政府、医院和学校，希望通过推动公共服务事业的发展，带动其他产业的发展.公共服务在欧盟提出的综合性战略规划《i2010》中同样占有重要的地位.

(3) ITU报告：物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络(2005).

(4) IBM提出“智慧地球(smart plant)”——把传感器设备安装到电网、铁路、桥梁、隧道、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且普遍连接形成网络，即“物联网”(2008.12)

(5) 智慧地球(smart plant)成为美国国家战略.2009年1月28日，奥巴马与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”,IBM CEO彭明盛首次提出“智慧的地球”这一概念,建议新政府投资新一代的智慧型基础设施,阐明其短期和长期效益.

(6) IBM提出智慧地球之后，我国温家宝总理到了无锡提出“感知中国”这样国家战略，无锡成为感知中国的中心.

1.2 在物联网上应用的典型软件系统的体系结构

以感知和智能为特征的新技术的出现和相互融合，使得未来信息技术的发展由人类信息主导的互联网向物与物互联信息主导的物联网转变，其主要的影响体现在信息和智能的泛在化.这一重要特征使得未来在泛在网上应用的软件系统将分布在物联网的感知层、网络层和应用层等各层中，才可能完成面向监测与控制的各级、各类的传感器网络，面向物流管理的RFID网络和面向企业和政府等机构的信息Internet网络的集成与融合，实现人与人、人与设备、设备与设备之间信息交互的目的，如图1所示.

图1 在物联网上应用的典型软件系统的体系结构

由图1可见：与现阶段的大型分布式软件相比,在物联网上应用的典型软件系统其复杂度和规模将呈指数级增加.而由来自多种类型网络和不同设备中的各类组件组成,经过各类传输平台形成的软件系统,将不可避免地导致整个软件系统产生可靠性问题，安全漏洞更加频繁发生,同时在风险评估中发现和解决这些问题将会变得更为复杂，因可靠性和安全性问题造成的经济损失也将日益增加.

与此同时，多网融合后，大量遗产系统的存在一定程度上也会影响软件系统的可靠性和安全性,而对于那些技术陈旧、结构混乱的遗产系统进行以可靠性和安全性为目标的再工程，会极大缩短开发周期，节省开资.为此，本论文创新性地提出了建立在物联网环境应用中的软件系统的可靠性评估机制，同时试探性地利用再工程技术对在物联网环境应用中的软件系统进行可靠性方面进化,进而提高风险评估中可靠性指标，对未来物联网应用和软件工程理论都具有较高的理论意义和现实应用价值.

2 可靠性评估及再工程进化方法

2.1 基于物联网软件架构的可靠性评估模型

现阶段基于构架的软件可靠性模型一般是基于Cheung提出的思想[11-12]：根据每个构件的可靠性、运行状态和软件的构架来进行分析.其具体方法是基于Markov链条属性和软件构架视图到状态视图的转换,根据状态转换视图构造出状态转换矩阵，利用软件可靠性定义估算整个系统的可靠性.

本文在充分考虑了物联网软件中连接件，如通信协议，网络环境等因素的前提下，建立了如下可靠性模型.模型中将连接器的可靠性单独考虑.

设Lij为连接构件Ci和Cj的连接器的可靠性，Ri为构件Ci的可靠性，Pij为状态Si到状态Sj的转换概率.将连接器的可靠性考虑进去后的构造矩阵M的公式如下：

(1) 当Si不能直接到达Sj时：

M(i,j)=0

(1)

(2) 当Si与Sj是Batch-sequential/pipeline结构关系时：M(i,j)=RiLijPij

(2)

(3) 当Si与Sj是Parallel/Pipe-filter结构关系时，如图2所示.

①如果Si状态中包含多个同时运行的构件时：

(3)

②如果Sj状态中包含多个同时运行的构件时：

(4)

图2 Batch-sequential/pipeline结构

(4) 当Si与Sj是Fault Tolerance结构关系时，如图3所示.

图3 Fault Tolerance结构

① 如果Si状态中包含多个功能备用构件时

RmLmj))RqLqj))Pij

(5)

② 如果Sj状态中包含多个功能备用构件时

M(i,j)=RiPij(Lib0+

(6)

(5) 当Si与Sj是Call-and-Return结构关系时

M(i,j)=PijLij

(7)

其中Si是调用状态，Sj是被调状态.

设一维数组T={R1～n,R2～n,R3～n,……,Rn～n-1,1},其中Ri～j表示从状态i转换到状态j的可靠性.根据公式T=M×TT，求出T.其中R1～n就是整个系统的可靠性.

2.2 面向物联网软件的可靠性评估及再工程进化方法

面向物联网软件的可靠性评估及再工程进化方法分4个阶段实施：系统理解阶段、建立在可靠性方面的风险评估体系或方法阶段、可靠性分析阶段、再工程进化及验证阶段.具体步骤如图4所示.

图4 可靠性评估及再工程进化方法

在系统理解阶段需要从软件工程角度建立在物联网应用环境中的软件系统在可靠性方面的体系结构描述.建立在可靠性方面的风险评估体系或方法阶段需要将协议的QoS与软件系统合二为一，总体建立在可靠性方面的风险评估体系和方法.在可靠性分析阶段，将利用上一小节提出的基于物联网软件架构的可靠性评估模型，分析这个复杂软件系统中各个组件和整体可靠性的关系，将分析结果作为再工程进化的依据.在再工程进化及验证阶段，利用再工程技术对在物联网应用环境中的软件系统进行可靠性方面进化,进而提高风险评估中可靠性指标.在基于上一个方面研究成果基础上，从关键资产的识别、威胁的分类和识别方法等角度着手，即从遗产系统的源代码中逆向出高层的模型，并抽象出与可靠性相关的部分，对其进行改进和升级.最后再利用基于物联网软件架构的可靠性评估模型进行验证.

3 结束语

物联网的绝大多数应用都涉及个人隐私或机构内部秘密，因此，物联网必须提供严密的安全性和可靠性.如果把物联网比喻成人，那么目前绝大数研究物联网信息安全和可靠性方面多集中在人的骨骼、各个器官及组织上，而软件系统在物联网中就如人的血液，分布在物联网的各个层中与各个环节，且相互关联.为此，从软件工程角度研究并建立在物联网应用环境中的软件系统在可靠性和安全性方面的风险评估体系和方法，并将协议的QoS与软件系统合二为一，总体建立在可靠性和安全性方面的风险评估体系和方法，进而进行联合进化再工程，将具有较高的创新意义和实际应用价值.

参考文献：

[1] 刘强,崔莉,陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,37(6):1-5.

[2] 梁炜,曾鹏.面向工业自动化的物联网技术与应用[J].仪器仪表标准化与计量,2010(1):21-24.

[3] Mens Tom.Guest Editors’ Introduction:Software Evolution[J].IEEE Software,2010,27(4):22-25.

[4] 郭耀,袁望洪,陈向葵，等.再工程-概念及框架[J].计算机科学，1999,26(5):78-83.

[5] Wang Jun,Chen Weiru,Yang Hongji.Architecture Description Language Based on Software Reliability Evaluation for Distributed Computing System[C].IEEE press:ICCASM,2010:370-375.

[6] 王强,陆阳,方欢,等.基于结构分析的复杂软件可靠性评估方法[J].系统工程学报,2013,24(2):20-25.

[7] ITU Strategy and Pol Icy Unit(SPU).ITU Internet Reports2007:The Internet of Things[R].Geneva:International Telecommunication Union(ITU),2007.

[8] 薛燕红.物联网体系架构及其关键技术探讨[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(3):18-22.

[9] 高相铭,陈永超.基于物联网的分布式电动机故障诊断与保护系统研究[J].工矿自动化,2013,39(6):17-21.

[10] 王剑锋,陈灿峰,刘嘉，等.一种基于IPv6和低功耗蓝牙的物联网体系结构[J].计算机科学,2013,40(5):97-102.

[11] Wang Jun,Chen Weiru.A Modeling of Software Architecture Reliability[C].IEEE NPC：IFIP,2007:983-988.

[12] Wang Wenli,Wu Ye,Chen Meihwa.Architecture-Based Software Reliability Analysis[J].Proceedings of Pacific Rim International Symposium on Dependable Computing,1999,12(2):16-17.