可进化模块冗余软件混合容错模型

检 测故 障和 执 行 控制 模 块 。对 于 核 心 模 块 ， 用 采
２３ Ｇ） ／ （ 冗余 结构 ， Ｍ ， Ｍ ， ：Ｍ 为 完 成相 同功 能 的 异 构模块 ， 当其 中某 个 模 块 出现故 障而 其 他 两个 正 常工 作时 ， 不会 影 响软件 的正 常运行 ， 制器 将 控 该 故 障模块 隔离 ， 向进化 器发 出工作 指令 ， 化 并 进 器 接 到指令 后利 用该 模块 的故 障信息 对模 块进 行
的 。但 它不 适 于多 机 并 行 和分 布 式 环 境 ， 系 统 对 的持续 可用 性影 响很 大 。 软件容 错发 展 的方 向是 用尽 量少 的冗 余获 得 更 高 的 可 靠 性 。 目前 存 在 ２个 待 解 决 的 问 题 ： （） １ 成本 高 ， 设计 Ⅳ个 冗 余 版 本 需 要 具 备 多 样 性
提供 支持 ｊ 。据 此 将 模 块 分 为 核 心 模 块 和 一 般
不 可能 的 。在 这 种 情 况下 ， 统 的冗 余 备 份 容错 传 技 术不再 能满 足高 可靠性 、 生存 能力 的要 求 ， 长 因 此 必须探 索新 的软 件容错 方 法 。
软件 容错 是提 高软 件可 信性 的一种 软件 实 现 技术 ， 目前 的相关研 究 可 以分 为两类 ： 软件冗 余 和 时间冗余 － 。软 件冗 余 的 主要 思 想是 利 用 完成 Ｉ］ ３
是 软件冗 余 容错 方 法 。这 类 方 法 执 行 并行 性 高 ， 容 错 效 果 好 ， 软 件 开 发投 入 大 ， 硬 件 的要 求 但 对 高， 目前 只在很 少 的高危 领域 应用 ； 时 间冗 余则 而
是 基于失 败重 做 （ ｅｒ．ｎｆ ｌｒ） Ｒ ｔ ｏ ． ｉ ｅ 的思想 ， 设 置 ｙ ａｕ 如
ＨＥ Ｊａ ｌｎ Ｚ ｉ— ｇ， ＨＡＮＧ Ｋｕ ＭＥ ｉ Ｚ ａ ｎ， ＮＧ Ｊｎ， ＨＡＮＧ Ｈｏ ｇ ｎ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｏ ｐ ｔ ｃ ｎｅａ ｄＴ ｃ ｎｌｇ ， Ｕ Ｔ Ｎ ｎｉｇ２ ０ ９ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｍ ｕｅ Ｓｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｙ Ｎ Ｓ ， ａｊ １０ ４ Ｃ ｉａ Ｃ ｒ ｅ ｏ ｎ
收 稿 日期 ：０ ０ １ — ０ ２１—０ ２
修 回 日期 ：０ １ ０ — １ ２ １ — ３ ２
基金项 目： 国家 自然科学基金 （０ １０ １ ； ９ ７８ ２ ） 南京理工大学 自主科研专项计划 （０ ０ Ｙ Ｓ ３ ） ２ １Ｚ Ｔ ０ ５
作者简介 ： 加浪 （９ ４ ） 男 ， 士生 ， 何 １８ 一 ， 博 主要研究方 向： 息安全 、 信 软件安全等 ， — ａ ：ｅ ＠ｎｕｔｅｕ ｃ ； Ｅｍ ｉ ｈｊ ｊｓ ｄ ． ｎ 通讯作 ｌ ｌ ． 者： 张宏 （９ ７ ， ， １５ 一） 男 教授 ， 士生 导师 ， 博 主要研究 方向 ： 工智能 与信息安全 ， — ａ ：ｈ ｏｇ ｎｕｔ 人 Ｅ ｍ ｉ ｚｈ ｎ＠ ｊｓ ｌ ．
的 １ ％， ０ 所以采用时间冗余方法。Ｅ Ｔ 既降低 ＨＭ 了成 本 和性 能开销 ， 又保 证 了模块 的长 生存 能力 ，
同时解决 了时间冗 余方 法在 时 间延 迟 上造成 的 可
用 性降低 问题 。
１ １ 模 型 结构 ．
图 １是 Ｅ Ｔ 结 构 图 ， ｃ ＨＭ ｃ， 是控 制 器 ， 责 负
Ａｂｓｒ ｃ ： ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｒ ｌａ ｉ ｔ ｎｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ｉａ ｂｉ ｔ ｆｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ａ ｎｅ ｈ ｂｒｄ ｓ ｆ ｒ ｔ ａ ｔ Ｔｏ ｉ ｒ ｖ ｈ ｅｉ ｂｌ ｙ ａ ｈ ｕ ｖ ｖ ｌ ａ ｌ ｙ ｏ ｈ ｏ ｔ ｅ， ｗ ｙ ｉ ｏｔ ｅ ｉ ｉ ｗａ ｗａ ｆｕ ｔｔｌ ｒｎｔ ａ ｌ－ｏｅ ａ ｍｏ ｅ ｏ ｅ ｏ ｖ ｂ ｅ－ ｄ ｌｓ ｅ ｕｎ ａ ｙ ｓ ｒ ｐ ｓ ｄ ａ ｅ ｏ ｔ ｅ ｖ ｌ ｔｏ ｒ － ｄ ｌ ｆ ｖ ｌａ ｌ ・ ｍｏ ｕ ｅ ｒｄ ｄ ｎｃ ｉ ｐ ｏ ｏ ｅ ｂ ｓ ｄ ｎ ｈ ｅ ｏｕ ｉｎａｙ ｃ ｍｐｕ ａｉｎ． ｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｆｍｏ ｕ ａ ｉａ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｔ ｒ ｅｉ ｂｌｔ ｓ ａ ａｙ ｅ Ａｃ ｏ ｄｎｇｔ ｈｅ ｏ ｔｔｏ Ｔｈ ｎ ｕ ｎ ｅ ｏ ｄ ｌｒｚ ｔｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ｆ ｌ ｗａ ｅ ｒｌａ ｉ ｙ ｉ ｎ ｌ ｚ ｄ． ｃ ｒ ｉ ｏ ｔ ｉ ｐ ｏ ｒ ｍ ｏ ａｉｙ ｐ ｉｃ ｐ ｅ，ｈ ｄ ｌ ｓ ｄ ｖｄ ｄ ｉ ｔ ｈ ｏ ｅ ｍｏ ｕ ｅ ａ ｈ ｅ ｅ ａ ｄ ｌ ． ｒ ｇ ａ ｌｃ ｌｔ ｒｎ ｉ ｌ ｔ ｅ ｍｏ ｕ ｅ ｉ ｉｉ ｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｃ ｒ ｄ ｌ ｎｄ ｔ ｅ ｇ ｎ ｒｌ ｍｏ ｕ ｅ Ｂｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｈ ｂｒｄ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｔ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｐ ｏ ｒｍ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｉ ｏ ｈ ｏ ｅｍｏ ｕ ｅ ａ ｈ ｉ ｓｎ ｈ ｙ ｉ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｍｅｈ ｄ ｔ ａ ｈ ｒ ｇ ａ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｓｆｒｔ ｅｃ ｒ ｄ ｌ ｎｄ ｔ ｅｔｍｅ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｓｆ ｒｔ ｅ ｇ ｎ ｒ ｌｍｏ ｕ ｅ，ｈ ｅ ｎ ａ ｙ ｓ ａｅ ｉ ｅ ｕ ｅ ｔ ｈ ｉ ｌ ｍｐ ｃ ｎ ｔｅ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｉ ｏ ｈ ｅ ｅ ａ ｄ ｌ ｔ ｅ ｒ ｄｕ ｄ ｎｃ ｃ ｌ ｓ ｒ ｄ ｃ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ｌｔ ｅ ｉ ａ ｔｏ ｈ ｔ ｓ ｆｗａ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ． ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｖ ｌａ ｌ— ｄ ｌ ｓ ｍｏ ｅ ａ ｍｐ ｏ ｅ ｏｔ ｒ ｅ ｒ ｎ ｅ Ｔｈ ｘ ｅ ｆ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｅ ｏｖ ｂｅ ｍｏ ｕ ｅ ｄ ｌ ｃ ｎ ｉ ｒ ｖ ｔ ｅｉｂ ｌｔ ｎ ｈ ｕ ｉ ａ ｂ ｉｉ ｆｔ ｅ ｓ ｆｗａ ｅ ｈｅ ｒ ｌａ ｉｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ｖ ｌａ ｌｌｔ ｏ ｈ ｏｔ ｒ ． ｙ ｖ ｙ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｏｔ ｒ ａ ｌ—ｏ ｅａ ｃ ｍｏ ｕｌｓ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｅ ｏｖ ｂ ｅ ｍｏ ｌｓ ｓ ｆｗａｅ ｆ ｕ ｔｔ ｌｒ ｎ ｅ； ｄ ｅ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ； ｖ ｌａ ｌ － ｄｕｅ
第３ ６卷 第 ２期 ２１ ０ ２年 ４月
南 京理 工大学 学报
Ｊｕｎｌ ｆ ａ ｎ ｎｖｒｔ ｏ ｃ ｎｅａｄＴ ｃ ｎｌ ｙ ｏｒａ ｏ ｍｉｇ ｉ ｓｙ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ Ｎ Ｕ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｏ
Ｖｏ ． ６ １ ３ Ｎｏ． ２
Ａｐ ．２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ１ ｒ ２
Ｎ Ｐ结 构 ， 时赋 予模 块 进 化 修 复 能力 ， 核 心 Ｖ 同 使
模块 成 为可进 化 模块 ； 当某 个模 块 的一 个 版本 出
检 查点 和 回滚机制 ， 当发生 故障 时 ， 回滚到合 适 的 检 查点 重新 执 行 。这 种 方法 是 顺 序 处 理 ， 本 相 成 对 低 ， 瞬态 故 障十分 有效 ， 对 而对 确定 性故 障处 理 能力 不足， 时也会影 响软 件 的执行 效率。 同 Ｒ ｉ３等人 在编 译 器 级 别 对 软 件 进 行 版 本 冗 余 ， ｅ＿ ｓ 其 基本 思想 是通 过 指 令 复制 和 合 并 ， 一 定 的 同 在 步点检 查指 令 的一 致 性 ， 方 法 容错 效 果 好 且 执 该 行 效 率较 高 ， 应 不 同环 境 ， 其 实 现较 为 复 杂 ， 适 但 适 合 于高 可 靠 性 和 高 实 施 性 要 求 的环 境 。文 献 ［］ ４ 通过 动 态 监 控 和 回滚 技 术 相 结 合 ， 立 了 合 建
可 进 化 模块 冗余 软 件 混 合容 错 模 型
何加 浪， 张 琨 ， 孟 锦 ， 张 宏
（ 南京理工大学 计算机科学与技术学院 ， 江苏 南京 ２ ０９ ） １０ ４
摘
一
要： 为提 高软件的可靠性和生存能力， 该文提 出一种基于进化计算的可进化模块冗余软件
混合容错模型。分析 了模块化对可靠性的影响， 根据程序局部性原理 ， 将模块分为核心模块和 般模 块 ， 用对核心模 块进 行软件 冗余 、 一般模 块进行 时间冗余 的混合 冗余 方法 ， 降低 冗 采 对 在 余规模 的 同时减 少对软 件性 能 的影响 ； 实验 结果 表 明 ， 文 可进 化模 块 模 型 能有 效提 高软件 的 该
缺 陷越来 越难 被 发 现 ， 发 出无 错 的软 件几 乎是 开
出了可进 化模 块冗 余 的混 合 容错 模 型 （ ｖｌａｌ． Ｅ ｏ ｂｅ ｖ
ｍ ｄ ｌ ｙ ｒ ａｌ ｔｌ ａｃ ｏ ｅ， Ｈ Ｍ） ｏ ｕｅ ｈ ｂ ｄｆｕｔ ｏｅ ｎ ｅｍ ｄ ｌＥ Ｔ 。该 ｓ ｉ ｒ
模型 在模 块级 别使 用 Ⅳ 版 本冗 余 ， 充分 利 用容 错 过程 中的故 障信 息 ， 过 故 障模 块 离 线进 化 的方 通 法， 在提 高模块 可 靠 性 的 同 时也 间 接 增加 了模 块 的 多样性 ， 为减 少 冗 余 规模 和提 高 软 件 生存 能 力
ｅｕｃ。 ｄ ． ｎ
总第 １３期 ８
何加 浪
张
琨
孟
锦
张
宏
可进化模块冗余软件混合容错模型
２３ ７
随着 信息 化 的 不 断深 入 ， 们 对 软 件 的 依赖 人 日益增强 。部 署 在 某些 特 殊 领 域 如航 天 、 控等 火 系统 的软 件 ， 运行 环境 极其 恶劣 ， 其 很容 易受 到 温 度 、 宙射 线 、 宇 电磁 干扰 等 影 响 而发 生 突变 ， 现 出 软件 故 障 ； 外 ， 另 软件 本 身 越来 越 复 杂 ， 潜 在 的 其
可靠 性和 生存 能力 。
关 键词 ： 软件 容错 ； 块 冗余 ； 模 可进 化模 块
中图分 类号 ：Ｐ １ Ｔ３ｌ
文章编 号 ：０ ５ ９ ３ （０ ２ ０ — ２ ２ ０ １０ — ８ ０ ２ １ ） ２ ０ ７ — ６
Ｈｙ ｒ ｄ Ｓ ｆｗａ ｅ Ｆａ ｌ－ｏ ｅ ａ ｔ Ｍ ｏ ｅ ｓ ｄ ｏ ｂ ｉ ｏ ｔ ｒ ｕ ｔｔ ｌｒ ｎ ｄ ｌＢａ ｅ ｎ Ｅｖ ｌ ａ ｌ － ｏ ｕ ｅ ｄ ｎ ａ ｃ ｏ ｖ ｂ ｅ ｍ ｄ ｌ ｓ Ｒｅ ｕ ｄ ｎ ｙ
模块 ， 通过 对 不 同模 块采 用不 同的冗 余方 法 ， 一 进 步 降低冗 余规模 和 性能影 响 ， 提高 软件 可信性 ， 降
低容 错成 本 。
１ Ｅ Ｍ 模 型 ＨＴ
Ｎ Ｐ是 强有力 的 软件 容 错 方 法 ， 是其 成 本 Ｖ 但 和性 能开 销 （ 即使 Ｎ＝３ 往往 超 过 用 户 的 承受 能 ）
适 的还 原 点并且 对 系 统进 行 不 同程 度 的 监控 ， 及 时恢 复到 预先设 定 的 还 原点 ， 而 实现 容 错 的 目 从
现 故 障 时 自动 离 线 进 化 修 复 ， 化 后 重 新 加 入 进 Ｎ Ｐ结 构 。对于 一般 模 块 ， Ｖ 由于它 只 占执行 时 间
力 Ｊ 。通过 分析 软件 容 错 技 术 的 特 点 ， 文首 先 本 对 软件进 行 模 块 划 分 ， 核 心 模 块 采 用 Ｎ＝３的 对
同一功 能 的不 同实 现 之 间 的多 样 性 互 补容 错 ， 常
见 的多 版本 编 程 （ ．ｅｓ ｎｐｏｒｍ ｎ ， Ｖ ） Ｎ ｖｒｉ ｒｇａ ｍｉｇ Ｎ Ｐ 就 ｏ