本刊記者 付 強(qiáng)

彭銳：系統(tǒng)鍛造師

本刊記者 付 強(qiáng)

彭銳在死海

大數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)代，需要的是敏銳的思維變革、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，更需要穩(wěn)定的軟硬件系統(tǒng)。而在層出不窮、絡(luò)繹不絕地向著新時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的系統(tǒng)背后，往往隱藏著的是難以發(fā)現(xiàn)的漏洞。以往的軟件，其可靠性模型大多數(shù)只考慮了軟件錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，并沒(méi)有考慮其改正過(guò)程，導(dǎo)致軟件錯(cuò)誤的改正要比發(fā)現(xiàn)滯后很多。殊不知，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題僅僅是個(gè)開(kāi)始，如何解決問(wèn)題才是需要直面的目標(biāo)。除此之外,各種硬件系統(tǒng)也可能受到各種內(nèi)部因素影響或者外部攻擊而失效, 從而需要研究各種復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)的可靠性和保護(hù)策略。這也是北京科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院管理科學(xué)與工程系副教授彭銳一直潛心研究的領(lǐng)域。

軟件系統(tǒng)“修理師”

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了前所未有的跨越式發(fā)展，人們對(duì)軟件質(zhì)量的要求也變得越來(lái)越高。試想一下，當(dāng)你使用筆記本電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品時(shí)，一定希望它們運(yùn)行流暢，不要出現(xiàn)死機(jī)等故障。這種流暢的體驗(yàn)就是憑借系統(tǒng)的可靠性來(lái)支撐的。

作為衡量軟件質(zhì)量的重要特性，可靠性在軟件系統(tǒng)中發(fā)揮著不可估量的作用。近30年來(lái)，軟件系統(tǒng)定量評(píng)估和預(yù)測(cè)已成為眾多學(xué)者關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了很多軟件可靠性模型，用來(lái)刻畫(huà)軟件錯(cuò)誤在軟件測(cè)試過(guò)程中的變化過(guò)程，從而用于決定何時(shí)投放軟件等相關(guān)重要決策?！拔以诓┦科陂g研究的方向主要包括軟件可靠性建模、系統(tǒng)的攻防博弈以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性建模等?！迸礓J介紹道。

在不斷地深入學(xué)習(xí)與研究中，彭銳發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的現(xiàn)行模型往往很快就能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在某方面的問(wèn)題，但解決力度反而遲遲不能到位。怎么才能提高可靠性模型解決問(wèn)題的敏銳度呢？還在讀博的彭銳感到心有余而力不足。但萬(wàn)事都有“柳暗花明”的一刻，就在彭銳一頭霧水的時(shí)候，他看到博士導(dǎo)師謝旻教授在一篇論文中寫(xiě)到關(guān)于建立軟件錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)和改正過(guò)程，令他茅塞頓開(kāi)。抓住這一靈感，彭銳又考慮了軟件測(cè)試過(guò)程中的資源分配的不均以及軟件測(cè)試中新的錯(cuò)誤的引入等問(wèn)題，其研究論文受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，已經(jīng)發(fā)表在可靠性領(lǐng)域的頂尖期刊Reliability Engineering & System Safety上。

扎根復(fù)雜系統(tǒng)可靠性

軟件和硬件是密不可分的, 而且硬件系統(tǒng)可能由于內(nèi)部的一些隱患或者外部的攻擊而失效。正是因?yàn)橛辛顺醪絿L試，在研究軟件可靠性建模的基礎(chǔ)上，彭銳也認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)的攻防博弈等技術(shù)的重要性和巨大的社會(huì)需求, 從而將全身心都投入到了各種復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)的可靠性研究之中，并取得了不俗的成績(jī)，也開(kāi)辟了一條新的科研之途。

美國(guó)“911”事件之后，在全球范圍內(nèi)引起了巨大反響，也讓系統(tǒng)的攻防博弈方面的研究進(jìn)入了更多人的視線(xiàn)。眾所周知，對(duì)系統(tǒng)的刻意攻擊不同于自然災(zāi)害，因?yàn)楣粽邥?huì)專(zhuān)門(mén)針對(duì)，尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行攻擊，并且攻擊策略可以隨時(shí)隨著防守者的保護(hù)策略而改變。彭銳考慮到攻防戰(zhàn)爭(zhēng)中有時(shí)會(huì)使用到假目標(biāo)來(lái)欺騙攻擊者，故在研究時(shí)采取了與以往不同的策略，著重考慮到假目標(biāo)有一定被識(shí)破的概率這一點(diǎn)，從而進(jìn)行深入而系統(tǒng)的研究，具有很大的實(shí)際意義，并先后在Reliability Engineering & System Safety等領(lǐng)域內(nèi)頂尖期刊上發(fā)表了數(shù)篇論文。

科學(xué)的樂(lè)趣，很多時(shí)候就在于敢于接受挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)可靠性方面，彭銳不懈攀登，他不滿(mǎn)足于目前的一些方法和技術(shù)，一直在提煉關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，也一直在探索更好的解決方法。就在今年，年僅28歲的彭銳憑借“含有溫儲(chǔ)備元件的復(fù)雜多態(tài)多階段系統(tǒng)的可靠性研究”項(xiàng)目獲得了2017年度國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。彭銳每每到需要學(xué)習(xí)新的理論和方法時(shí)，總能收拾行囊，再度啟程。

彭銳向記者介紹到，為了增加系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)常會(huì)使用到儲(chǔ)備件。儲(chǔ)備件可以分為冷儲(chǔ)備，溫儲(chǔ)備和熱儲(chǔ)備三種。相對(duì)于熱備份元件，溫備份元件消耗的能源更少，因此也更加綠色環(huán)保。但是，由于溫備份元件在溫備份狀態(tài)和在工作狀態(tài)下的故障率不同，這樣一來(lái)就給溫備份系統(tǒng)的可靠性建模帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，很難用單一的可靠性評(píng)估方法對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估。彭銳就想到要結(jié)合多種可靠性評(píng)估方法建立起含有溫儲(chǔ)備元件的各種復(fù)雜多態(tài)多階段系統(tǒng)的可靠性模型。

為此，彭銳和團(tuán)隊(duì)成員不眠不休，大量閱讀文獻(xiàn)，分析溫儲(chǔ)備元件的特性，研究各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的建模方法、多態(tài)系統(tǒng)的研究方法以及多階段系統(tǒng)的研究方法，并且將這些方法進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合?！耙龅竭@一步，我們需要發(fā)揮很大的創(chuàng)造力，并且還要與國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者積極討論。”彭銳說(shuō)道。

對(duì)于含有溫儲(chǔ)備元件的各種結(jié)構(gòu)的二態(tài)單階段系統(tǒng)的可靠性模型的建立，彭銳認(rèn)為要解決這個(gè)問(wèn)題，需要結(jié)合到含有溫儲(chǔ)備的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性研究方法和不含有溫儲(chǔ)備元件的各種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的可靠性研究方法中去。“但要說(shuō)到具體方法，則需要依系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及溫儲(chǔ)備元件的配置情況而定。例如，對(duì)于一個(gè)連續(xù)連接系統(tǒng)，如果在系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上配置了一些溫儲(chǔ)備元件，我們可以先利用改進(jìn)的有序二叉決策圖方法建立起每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性模型，并算得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性，然后再利用通用生成函數(shù)得到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?！迸礓J解釋道。

而對(duì)于含有溫儲(chǔ)備元件的并聯(lián)的多態(tài)單階段系統(tǒng)的可靠性模型來(lái)說(shuō)，則可以先用多值決策圖來(lái)表示每一次系統(tǒng)的退化，通過(guò)將系統(tǒng)每一次退化的多值決策圖相結(jié)合可以得到表示系統(tǒng)所有失效情況的多值決策圖。彭銳介紹，值得注意的是，在這個(gè)過(guò)程中，需要考慮用一些技巧來(lái)減少算法的時(shí)間復(fù)雜度，比如在建立多值決策圖的過(guò)程中，對(duì)于一些明顯會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效的情況，可以提前判定系統(tǒng)失效，而不用再繼續(xù)對(duì)該情況進(jìn)行分解。

“要解決含有溫儲(chǔ)備元件的并聯(lián)的雙態(tài)多階段系統(tǒng)的可靠性模型這一問(wèn)題，需要先根據(jù)元件各個(gè)階段的退化特性，進(jìn)行系統(tǒng)分析繼而再進(jìn)一步得到元件的每個(gè)階段的失效概率?！迸礓J說(shuō)道。此外，可以用多值決策圖表示系統(tǒng)元件的失效情況，即元件可能在任一階段失效或者一直都不失效，而且元件失效時(shí)可能是處在溫儲(chǔ)備狀態(tài)，也可能是處在工作狀態(tài)?！巴ㄟ^(guò)綜合各個(gè)元件的多值決策圖，我們就可以得到表示系統(tǒng)失效情況的多值決策圖?！迸礓J補(bǔ)充道。

“如果成功，這將會(huì)有很大的實(shí)際意義。雖然困難重重，但我們有信心！”彭銳說(shuō)，熱儲(chǔ)備元件需要始終保持在熱的狀態(tài)下工作，并且可以隨時(shí)代替失效的工作元件接入系統(tǒng)進(jìn)行工作,從而需要消耗額外的能源，這就意味著這類(lèi)儲(chǔ)備元件通常用于對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間要求很高的系統(tǒng)，像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、打印機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等。而冷儲(chǔ)備元件在作為儲(chǔ)備元件時(shí)處于不工作狀態(tài)，只有在工作元件失效時(shí)才進(jìn)行加熱并接入系統(tǒng)進(jìn)行工作，通常用在能源消耗較大的系統(tǒng)中用以節(jié)約能源。相對(duì)來(lái)說(shuō)，溫儲(chǔ)備技術(shù)就是一種平衡能源消耗和系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間的冗余技術(shù)。在作為儲(chǔ)備元件時(shí)處于部分工作狀態(tài),并且可以在工作元件失效時(shí)快速轉(zhuǎn)換到完全工作狀態(tài)接入系統(tǒng)進(jìn)行工作。值得一提的是，溫儲(chǔ)備技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，溫儲(chǔ)備技術(shù)的使用則是最為合適的?？梢允箖?chǔ)備的數(shù)據(jù)管理器中的個(gè)別公用部件處于工作狀態(tài)，定期地保存主數(shù)據(jù)管理器運(yùn)行中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和狀態(tài)，當(dāng)主數(shù)據(jù)管理器發(fā)生故障并切換至儲(chǔ)備的數(shù)據(jù)管理器后，儲(chǔ)備的數(shù)據(jù)管理器即可迅速自主地完成恢復(fù)直至運(yùn)行。

系統(tǒng)可靠性之路漫長(zhǎng)而又艱難，但彭銳走的每一步都令人期待。他說(shuō)：“在未來(lái)幾年里，我將繼續(xù)在軟件可靠性、系統(tǒng)攻防博弈、系統(tǒng)維修和溫備份系統(tǒng)等方向進(jìn)行研究，也將會(huì)更加深入，并隨時(shí)關(guān)注其他可靠性領(lǐng)域的熱點(diǎn)?！?/p>