周 亮，張 楠，韓麗芳

（1.中國電力科學(xué)研究院北京100192；2.南京南瑞集團公司江蘇南京210000）

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對于安全問題逐漸引起了人們的關(guān)注，尤其是在航空航天領(lǐng)域中或者軍事裝備武器領(lǐng)域中，任何軟件失效的發(fā)生，都會導(dǎo)致經(jīng)濟上發(fā)生巨大的損失，或者軍事政治的嚴(yán)峻問題[1-2]。軟件使用周期的延長需要軟件安全性的測試，軟件測試的目的就是使用較少的實例、時間、財力來實現(xiàn)盡可能多地找出軟件中存在的潛在性故障，從而確保系統(tǒng)的質(zhì)量。

傳統(tǒng)測試系統(tǒng)存在測試性能低，故障不能靈活注入，測試速度慢等問題，不能滿足軟件測試高標(biāo)準(zhǔn)的要求，為此，提出了一種故障注入的嵌入式應(yīng)用軟件安全性測試系統(tǒng)設(shè)計。針對系統(tǒng)硬件，構(gòu)造了安全性測試系統(tǒng)框架，該框架是由測試敏感器、實際執(zhí)行組件、計算機控制器共同組成的，并通過數(shù)字仿真測試平臺的建立，設(shè)置故障狀態(tài)；建立測試環(huán)境通信渠道，使用GDB技術(shù)對故障底層機理進行調(diào)試，利用RSP通信協(xié)議實現(xiàn)程序間交叉測試，由此完成系統(tǒng)設(shè)計。通過實驗驗證表明，該系統(tǒng)設(shè)計具有更加全面的測試性能，且速度較快，實用性價值較高。

1 故障注入的嵌入式應(yīng)用軟件安全性測試框架

故障注入的嵌入式應(yīng)用軟件安全性測試框架是由測試的敏感器、實際執(zhí)行的組件、計算機控制器等共同組成的，如圖1所示。

圖1 軟件安全性測試系統(tǒng)硬件框架

由圖1可知：該硬件設(shè)計主要實現(xiàn)的功能有：對敏感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理；控制嵌入式應(yīng)用軟件運行的姿態(tài)；控制輸出執(zhí)行機構(gòu)；通過總線完成數(shù)據(jù)的分類，并使串口與遙控的單元進行通信連接。針對嵌入式應(yīng)用軟件的運行特性，將變換所需要的物理條件進行輸入，并模擬接口主要包括計算機通信的總線接口和串、并口以及為電源提供敏感數(shù)據(jù)、執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)、遙感控制的數(shù)據(jù)等。

為了構(gòu)造軟件運行環(huán)境，需要模擬CPU以及常用的芯片組合構(gòu)建全數(shù)字仿真平臺[3-4]，如圖2所示。

圖2 全數(shù)字仿真平臺

由圖2可知：該平臺建立的主要部件有：CPU模擬器、虛擬硬件模型塊、仿真模型庫、輸入接口、記錄接口、故障注入模型庫。

1）CPU模擬器：用來模擬軟件運行的真實環(huán)境，主要包括CPU、內(nèi)外的存儲單元。

2）虛擬硬件模型塊：用來模擬總線的連接，串并口、芯片的采集。

3）仿真模型庫：為軟件運行提供動力學(xué)的仿真環(huán)境，并對模擬的軟件進行實時控制。

4）輸入接口：測試人員能夠通過輸入接口進行腳本的設(shè)置，從而控制軟件安全狀態(tài)。

5）記錄接口：該部分的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對測試進行實時的監(jiān)控和分析，并對模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、被測試軟件的實時信息、覆蓋率[5]進行處理。

6）故障注入模型庫：該部分的設(shè)計主要是將故障信息進行輸入。通過敏感器采集的異常數(shù)據(jù)對接收的信息進行設(shè)置，然后向被測試軟件提供激勵[6-7]，通常將處理器、總線、外設(shè)設(shè)置為故障的狀態(tài)，再根據(jù)該部分的設(shè)計作為運行環(huán)境的約束條件，從而完成硬件部分的設(shè)計。

2 安全性測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)上述硬件中設(shè)計的設(shè)備模型構(gòu)造了一組可運行的虛擬設(shè)備[8]，比如存儲器和處理器。該硬件模型的設(shè)計能夠在虛擬的機器中加入實例化的設(shè)備，并進行加載和卸載，通過模型引入配置文件來定義虛擬嵌入式系統(tǒng)。該文件的引入能夠為軟件設(shè)計提供可變的參數(shù)和配置的函數(shù)，進而實現(xiàn)處理器和內(nèi)存容量的控制[9]。

進行GDB調(diào)試環(huán)境之前，需要加載該模塊，并與主機之間的IP進行連接，如圖3所示。

圖3 測試環(huán)境通信渠道

基于上述的全數(shù)字軟件開發(fā)平臺中啟動一個新程序的時候，必須執(zhí)行如下命令：

在該運行環(huán)境中必須建立新的IP協(xié)議，其端口與平臺中的端口一致。該過程主要包括GDB調(diào)試技術(shù)和RSP通信協(xié)議：

1）GDB技術(shù)對故障底層機理的調(diào)試

GDB是一個重要的程序調(diào)試工具，能夠支持多種語言的編程，還可以根據(jù)不同的操作系統(tǒng)進行調(diào)用接口的選擇。在嵌入式應(yīng)用軟件安全性測試系統(tǒng)中選擇系統(tǒng)調(diào)用，該系統(tǒng)的選擇能夠為執(zhí)行進程的控制提供支持，使用GDB調(diào)試技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)：按照用戶自定義要求啟動目標(biāo)程序；使被調(diào)試的程序在相應(yīng)位置處停住；當(dāng)程序停住后，可以檢查目標(biāo)程序的安全運行狀態(tài)；通過動態(tài)的實施來改變程序的執(zhí)行環(huán)境。

GDB可用于對故障底層機理的調(diào)試，檢測軟件的安全性，如圖4所示。

圖4 GDB調(diào)試機理

由圖4可知：1表示創(chuàng)建目標(biāo)程序進程；2表示內(nèi)核程序的創(chuàng)建；3表示將目標(biāo)程序設(shè)置為可追蹤的；4表示目標(biāo)程序被執(zhí)行；5表示目標(biāo)進程喚醒注入；6表示請求目標(biāo)程序被改變；7表示內(nèi)核改變目標(biāo)進程并恢復(fù)執(zhí)行能力；8表示目標(biāo)進程結(jié)束；9表示故障注入進程結(jié)束。

2）RSP通信協(xié)議實現(xiàn)程序間交叉測試

RSP通信協(xié)議能夠為GDB調(diào)試器與遠程目標(biāo)程序之間的通信提供高級的秘密協(xié)議。如果GDB調(diào)試結(jié)束能夠?qū)崿F(xiàn)RSP通信協(xié)議，那么該調(diào)試技術(shù)就能夠連接到目標(biāo)機，從而實現(xiàn)程序間的交叉測試[10-11]。

RSP通信協(xié)議具有廣泛的連接方法，主要包括：TCP/IP、串口、管道，適用于嵌入式應(yīng)用軟件測試系統(tǒng)的交叉安全性能檢驗。該通信協(xié)議是一種簡單的編碼協(xié)議[12-13]，采用的是半雙工通信的方法[14-15]，其報文如下所示：

$ 字節(jié)流 # 校驗和

當(dāng)接收者接到完整的RSP通信協(xié)議信息包消息，那么只需要回復(fù)“-”或者“+”就可以表示正確無誤的接收到安全測試通過的消息，或者接收到失敗的消息[16]。

3 實驗

為了驗證上述系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進行了如下的實驗。

3.1 實驗環(huán)境

選擇某衛(wèi)星軌道的應(yīng)用性軟件，使該軟件在數(shù)字平臺上運行，并模擬衛(wèi)星圍繞行星飛行的狀態(tài)，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行運行軌道的繪制。其中需要被測試的硬件主要有：CPU模擬器、處理器、串口。

3.2 實驗結(jié)果與分析

嵌入式應(yīng)用軟件在正常環(huán)境中各個執(zhí)行程序運行的結(jié)果如圖5所示。

圖5 正常環(huán)境運行繪制結(jié)果

如果使用本文設(shè)計的故障注入式系統(tǒng)來模擬粒子事件，進而改變程序運行中各個重量信息的計算，通過觀察在正常環(huán)境下運行的結(jié)果來判斷應(yīng)用性軟件程序是否具有安全性。

啟動本文設(shè)計的故障注入式系統(tǒng)之后，自行的選擇維護故障類型，加載程序維護的同時執(zhí)行故障注入，結(jié)果如圖6所示。

圖6 故障注入后運行繪制結(jié)果

由圖6可知：通過對系統(tǒng)注入故障能夠改變硬件存儲器的重力狀態(tài)，但是被測試的軟件仍然具有正常工作的能力，只是在繪制中受到了干擾。因此，本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠模擬嵌入式應(yīng)用軟件在運行時所處的環(huán)境，并融合故障注入，動態(tài)測定硬件、軟件發(fā)生的故障類型，促使嵌入式應(yīng)用軟件的執(zhí)行，與傳統(tǒng)的測試行為和功能相比，具有更高的軟件測試性能。

構(gòu)建完整的測試框架之后，針對故障類型測試過程如下所示：

1）測試需求分析，獲取故障模式和測試點，審查被測程序是否具有完全覆蓋軟件的要求，比如：針對關(guān)鍵性的軟件，是否需要單獨測試；針對設(shè)計中出現(xiàn)的安全性結(jié)構(gòu)、冗余是否具有特殊項需要被測試；針對中斷問題，是否具有未中斷、中斷標(biāo)志處理等針對性的問題出現(xiàn)；故障類型中，是否需要特殊處理等。

2）根據(jù)安全性需求的分析，從故障注入數(shù)據(jù)庫中選擇故障的類型，設(shè)置相應(yīng)的時間、故障點，選擇適當(dāng)?shù)臅r機由輸入接口向系統(tǒng)注入故障。

3）測試結(jié)果保存與分析，如果注入為輸入故障，那么通過保存的結(jié)果就可以掌握被測試軟件異常輸入是否執(zhí)行了正確的行為；如果注入為運行故障，那么通過對被測試軟件的結(jié)果評估，就可以驗證該系統(tǒng)的有效性，進而實現(xiàn)軟件能夠在惡劣環(huán)境中克服的能力。

4）回歸測試，如果軟件中具有缺陷問題，那么需要對更改后的軟件進行重新確認。

采用上述方法對故障類型進行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 注入故障結(jié)果

由表2可知，通過本文的設(shè)計，能夠模擬軟件運行的環(huán)境，可以方便靈活注入異常故障，促進軟件能夠快速的達到故障狀態(tài)，進而快速完成軟件測試。

3.3 實驗結(jié)論

文中設(shè)計的系統(tǒng)能夠模擬嵌入式應(yīng)用軟件在運行時所處的環(huán)境，并融合故障注入，動態(tài)測定硬件、軟件發(fā)生的故障類型，促使嵌入式應(yīng)用軟件的執(zhí)行，與傳統(tǒng)測試行為和功能相比，具有更高的軟件測試性能；根據(jù)模擬軟件運行的環(huán)境，可以方便靈活注入異常故障，促進軟件能夠快速的達到故障狀態(tài)，進而快速完成軟件測試。

4 結(jié)束語

確保應(yīng)用性軟件能夠在惡劣環(huán)境中正常運行、避免失效，是生命周期的關(guān)鍵所在，為此，進行驗證就需要模擬在實際運行環(huán)境中出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象。故障注入的嵌入式應(yīng)用軟件安全性測試能夠融合故障模型，激勵實現(xiàn)有效的故障注入，進而獲取執(zhí)行的結(jié)果，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計相比，本文設(shè)計的嵌入式應(yīng)用軟件安全性測試系統(tǒng)具有更加全面的測試性能，實用性價值較高。

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