嵌入式软件网络连接错误故障实时检测仿真

李柯景，鲁光男

(长春大学计算机科学技术学院，吉林 长春 130022)

1 引言

嵌入式软件指的是支持嵌入式装置运行的软件层或是应用软件层，主要负责处理计算机发出的各项控制指令。嵌入式软件能够增值嵌入式设备，通过软件代码间的相互作用，实现软件的不同功能[1]。随着嵌入式软件应用面不断拓展，软件与局域网间的连接问题逐渐成为研究热点。

国外对嵌入式软件研究起步较早，在软件与网络连接错误故障的检测上也起步较早，借助于解析模型手段，现已研究得到实时检测方法。国内在研究嵌入式软件上的时间并不久，但在我国研究人员不断地努力下，已经得到了多种检测方法和测试平台。文献[2]提出嵌入式通信系统远程高速数据准确识别检测，分析远程高速数据，获取数据增高预警值，建立远程数据通信传输模型，利用远程数据点均值处理系统中的无效数据，采用动态平均线处理方法对通信系统中的有效数据缺失进行数据补偿，获得有效数据交叉信息链，连接相对独立的多个远程数据点均值，计算出数据的包络特征值，用于识别通信系统中的有效数据，形成远程有效数据时域波形信息分量，实现数据的精确识别检测。文献[3]提出采用随机Petri网的嵌入式机载软件可靠性检测，针对典型缺陷，建立了嵌入式机载软件系统行为模型，给出了典型缺陷的检测策略和判断准则，通过对Petri网模型进行仿真验证，验证系统是否存在这种设计缺陷，并给出了软件设计运行过程的仿真验证算法，以完成可靠性检测。

虽然上述研究取得一定进展，但在嵌入式软件网络中检测存在一定局限，为此在仿真技术的支持下，研究一种网络连接错误故障实时检测方法，解决软件在开发过程中由于描述不同导致的故障检测问题，增强嵌入式软件与网络连接间的衔接过程。研究嵌入式软件网络连接错误故障实时检测仿真是很有必要的。

2 嵌入式软件网络连接错误故障实时检测仿真

2.1 计算嵌入式软件网络错误的响应特性

嵌入式软件处于工作过程时，网络连接的线路与数据传输间都可能产生连接故障[4]，不同的网络节点会在数据应答间隙内，发送一个显性位应答网络的回执，以支持嵌入式软件运行的网络连接拓扑结构为分析对象，结构如图1所示。

图1 网络连接的拓扑结构

根据图1所示的拓扑结构可知，当软件网络发生连接错误时，网络故障会在发生位置将显性位变换为隐性位，也就形成了逻辑值相异[5]。根据拓扑结构中网络连接错误时间比率数值，将相异性的逻辑值转换为网络错误帧，转换过程就可表示为

(1)

其中，C表示发生网络连接错误的时刻，W表示软件网络发生错误的时间，r表示发生网络连接错误的数量，E表示网络错误的时刻向量，TR表示网络连接时长，T(u)表示错误故障发生的时长参数。当网络连接错误故障在一段时间内，嵌入式软件会产生不同的错误行为，所以在计算错误响应特性前，计算错误故障的周期，计算公式可表示为

(2)

其中，t表示间隔时长，v表示网络错误的累积时长，其余参数含义不变。根据嵌入式软件的连接特性，实际产生的连接错误故障周期并不均匀，所以在计算嵌入式软件网络错误的响应特性时，根据实际的嵌入式软件的接收指令信号的周期[6]，设定错误故障的最大可接受程度阈值，将该阈值作为响应评估参数，该评估参数就可表示为

(3)

其中，A(t)表示实际错误故障的显性位数量，Li表示设定的可接受程度阈值。将该公式评估网络错误故障的性能作为实际网络连接错误故障的响应过程，根据故障网络形成的响应，设定实时检测方式。

2.2 设定实时检测方式

在上述分析得到的响应特性下，将软件连接网络的若干个点作为保护单元，设定一个检测点的实时门限数值，可表示为

(4)

其中，Nf表示网络节点参考单元的采样点数量，T表示连接网络的虚警参数。在网络单元平均恒虚警理论的控制下，检测点的门限系数就可计算得到

(5)

其中，Pf表示检测点的检测概率，N表示网络检测点的数量。以上述门限系数大小，划定上述检测点为不同的检测区域，根据分辨单元内的回波能量，不断累积距离单元中的故障回波[7]。为了控制单元中的噪声数值，计算分辨单元中的检测概率，计算公式就可表示为

(6)

图2 检测概率与噪声数值间的变化关系

根据图2所示的数值变化关系可知，在检测次数的影响下，一旦噪声数值增大，那么检测错误故障的概率也会降低，所以在设定实时检测方式时，根据检测次数的大小，只保留在门限系数左右的采样数据，以最小的门限系数作为采样起点[8]，计算采样门限系数的重心，计算公式可表示为

(7)

其中，n，l表示检测数据采样的起点与终点，x(j)表示连续检测的数据集。在上述重心参数的控制下，设定检测采样值为数值1，实现检测方法的实时性[9]。设定实时的检测方式后，设定模拟窗口的执行时间，最终实现实时检测仿真。

2.3 网络连接错误故障实时检测

模拟检测仿真的不变时间量，作为错误故障的有效寿命，叠加处理连接错误参数[10]，整理得到软件损坏随时间的变化过程，如图3所示。

图3 网络错误变化

在如图3所示的嵌入式软件错误变化下，控制仿真时间段在有效寿命之间，并将该时期作为故障实时检测仿真时期[11]，联合上述设定的实时检测方法，采用JAVA中的AWT/Swing体系结构设定一个检测仿真窗口，设定的仿真结构如图4所示。

图4 设定的检测仿真结构图

在图4所示的检测仿真窗口下，准备响应特性得到的检测数据后，创建一个连接错误后继边，构建一个后继边合法性的判断关系，可表示为

R(t)=P(g>t)，t≥0

(8)

其中，g表示软件寿命的随机变量，t表示指定的时间。随机选取一条合法的后继边，作为软件测试阶段的末期，计算选取后继边的数值，根据数值大小判断软件网络连接错误是否进入到错误状态，当进入错误状态时，使用甘特图标出连接错误故障[12]。当网络连接没进入错误状态时，瞬时处理该后继边，实现对软件网络连接错误故障实时检测的仿真。

3 实验分析

3.1 实验准备

准备具有如表1参数所示的嵌入式系统。

表1 嵌入式系统功能参数

使用上表所示功能参数控制的嵌入式软件网络环境，使用CPU为i5、内存为8G的计算机，控制计算机连接PXIe机箱，在计算机硬件机箱上插入多功能通讯卡与网络资源模块卡作为测试网络数据的连接端口。在网络硬件组件接口处、多功能通讯卡和网络资源模块卡处设定网络连接错误的测试节点，设置的测试节点结果如表2所示。

表2 设定的网络测试节点

在表2所示的节点位置设置相同的节点数量，分别使用文献[2]中的检测仿真方法、文献[3]中的检测仿真方法以及文中设计的检测仿真方法进行实验，对比三种检测仿真方法的性能。

3.2 实验结果及分析

基于上述实验准备，设置每个节点处存在100个网络故障缺陷，以三种检测仿真方法发现网络故障作为对比指标，定义检测仿真方法网络处理集与设定的故障集数量相等时，即为一次故障发现成功过程，统计三种检测仿真方法发现故障数量，结果如表3所示：

表3 三种实时检测仿真方法发现故障能力

由表3所示的实验结果可知，在三种检测仿真方法控制下，一个测试节点处设置100个网络连接故障，每个测试节点位置共有500个连接故障，根据上表各项数值结果可知，文献[2]中的检测仿真方法最终发现故障的数量最少，错误故障数量在250～300个之间，文献[3]中的检测仿真方法发现错误故障较多，数值在350～400个之间。而文中设计的检测仿真方法能够发现480～500个错误故障，与前述两种现有检测仿真方法相比，文中设计的检测仿真方法发现的错误故障最多，发现错误故障的能力最强。

保持上述实验环境不变，定义在设定的检测节点处生成有效检测集与实际检测得到的故障数量相等时，即为一次检测有效过程，可计算得到

(9)

其中，i，j分别表示设定的连接错误故障以及实际检测得到的错误故障，n表示检测路径，m表示检测路径的约束参数，Vij表示得到的有效检测集，tij表示约束生成的时间集合，在设定已知数量的错误故障下，统计三种实时检测方法在不同测试阶段的有效率，有效率结果如表4所示。

由表4所示的检测有效率结果可知，在三种检测仿真方法控制下，网络连接错误故障检测表现出了不同的有效率结果，根据表4中的数值大小，文献[2]中的实时检测方法的有效率数值在68%左右，检测的有效率数值较小，文献[3]中检测方法的有效率数值在83%左右，检测错误故障的有效性较强，而文中设计的检测仿真方法的有效率数值在92%左右，检测网络连接错误故障的有效性最强。

表4 检测有效率结果

在上述实验环境下，设定测试节点处的配对门限为5000个采样单元，当检测方法检测到采样单元中的连接错误时，软件网络发出预警，设定三种实时检测仿真方法重复检测采样单元10万次，统计三种检测仿真方法最终产生的虚警次数，结果如表5所示：

表5 三种检测仿真方法产生的虚警次数

根据表5所示虚警次数结果可知，重复检测采样单元10万次后，文献[2]中的检测仿真方法在检测错误故障过程中，实际的虚警次数在45次左右，产生的虚警次数最多，文献[3]中的检测仿真方法产生虚警次数在25次左右，实际的虚警次数较少，而文中设计的检测仿真方法产生的虚警次数在5次左右，产生的虚警次数最少。综合上述实验结果可知，文中设计的检测仿真方法发现错误故障的数量最多、故障检测的有效率最大且产生的虚警次数最少，适合实际检测仿真过程。

4 结束语

随着嵌入式软件逐渐向复杂化方向发展，传统式的检测方法已无法满足软件的安全性要求，为此仿真嵌入式软件网络连接错误故障实时检测过程，将网络连接错误故障进行细化处理，改善传统检测仿真方法检测故障有效率过小、发现故障数量过少，产生虚警次数过多的不足，为今后研究整体嵌入式软件的错误故障提供一定的研究方向。