基于级联失效的软件执行网络重要节点挖掘方法研究

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1、基于级联失效的软件执行网络重要节点挖掘方法研究第1章绪论1.1课题背景随着社会的不断进步，人们对计算机软件的依赖程度与日俱增，对软件功能的需求也越来越高，软件产业得到了迅速发展的同时，规模也日益庞大，功能和结构日益复杂，而复杂性也成为了软件开发困难、软件质量难以保证的关键，相应的，软件安全性问题也日益突出，成为软件技术研究的热点之一。复杂网络理论为研究软件问题带来了新的契机。大量研究表明，现实网络大部分具有物理动力学特征，并不是完全的随机或规则的，最典型的代表是小世界网络[1-3]和无标度网络[4,5]，即复杂网络。真实世界中的电

2、力网络、神经网络以及计算机软件系统网络等都能构成复杂网络，与人们的日常生活息息相关，人们对它们的依赖程度随着科学技术的发展而不断增加，然而，人们对这些网络的可靠性却存在着疑虑，2003年美加州电网发生大规模崩溃事故，其影响范围极广；MSN美国总部服务器在2009年曾遭遇瘫痪一小时，影响全球900万用户登录；2013年，根据全国信息网络安全状况与计算机和移动终端病毒疫情调查结果显示，我国计算机病毒感染率为54.9%，同比上升了9.8%，用户私密信息遭到窃取，网络安全问题越来越不容忽视。这些事故都具有一个相同的特点网络中大量具有极高连

3、接度的节点控制着整个网络。在这些网络中，节点连接度高的节点通常是被攻击的重点对象，被称为重要节点，它们一旦遭受攻击，对应的网络将显得非常脆弱甚至不堪一击，存在巨大的安全问题。因此，有效地发掘复杂网络中的重要节点具有十分重要的意义，通过完善它们的性能达到提高软件网络质量的目的，加强软件安全特性，其理论成果也可以用于解决人们现实生活中面临的相关问题。......1.2研究现状分析及存在的问题复杂网络研究的对象通常较为复杂，一般方法是通过将其简化为由节点和边组成的网络来达到研究现实网络共性的目的，因此，复杂网络分析方法也适用于软件系统的

4、拓扑结构研究[6-9]。软件系统按照不同粒度，其构成对象可以是方法、类、模块、构件、子系统等，通过将这些组成元素抽象为节点，它们之间的相互作用代表边，可以构建出软件的复杂网络模型。因此，借助于极具交叉学科特性的复杂网络理论来研究软件系统是一个新颖而具有挑战的方向。软件系统拓扑结构可用复杂网络方法来进行描述，Valverde等[10]通过将面向对象作为研究对象，建立软件系统结构的无向网络，以JDK1.2和UbiSoftProRally2002为实验对象进行了统计特征分析，证明了它们的结构都展现出明显的小世界效应和无标度特性。2003

5、年，Myers[11]从软件协作图入手，以有向网络来表示软件系统的结构，并通过对大量开源软件进行了研究，发现这些开源软件结构同样具有小世界属性和无标度特性，这一研究成果吸引了大量计算机研究人员的关注。2008年，DeyiLi等人[12]从复杂网络的角度来探索软件工程，论证了软件系统具有复杂网络的小世界、无标度和高聚集等特性，并从软件工程角度，在软件复杂网络中的重要节点、社团结构以及其优先连接增长三个方面分析了它们对软件全局行为和软件质量的影响，这些特性一旦处理不当将会导致计算机病毒的泛滥，对软件造成不可估量的损失。2012年，Ja

6、mesMa等[13]将一个软件包作为一个复杂网络，其中函数作为节点，函数间依赖关系作为边，以此而构建的软件复杂网络模型能很好的反应真实世界中软件包的特性，并提出一种符合软件开发高内聚，低耦合等规则的新的网络增长模式，为今后研究软件复杂网络特性提供了一个新的方向。对于一个实时的软件系统来说，其主要特性多在软件代码中显示，仅仅采用静态特性来完全描述代码间的关系并不准确。为此，不同于以往将静态软件系统作为研究对象，兰文辉[14]于2010年对软件动态执行过程中所构成函数调用关系进行加权网络建模，从整体上理解软件系统的复杂性，并计算软件系

7、统受到攻击时故障的传播速度和规模，提出了基于关键节点和关键路径的软件可信性保证技术，研究保证软件的可信性。Kai-YuanCai等[15]将软件的执行过程作为一个不断发展的复杂网络，提出软件镜像图来验证软件的复杂网络性，并从平均距离、聚类系数以及度分布三个角度分析该模型性能，通过对软件系统进行复杂网络建模，验证了软件网络符合小世界特性和无标度属性。由于软件系统的静态网络并不能准确描述软件动态执行过程中的行为特性，在2012年，HuanLi[16]根据软件执行过程中类之间的实际发生的互连关系建立了动态软件复杂网络，精确地反应软件系统

8、的结构行为，实验证明，该动态网络模型与软件系统的静态网络模型都显示出小世界属性与无标度特性，能补全软件系统静态网络遗漏的动态特性，有利于分析软件在运行过程的动态特性。......第2章软件系统节点重要性相关技术研究概述2.1引言软件复杂网络中的节点