[发明专利]一种具有故障预测能力的时序属性监控方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到计算机系统领域，特指一种对软硬件系统运行过程必须满足的时序属性进行监控和防范的方法。

背景技术

随着计算系统变得越来越复杂，人们逐渐认识到监控的重要性，是指对计算过程（例如进程）中所关心的动态信息进行抽取。早期监控方法主要基于跟踪和采样技术，并用于调试、优化、状态报告、重配置等用途；后来人们认为传统监控技术已经不适于监控具有多处理器、分布式特征的复杂系统，并提出了基于历史数据以及包括数据收集、数据分析和结果显示等步骤的监控过程。复杂系统的运行时监控在航空航天等安全关键领域非常受重视，因为它是故障检测、隔离与恢复（Fault Detection,Isolation and Recovery,FDIR）以及故障诊断（Fault Diagnosis）的基础。例如，美国航空航天局（NASA）对其深空网络（Deep Space Network）建立了监控系统，由基于信标的多任务异常分析（Beacon-based Exception Analysis for Multi-Missions）系统和空间飞行器健康推理引擎（Spacecraft Health Inference Engine）两部分组成，后者基于前者输出的信息进行推断；欧洲宇航局（ESA）对其关键软件的FDIR框架和监控技术进行了研究，并在Smart-I、Rosetta等多个卫星中进行试验。

监控可以针对系统和软件中的不同侧面，这与应用背景、需求以及用户的关注点相关，并已出现许多相关研究工作。例如，采用不变式或断言对软件运行过程中的变量值、输入/输出或系统状态进行监控；对网络中出现的恶意攻击和非法访问进行监控；以形式规约中提取的事件表达式作为基础对系统的实时性进行监控；基于混成建模对飞行器的健康和性能情况进行监控；通过软件运行时监控技术对无线网络中的能耗进行监测；在面向服务的体系结构中，通过软件封装技术对Web服务的性能进行监控；等等。

为了更准确地对复杂时序属性进行监控，以形式化方法为基础的运行时验证（Runtime Verification）得到广泛重视，近年来取得了一定进展，已被认为是运行时监控的重要研究领域。运行时验证的目标是检测一个系统的实际运行是否违背给定的属性，该属性一般用某种时序逻辑（Temporal Logic）公式描述，并以此为基础生成相应的监控器。因此，在运行时验证中，监控器可以更加具体的定义为“读取有穷运行路径并给出相应结论的装置”。

线性时序逻辑（Linear Temporal Logic,LTL）作为一种广泛用于描述反应式系统属性的形式规约，在运行时监控中被给予较多关注和研究。为了增强监控属性对实时等特征的表达能力，还出现了对PLTL、ITL等时序逻辑乃至混成属性（Hybrid Property）进行运行时验证的研究。多数情况下，运行时验证中监控器的构造借助了为时序逻辑公式生成等价自动机的过程，例如为一个LTL公式构造监控器可以该公式对应的Büchi自动机为基础。但由于LTL等时序逻辑的语义是以无穷路径为基础的，而运行时验证所得到的软件运行路径只能是有穷序列，因此往往需要在构造监控器时把时序逻辑的语义改造为以有穷路径为基础。美国NASA定义了有穷序列监控逻辑（Monitoring Logic）对程序的预期行为进行规约，它包含了时序逻辑、实时逻辑、区间逻辑的主要特征，生成的监控器在软件运行时自动判定是否违背预期行为，并在火星探险漫游者的规划软件PLASMA中应用。