基于复杂网络理论的Linux内核动态行为研究

摘要

随着嵌入式系统广泛应用于生产生活各领域，系统的可靠性越来越被人们所重视，可靠性分析成为实施安全关键系统的重要前提。GUN/Linux作为通用操作系统，其自身有很多优势被应用到安全关键领域，但是随着计算机软硬件技术的飞速发展，越来越多的新技术被引入到内核中，这些原因都直接增加了Linux内核的复杂度。然而系统的可靠性、复杂性之间相互联系相互制约，操作系统的复杂性不仅表现为自身规模庞大、内部控制组件多样，同时动态的应用执行环境也为系统引入了新的复杂性。因此无论是提高系统性能还是对系统进行可信评价，都是一项复杂度高、开销大且工作量庞大的工程，这些原因直接导致了我们无法用传统的形式化验证的方法研究内核的动态行为。
　　经调研发现，复杂网络理论的研究和应用为理解复杂系统的动态行为和对系统表现进行预测提供了有力的工具和方法。本文基于复杂网络理论对Linux内核动态行为进行深入研究，设计出了一套基于开源POSIX测试集的数据追踪模型将Linux内核的动态行为可视化，解释了系统调用动态执行路径具有随机性的原因，并定义和建立了表征内核动态行为的有向加权网络。基于复杂网络理论对该网络进行了特征度量分析，不仅得出了Linux内核网络的“小世界”和“无标度”特性，还通过分析各版本内核网络的各项统计指标，得出在版本演化过程中内核动态执行链的深度在缓慢下降，整体网络的稳定性有所提高。结合相应内核函数定义和功能挖掘网络中的重要节点和关键路径,证明了内核函数分布属于同配混合分布，说明Linux内核本身具有很好的鲁棒性，并进一步分析了这些网络特性对系统整体性能的影响。最后对内核网络中的四个关键子网络进行了详细分析，并给出了为什么出现相应网络结构特征的解释。
　　本文对内核动态执行网络的研究和分析是着眼于全局的，在研究子网络动态行为时适度聚焦，这为避免内核更新出现局部最优提供了参考，另一方面该研究内容也为给理解预测系统动态行为以及进一步的系统可信评价提供了新的参考方法。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究内容和意义

1.4 论文内容及结构

第二章 内核追踪模型设计和复杂网络分析概述

2.1 Linux内核动态数据追踪基本思想

2.2 设计所用工具和资源

2.3 内核调用追踪设计与实现

2.4 复杂网络基本概念综述

2.5 本章小结

第三章 内核动态执行网络的构建和分析

3.1 网络构建环境及工具介绍

3.2 基于POSIX测试集的内核动态网络定义及构建

3.3 网络度量及分析

3.4 本章小结

第四章 基于Linux内核功能模块的关键执行网络分析

4.1 进程控制子网络分析

4.2 IPC子网络分析

4.3 内存管理子网络分析

4.4 程序执行子网络分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 后续工作计划

参考文献

研究生期间成果

致谢