面向软错误的源代码级故障恢复技术研究

摘要

硬件集成电路瞬时故障（又被称为软错误）是由空间高能粒子所导致的，它对航天器的寿命和可靠性影响极为严重。为了提高航天应用系统的可靠性，目前航天计算平台采用经过硬件加固的抗辐照器件，但抗辐照器件受到设计、材料、功耗等方面的制约，实现成本较高。
　　与硬件加固相比，软件加固技术无须修改底层硬件结构，能有效降低功耗和实现成本，并可以借助成熟的商用器件大幅提高性能。因此，软加固技术受到各国航天领域的重视，成为竞相研究的的热点。研究面向瞬时故障的软加固技术，对我国航天事业的发展来说具有极其重大的现实意义。
　　本文在分析现有的软加固技术上，针对源代码级错误恢复技术进行研究，主要贡献如下：
　　1.提出了一种源代码级控制流恢复技术SICER。SICER能够有效的检测出函数间、基本块之间和基本块内部三个层次的非法跳转，检测范围较广，且SICER能够有效的恢复同一函数内基本块之间和基本块内部的跳转。该方法基于分段式标签分配和冗余备份实现，在函数间和函数内部进行分层次设计，使其具有良好的可配置性，可通过优选检测算法、重新划分基本块等方法实现优化配置。
　　2.提出了一种基于校验和编码的数据流恢复技术SIDER。SIDER是一种向前恢复的算法，其实现基于活跃数据备份及校验和编码，减少了错误恢复时保存现场的开销。此外，SIDER还提出了一种基于变量关键性分析的可配置优化方法，在性能开销有限的情况下为程序变量建立了保护的优先次序。
　　3.采用本文提出的错误恢复方法对某型号航天应用软件的部分代码进行了加固实现。设计并实现了随机故障注入工具RFISD(Random Fault Injection with Script Debug)，基于CCStudio编译器对加固后程序进行了性能开销分析和故障注入实验。实验结果表明，本文方法可将目标软件可靠性平均提升41％，时间开销为140.2%，空间开销为230.9%，加固效果显著。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目标及意义

1.3 本文主要工作

1.4 论文结构

第二章 技术背景

2.1 容错技术概述

2.2 错误检测技术相关研究现状

2.3 错误恢复技术相关研究现状

2.4 本章小结

第三章 源代码级控制流恢复技术

3.1 故障模型和相关概念

3.2 SICER算法控制流错误检测机制

3.3 SICER算法控制流错误恢复机制

3.4 SICER算法分析

3.5 本章小节

第四章 源代码级的数据流恢复技术

4.1 故障模型和相关概念

4.2 SIDER容错处理机制

4.3 SIDER算法分析

4.4 可配置优化策略

4.4 本章小结

5.1 加固算法实现与验证

5.1 源代码加固实现

5.2 故障注入工具设计

5.3 故障注入实验

5.4 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果