构件化软件动态更新关键技术及形式化研究

摘要

在一些任务关键型应用系统中，由于系统具有高可用性需求，在进行软件故障修复、服务功能扩展或系统性能改进等软件更新操作时，需要在保持系统持续运行的情况下动态地进行。软件系统如果能够具备良好的动态更新能力，将有利于提高系统的适应性，从而延长软件生命周期，减少管理和运营成本，并满足不断增长的软件复杂性和适应性需求。
　　本文从功能和非功能需求分析着手，研究在构件化软件中提供动态更新支持需要解决的关键技术问题，并结合动态模块化、事务处理、状态迁移等动态更新支持需求，对高阶π演算（HOπ）进行扩展研究，开发一种可用于刻画构件化软件动态更新的演算方法，为动态更新安全性、一致性等的保证提供形式化推演机理。并且，构建动态更新支持平台对解决方案加以技术实现，通过原型案例和实验实现来验证方法的可行性。本文的研究工作和创新性主要包含以下方面:
　　1.提出一套动态更新支持相关问题的技术解决方案，基于软件构件的服务功能、结构表达以及构件组装、通信与交互等特征，结合软件系统动态更新支持的可用性、正确性等需求，研究构件化软件动态更新中的关键技术问题。基于安全通信、依赖分析、静态分析、事务处理等技术，给出了更新点确定、更新文件交付、更新时机选择、状态提取及迁移、更新失败恢复等方面问题的解决方法。
　　2.扩展高阶π演算以分别刻画动态模块化、事务处理和状态保持等动态更新支持机制，提出一种刻画构件化软件动态更新的形式化演算（称为updateπ演算），根据构件化软件动态更新支持形式化推演的设计依据，引入进程序列原语，结合对高阶π演算的动态更新支持扩展，给出了updateπ演算的抽象语法、操作语义和推演规则，并通过应用实例具体刻画典型动态软件更新行为，包括更新时机选择、更新执行过程、状态提取与迁移、更新失败检测与恢复等方面。
　　3.提出一种构件化软件动态更新支持服务框架，刻画构件开发管理、底层服务架构、服务功能实现、服务部署与管理和目标应用系统等部分之间的交互联系。其中动态更新支持作为服务部署与管理模块的核心功能，实现了动态更新的各种功能和非功能需求，包括更新初始化、更新调度、更新操作和失败处理等。基于R-OSGi技术开发构件化软件动态更新支持系统，实现普适计算环境下的动态软件更新原型，验证了方法的可行性。

目录

声明

摘要

插图索引

主要符号和简写对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 构件化软件开发

1．1．2 动态软件更新技术

1．1．3 软件更新形式化研究

1．2 研究动机与目标

1．2．1 问题的提出及研究动机

1．2．2 研究的主要目标

1．3 研究的主要内容

1．4 篇章结构组织

1．5 本章小结

第二章 动态软件更新问题及研究现状

2．1 基本过程和属性需求

2．1．1 动态软件更新过程

2．1．2 系统一致性

2．1．3 时序正确性

2．1．4 安全可靠性

2．2 动态软件更新技术研究现状

2．2．1 安全更新状态界定

2．2．2 动态更新时机选择

2．2．3 运行时状态迁移

2．3 软件更新形式化推演技术

2．3．1 研究现状分析

2．3．2 形式化推演机理

2．4 本章小结

第三章 构件化软件动态更新关键技术研究

3．1 动态更新需求分析

3．1．1 功能需求

3．1．2 非功能需求

3．2 动态更新关键技术策略

3．2．1 确定安全更新点

3．2．2 安全交付更新文件

3．2．3 选择合理更新时机

3．2．4 提取并迁移运行时状态

3．2．5 检测及处理更新失败

3．3 构件化软件下的动态更新技术研究

3．3．1 基于安全通信方案传输更新文件

3．3．2 基于依赖性分析确定更新顺序

3．3．3 基于静态分析确定并迁移运行时状态

3．4 本章小结

第四章 高阶π演算的动态更新支持扩展研究

4．1 高阶π演算

4．1．1 基本语法

4．1．2 标记变迁系统

4．2 带进程位置的HOπ演算

4．2．1 进程钝化

4．2．2 语法和语义

4．3 带事务特性的HOπ演算

4．3．1 事务处理语法

4．3．2 操作语义

4．4 带状态属性的HOπ演算

4．4．1 基本语法

4．4．2 操作语义

4．5 本章小结

第五章 构件化软件动态更新形式化研究

5．1 设计依据

5．1．1 更新粒度选择

5．1．2 更新时机推导

5．1．3 状态获取与迁移

5．1．4 更新事务及失败恢复

5．2 updateπ演算的语法

5．2．1 基本约定

5．2．2 语法定义

5．3 updateπ演算操作语义

5．3．1 结构同余

5．3．2 归约关系

5．3．3 标记变迁系统

5．4 动态构件更新及其属性

5．4．1 动态更新实例

5．4．2 属性分析

5．5 本章小结

第六章 动态软件更新支持系统实现及案例研究

6．1 动态更新支持系统功畿建模

6．1．1 基本更新处理过程

6．1．2 更新时机选择模块

6．1．3 依赖性分析模块

6．1．4 更新顺序确定模块

6．1．5 运行时状态迁移模块

6．2 普适计算环境下的动态软件更新

6．2．1 远程诊疗系统动态更新应用场景

6．2．2 基于R-OSGi平台技术的软件动态更新实现

6．2．3 原型实现及实验分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文内容总结

7．2 未来研究方向

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研情况