CN103714290B

CN103714290B - 一种软件行为获取、监控与验证方法

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Publication number: CN103714290B
Application number: CN201310730756.7A
Authority: CN
Inventors: 王丹; 王晓曦; 苏航; 庞俊彪; 杜金莲; 赵文兵
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN103714290A

Abstract

本发明涉及一种软件行为获取、监控与验证方法，包括：获取软件行为；监控软件行为；验证软件行为。针对现有软件行为监测、分析和验证方法中存在的不仅需要修改程序源码，而且编程负担较重，缺乏监控与分析粒度调控等问题，本发明从基于Java的面向对象编程语言的行为和属性的分析出发，结合UML和OCL技术，提供一种较为通用的软件行为获取、监控与验证方法，可以自动生成监控所需的AOP方面类，减少编码人员工作量；在不修改待验证系统源代码的情况下进行监控与验证；大量使用接口和动态链接库，易于维护和修改。使用本发明对软件系统进行监控和验证，可以对软件系统的可信性进行度量，并且保护软件系统正常运行。

Description

一种软件行为获取、监控与验证方法

技术领域

本发明涉及一种软件行为获取、监控与验证方法，既能够监控并保护软件的运行，又可以为可信软件的度量和验证提供一定依据。

背景技术

当前，以通信、存储和计算为核心的信息基础设施已经渗透到政治、经济、军事、文化和社会生活的各个层面，软件作为信息基础设施的灵魂，在信息社会中发挥着至关重要的作用。日趋庞大的软件需求愈来愈多，复杂度愈来愈高，可用性要求愈来愈强，软件系统却愈来愈脆弱，常常发生各种各样的问题，并对人们的工作生活带来不利的影响，甚至造成巨大的损失。

软件本质上是代替人执行一定的行为，软件的可信性主要表现在其行为可信上，即要求软件系统的运行行为及其结果总是符合人们的期望。目前，Java作为一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，以其具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性，而广泛应用于个人PC、数据中心、游戏控制台、科学超级计算机、移动电话和互联网。在全球云计算和移动互联网的产业环境下，Java更具备了显著优势和广阔前景。

但正因为Java应用广泛，针对Java漏洞和缺陷的攻击层出不穷，微软信息安全团队在2011年底发表的一期信息安全研究显示，在2011年内，微软的防毒软件总共侦测到2750万次瞄准Java漏洞的攻击，平均每季度690万次，超越先前Adobe在Acrobat、Reader及Flash方面的漏洞，成为黑客的主要目标。

目前，软件分析是以软件为对象通过静态或动态的方法进行人工或自动分析。大多数软件的行为分析与验证方法及系统都是通过静态编码对待验证软件进行行为监测、分析和验证，不仅需要修改程序源码，且编程负担较重，缺乏监控与分析粒度的调控。在关注点方面，大多数监测仅关注软件本身，对软件业务逻辑和行为交互缺少有效的监测与验证。

申请号为CN201010618258.X的专利公开了一种基于行为的软件可信度量系统及方法，该系统及方法通过反汇编和静态分析的方法获得软件预期行为，然后使用钩子技术对软件行为进行监测。该系统及方法未考虑到软件设计的初衷，从软件程序本身获取软件行为，若当软件未按照设计进行编码或软件本身存在错误时，获取到的行为本身即为错误的预期行为，更不必说后续的监测工作。并且，其编码和计算成本过高，增加了编程人员的劳动，且对系统执行效率影响较大。

发明内容

本发明从基于Java的面向对象编程语言的行为和属性的分析出发，结合UML(UnifiedModel Language)和OCL(Object Constraint Language)技术，提供一种较为通用的软件行为获取、监控与验证方法，该方法既能够监控并保护软件的运行，又可以为可信软件的度量和验证提供一定依据。不需要对被监控系统的源码进行任何修改，就可以对其行为进行监控与验证。对于提高软件生产效率和产品质量，保障软件可信性，具有非常重要的研究意义和应用价值。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种软件行为获取、监控与验证方法，包括以下步骤：

步骤1：获取软件行为。

步骤1.1：使用支持OCL约束的UML工具软件读取待验证软件系统的工程文件，向类图中添加OCL约束并导出一个含有OCL约束信息的XMI文件；

步骤1.2：从步骤1.1中得到的XMI文件中提取待验证软件系统的软件行为信息，对外提供程序接口，通过接口调用动态链接库，实现提取XMI文件中的待验证软件系统的软件行为信息。

当更换生成XMI文件的UML工具时，不需要修改程序代码并重新编译，只需要根据XMI文件结构，重新编码并生成一个实现接口的动态链接库替换原有动态链接库即可对新的XMI文件实现兼容；

步骤1.3：从步骤1.1中得到的XMI文件中提取OCL约束信息和软件行为的其它相关信息，将形式化的OCL语言解析为易于理解和分析的自定义表达方式。对外提供程序接口，通过接口调用动态链接库，实现对OCL语言的解析。

当需要增加解析规则或修改相关方法时，只需要修改动态链接库中接口的实现，并重新生成动态链接库替换原动态链接库即可完成修改；

步骤1.4：将步骤1.2中得到的软件行为信息和步骤1.3中解析后的OCL约束信息整合并生成一个软件行为描述XML文件。

步骤2：监控软件行为。

步骤2.1：定义AOP方面类模板，使用特殊符号替换模板中可以根据需要修改的地方，每个特殊符号后有一个唯一的两位数字编号，用来区分位置；

步骤2.2：读取步骤1.4中得到的软件行为描述XML文件，根据软件行为信息和约束，利用定义好的AOP方面类模板自动生成能够被编译的AOP方面类；

步骤2.3：对aop.xml配置文件进行修改，配置需要应用监控的包、类和方法的范围；

步骤2.4：使用AspectJ框架提供的AOP织入器，将AOP方面类织入到待验证系统中，在不修改待验证软件系统源代码的情况下，对待验证软件系统软件行为进行捕获。

AspectJ框架是起步最早也是现阶段应用最广的基于Java环境的AOP框架，使用AspectJ框架可以最大化兼容基于Java的软件系统；

步骤2.5：分析捕获到的软件行为并将结果记录到数据库中，将步骤1.4得到的软件行为描述XML文件内的信息与捕获到的行为信息进行比对，若待验证系统软件实际行为信息符合行为描述XML文件内行为约束的描述，则通过验证，软件行为继续执行。若没有通过验证则终止软件行为执行，并将行为信息及错误类型记录到数据库中；

步骤2.6：通过图形用户界面定时刷新已捕获行为列表，并对没有通过验证的行为记录进行标记；

步骤2.7：通过图形用户界面查看捕获到的行为，提供排序、查看详细信息和查找等功能。

步骤3：验证软件行为。

步骤3.1：将软件行为描述XML文件内的信息与数据库中的行为信息进行比对，若行为信息不符合行为描述XML文件内行为约束的描述，则没有通过验证，在行为信息中添加相关错误信息，并进行显示和记录；

步骤3.2：在图形界面上以列表的形式显示没有通过验证的行为记录和其错误分类，提供排序、查看详细信息和查找等功能；

步骤3.3：通过图形用户界显示系统的开启时间、捕获的行为总量、出错行为总量、出错比率、行为执行平均时间等数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明对基于Java语言开发的软件系统具有良好的兼容性；可以自动生成监控所需的AOP方面类，减少编码人员工作量；在不修改待验证系统源代码的情况下进行监控与验证；大量使用接口和动态链接库，易于维护和修改。使用本发明对软件系统进行监控和验证，可以对软件系统的可信性进行度量，并且保护软件系统正常运行。

附图说明

图1为一种软件行为获取、监控与验证方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明所述的方法一部分在.NET Framework下执行，用来提取软件行为信息、解析OCL约束、生成软件行为描述XML文件、生成AOP方面类、调整织入粒度、验证部分行为，以及为用户提供图形界面，显示数据及简化操作。包括步骤1.2～1.4、步骤2.2～2.3、步骤2.6～2.7、步骤3.2～3.4；另一部分在待验证软件系统下执行，用来织入AOP方面类、捕获待验证软件系统行为、分析软件行为以及验证部分软件行为。包括步骤2.4和步骤2.5；其它步骤则没有环境限制。

一种软件行为获取、监控与验证方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：获取软件行为。

步骤1.1：采用支持OCL约束语言和导出XMI文件的主流开源UML工具(如StarUML)。通过UML工具，导入待验证软件系统的UML设计文件，向UML设计类中添加OCL约束语言，这里可以自定义OCL语言前缀，方便之后的解析操作。选择导出XMI文件选项，根据提示即可生成带有OCL约束的XMI文件；

步骤1.2：通过图形用户界面选择步骤1.1得到的XMI文件，对软件行为描述XML文件中需要的信息进行提取。

将提取XMI文件信息的相关方法封装到一个接口中，使用集成开发环境建立一个动态链接库，在这个动态链接库中使用.NET Framework中提供的XML文件相关操作实现接口中的方法。通过调用接口提供的方法对XMI文件中的软件行为信息进行提取，暂时保存在计算机内存中。这样做得好处是提高可维护性和兼容性，使用不同UML软件导出的XMI文件格式和标签名称可能都有所不同，当更换生成XMI文件的UML工具时，不需要修改程序代码并重新编译，只需要根据XMI文件结构，重新编码并生成一个实现接口的动态链接库替换原有动态链接库即可对新的XMI文件实现兼容；

步骤1.3：从步骤1.1中得到的XMI文件中提取出OCL约束信息和软件行为其它相关信息，将形式化的OCL语言解析为易于理解和分析的自定义表达方式，用户可根据自身需求对解析方法进行定义。

具体实施是，将解析相关方法封装到一个接口中，使用集成开发环境建立一个动态链接库，在这个动态链接库中实现接口中解析OCL约束相关方法，再通过调用接口提供的方法对OCL语言进行解析，将解析结果按规则暂时保存在计算机内存中。当用户希望增加解析规则或修改相关方法时，只需要修改动态链接库中接口的实现，并重新生成动态链接库替换原动态链接库即可完成修改；

步骤1.4：把步骤1.3中解析后的每一条OCL约束信息保存到一个XML标签中，将步骤1.2中得到的软件行为信息按照包、类、方法和属性的结构生成一个软件行为描述XML文件，并将保存解析后OCL约束信息的XML标签添加为与其相关类的子标签。

步骤2：监控软件行为。

步骤2.1：定义AOP方面类模板，使用一个可以被编译的AOP方面类，将这个方面类Pointcut中需要填写捕获行为范围的部分删除，改为一个可以被程序读取的特殊符号，将方面类的aroundMethods方法的声明中函数名称部分改为特殊符号。同样，将函数中的涉及要在生成时做修改的部分也改为特殊符号。每个特殊符号后需要有一个唯一的两位数字编号，用来区分位置；

步骤2.2：为减少人工编码成本，本发明用自动生成AOP方面类的方法。具体实施是，在图形用户界面选择要读入的步骤1.4中得到的软件行为描述XML文件，针对需要监控和验证的行为，从软件行为描述XML文件中提取相关信息，替换步骤2.1定义好的方面类中的相关特殊符号，即可完成方面类的生成。对于以包为捕获对象或对捕获对象有特殊要求的需要自定义的AOP方面类，可以使用图形用户界面，对方面类的生成进行简单配置，再生成方面类，只需少量人工编码即可完成方面类的生成；

步骤2.3：AspectJ框架中负责配置织入粒度的文件为aop.xml。在该文件中可以配置和剔除需要织入方面类的包、类或方法，修改该文件即可调成监控与验证的粒度。具体实施是，从步骤1.4得到的软件行为描述XML文件中提取出待验证系统的包、类结构和需要应用监控和验证的相关方法的信息，通过图形用户界面对这些包、类和方法进行增减，以达到配置目的。对于更为精细的配置，通过手工编辑aop.xml文件完成；

步骤2.4：AspectJ框架是起步最早也是现阶段应用最广的AOP框架，本发明使用AspectJ提供的AOP织入器织入AOP方面类。按照AspectJ官方文档提供的的配置方法，即可完成织入器的配置与安装，使用该织入器即可织入步骤2.2中生成的方面类到待验证软件系统，对待验证软件系统的行为进行捕获；

步骤2.5：在静态类中实现一个静态方法，该方法接受一个AOP中ProceedingJoinPoint类型的参数，当捕获到需要进行监控与验证的行为后，将aroundMethods中以参数形式提供的ProceedingJoinPoint类的实例传递给这个静态方法即可从ProceedingJoinPoint类中提供的方法和属性中分析得到如包、类、方法名、参数个数和参数类型等信息，并将这些信息记录到行为记录数据库中。同样的，使用一个静态方法，在捕获到需要进行监控与验证的行为执行结束后，再次分析ProceedingJoinPoint类实例和其它信息，将分析结果记录到数据库中。分析结果主要包括ID号、函数签名、代码位置、捕获时间和参数等信息。在两次记录软件行为信息之后，分别用步骤1.4得到的软件行为描述XML文件内的信息与捕获到的行为信息进行比对，若没有发现错误则返回一个真实的返回值，并且让行为继续执行。若发现错误则返回一个空返回值，终止行为的执行，并将错误类型分类，连同行为相关信息一同记录到数据库中。可验证的行为包括：函数参数变化范围，变量类型，属性变化范围，函数返回值是否正确，函数是否正常结束等；

步骤2.6：以定时刷新的形式显示行为监控与验证信息的列表，用红色标出运行中出现问题的行为。具体实施是，通过图形用户界面设定刷新的时间间隔，在每次刷新界面时，将数据库中记录的验证后出现错误的行为记录显示字体改为红色；

步骤2.7：在图形用户界面上以列表的形式显示出捕获到的行为。可以根据不同字段进行升序及降序排列，选择某一条记录查看详细信息，根据函数签名、目标类，时间段等信息对监控到的行为进行查找。

步骤3：验证软件行为。

步骤3.1：读取选定的数据库中的记录，与软件行为描述XML文件中的约束信息进行比对，若没有错误则不进行任何操作，若有错误则将错误类型分类，连同行为相关信息一同记录到数据库中，并且在图形用户界面上以列表形式显示没有通过验证的行为信息；

步骤3.2：在图形用户界面上以列表的形式显示没有通过验证的行为记录及其错误分类。可以根据不同字段进行升序及降序排列，选择某一条记录查看详细信息，根据错误类型、函数签名、目标类，时间段等信息对没有通过验证的行为记录进行查找；

步骤3.3：通过对数据库中的行为数据进行读取和分析，统计待验证软件系统运行时间、捕获的行为总量、出错行为总量、出错比率、行为执行平均时间等数据，将结果以列表形式返回给图形用户界面。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种软件行为获取、监控与验证方法，其特征在于，既能够监控并保护软件的运行，又可以为可信软件的度量和验证提供依据；不需要对被监控系统的源码进行任何修改，就可以对其行为进行监控与验证；所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取软件行为；

步骤1.2：从步骤1.1中得到的XMI文件中提取待验证软件系统的软件行为信息，对外提供程序接口，通过接口调用动态链接库，实现提取XMI文件中的待验证软件系统的软件行为信息；

步骤1.3：从步骤1.1中得到的XMI文件中提取OCL约束信息和软件行为的其它相关信息，将形式化的OCL语言解析为易于理解和分析的自定义表达方式；对外提供程序接口，通过接口调用动态链接库，实现对OCL语言的解析；

步骤1.4：将步骤1.2中得到的软件行为信息和步骤1.3中解析后的OCL约束信息整合并生成一个软件行为描述XML文件；

步骤2：监控软件行为；

步骤2.4：使用AspectJ框架提供的AOP织入器，将AOP方面类织入到待验证系统中，在不修改待验证软件系统源代码的情况下，对待验证软件系统软件行为进行捕获；

步骤2.5：分析捕获到的软件行为并将结果记录到数据库中，将步骤1.4得到的软件行为描述XML文件内的信息与捕获到的行为信息进行比对，若待验证系统软件实际行为信息符合行为描述XML文件内行为约束的描述，则通过验证，软件行为继续执行；若没有通过验证则终止软件行为执行，并将行为信息及错误类型记录到数据库中；

步骤2.7：通过图形用户界面查看捕获到的行为，提供排序、查看详细信息和查找功能；

步骤3：验证软件行为；

步骤3.2：在图形界面上以列表的形式显示没有通过验证的行为记录和其错误分类，提供排序、查看详细信息和查找功能；

步骤3.3：通过图形用户界面显示系统的开启时间、捕获的行为总量、出错行为总量、出错比率、行为执行平均时间数据。

2.根据权利要求1所述的一种软件行为获取、监控与验证方法，其特征在于，当更换生成XMI文件的UML工具时，不需要修改程序代码并重新编译，只需要根据XMI文件结构，重新编码并生成一个实现接口的动态链接库替换原有动态链接库即可对新的XMI文件实现兼容。

3.根据权利要求1所述的一种软件行为获取、监控与验证方法，其特征在于，当需要增加解析规则或修改相关方法时，只需要修改动态链接库中接口的实现，并重新生成动态链接库替换原动态链接库即可完成修改。