CN111506513B - 一种基于层次化模型的文件系统测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于层次化模型的文件系统测试方法，包括以下步骤：对文件系统进行层次化建模，在每一层模型上设计抽象文件系统调用原语；利用获取的层次化模型，生成文件系统调用序列，作为文件系统的测试输入；将调用序列具体化，将其与运行时环境编译链接成可执行文件作为文件系统的测试用例；用QEMU虚拟机运行操作系统内核及文件系统并自动化加载运行测试用例；自动化分析运行结果，验证测试是否触发文件系统缺陷；对于触发缺陷的测试用例，自动化约减测试用例。本发明能够弥补已有文件系统测试技术的不足，层次化构建文件系统模型的方法，高效地生成文件系统测试输入，并自动化地将所产生的输入用于测试文件系统。

Description

一种基于层次化模型的文件系统测试方法

技术领域

本发明涉及文件系统的测试和输入生成技术领域，具体而言涉及一种基于层次化模型的文件系统测试方法。

背景技术

作为操作系统内核的重要组成部分，文件系统的可靠性至关重要，因为它用于存储其他程序需要的数据；而文件系统中的缺陷可能会导致严重的后果，例如内核崩溃，用户数据丢失或甚至是高危的安全漏洞等。尽管文件系统已经被广泛测试过，例如通过现有的回归测试套件，模糊测试技术或是模型检验工具，并且这些工具已发现了上百个缺陷，但文件系统错误仍然普遍存在，且威胁着操作系统内核的可靠性。

为了测试文件系统这类的复杂系统，我们需要生成高质量的测试输入，以此让系统执行到潜在的错误状态；对于文件系统，我们应该生成文件系统调用序列来触发文件系统后缺陷。但是，高效的测试输入生成问题是具有挑战性的，因为文件系统的输入空间在规模上极其庞大的。例如，每个文件系统调用包括各种参数，并且总共有数十个不同的文件系统调用，此外，文件系统调用的先后顺序又会相互影响。

尽管现有技术可以系统地生成文件系统测试输入，但它们可能仍然无法有效地测试文件系统。例如，代码的覆盖率信息不一定反应程序执行状态的覆盖，加上现有的模糊测试技术不了解文件系统的语义，所以其生成过程近似随机生成；另一方面，为复杂的文件系统构建一个精确而完整的语义模型是不可能的。因此，现有的模型检验工具、基于模型的测试技术或是形式化验证工作仅限于测试文件系统的一小部分。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于层次化模型的文件系统测试方法，能够弥补已有文件系统测试技术的不足，层次化构建文件系统模型的方法，高效地生成文件系统测试输入，并自动化地将所产生的输入用于测试文件系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于层次化模型的文件系统测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

S1，对文件系统进行层次化建模，在每一层模型上设计抽象文件系统调用原语；

S2，利用步骤S1获取的层次化模型，生成文件系统调用序列，作为文件系统的测试输入；

S3，将步骤S2中的调用序列具体化，将其与运行时环境编译链接成可执行文件作为文件系统的测试用例；

S4，利用QEMU虚拟机运行操作系统内核及文件系统并自动化加载运行步骤S3中的测试用例；

S5，自动化分析运行结果，验证测试是否触发文件系统缺陷；对于触发缺陷的测试用例，自动化约减测试用例。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤S1中，所述对文件系统进行层次化建模是指：

将文件系统进行抽象建模，模型的每一部分均针对文件系统的不同特性，并构成层次化模型结构；其中，最上层的模型针对最基础的文件系统语义，后续的下层模型特制化地针对文件系统不同特性。

进一步地，步骤S1中，所述文件系统的层次化模型包括最上层模型、中间层模型和最下层模型；

其中，最上层模型用于刻画文件系统的文件组织结构，包含有文件系统用于维护树状结构的文件目录结构；中间层模型是核心扩展层，用于在文件目录结构上做额外的文件操作；最下层模型是文件系统调用的文法层，用于将抽象的文件系统调用实例化。

进一步地，步骤S1中，所述在每一层模型上设计抽象文件系统调用原语是指：

所述最上层模型对应的调用原语包括目录、文件的创建、删除、重命名；

所述中间层模型对应的调用原语包括文件的读写、大批量增删改目录、文件；

所述最下层模型是实际操作系统提供的文件系统调用，用于将上两层的抽象调用翻译成实际可执行的调用。

进一步地，所述最上层模型和中间层模型的调用原语具有如下语法：syscall(object-1,object-2)，其代表了抽象文件系统调用操作和作用的参数对象。

进一步地，步骤S2中，所述利用步骤S1获取的层次化模型，生成文件系统调用序列，作为文件系统的测试输入包括以下步骤：

从最高层的模型出发，生成抽象文件系统调用序列，然后依次沿着模型层次将抽象序列进行扩展。

进一步地，所述从最高层的模型出发，生成抽象文件系统调用序列的过程包括以下步骤：

采用模型检验的方式生成最上层的模型对应的抽象文件系统调用序列，对于给定长度，枚举所有可行的文件系用序列：

从只包含根目录的抽象文件系统状态出发，选择一个候选文件系统状态，在该状态下，枚举所有可行的抽象文件系统调用以添加产生新的调用序列，每一个新生成的序列都能到达一个新的温江系统状态，将其加入候选文件系统状态集合；迭代直到给定长度的序列生成。

进一步地，在选择候选文件系统状态时，以该状态对应的已生成的调用序列长度为优先；在枚举可行的调用时，用聚类的方式选择代表性的k个对象以缩小生成空间，所述k为大于等于1的正整数。

进一步地，步骤S5中，触发的缺陷类型包括：空指针解引用、资源释放后使用和断言失败。

进一步地，步骤S5中，所述对于触发缺陷的测试用例，自动化约减测试用例的过程包括：

S51，对于能够触发缺陷的序列不断删减其后半部分序列，直至该序列缩减至最短；

S52，依次删除缩短后的系统调用，若删除后无法触发缺陷，则保留该调用，否则将其删除。

本发明的有益效果是：

(1)从全新角度，对文件系统进行层次化的建模，并针对文件系统设计了一套通用的调用原语，能够生成对于文件系统多样性的测试输入，覆盖不同的文件系统实现特性。

(2)此外，利用QEMU的快照功能加速了测试用例的执行，提高了整个测试流程的效率。

(3)所设计的调用原语良好支持了测试用例的约减，对于触发缺陷的测试用例能够快速分析并自动化约减。

(4)本发明能够更加高效地进行测试用例生成、执行、分析，从而能够帮助更有效地测试文件系统，找到缺陷，提高文件系统在实际使用中的正确性与安全性。

附图说明

图1是本发明的基于层次化模型的文件系统测试方法流程图。

图2为用以实现本发明所述文件系统测试方法的系统结构图。

图3为本发明提供的层次化模型及文件系统调用序列生成过程示例图。

图4为本发明提供的层次化模型的语法细节图。

图5为本发明提供的文件系统调用序列生成模块的工作流程图。

图6为本发明提供的文件系统自动化约减调用序列的工作流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在本发明中涉及到的名词解释如下：

所述文件系统是指一类操作系统内核的组件，用于存储和组织计算机数据的方法，使得对数据的访问和查找变得容易，并向上层用户提供统一的接口，即文件系统调用。所述的操作系统是指用于管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的核心与基石。所述的的操作系统内核是指操作系统的核心，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等。所述的文件系统调用是指文件系统用户程序提供的对于文件系统访问的统一接口，例如open、read、write等操作。所述的建模是指对事物进行理解而做出的一种抽象，对系统的建模是无歧义的描述其规约。所述的自动化测试是指自动执行测试流程：生成测试输入-执行测试输入-检测执行结果。

结合图1，本发明提及一种基于层次化模型的文件系统测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

S1，对文件系统进行层次化建模，在每一层模型上设计抽象文件系统调用原语。

S2，利用步骤S1获取的层次化模型，生成文件系统调用序列，作为文件系统的测试输入。

S3，将步骤S2中的调用序列具体化，将其与运行时环境编译链接成可执行文件作为文件系统的测试用例。

S4，利用QEMU虚拟机运行操作系统内核及文件系统并自动化加载运行步骤S3中的测试用例。

S5，自动化分析运行结果，验证测试是否触发文件系统缺陷；对于触发缺陷的测试用例，自动化约减测试用例。

如图2所示，本发明实施提供的基于层次化模型的文件系统测试方法，首先通过层次化的方法构建了一个抽象的文件系统，利用这个抽象模型系统地产生了文件系统调用序列，即文件系统测试输入；其次，将系统调用编译、链接成可执行程序；最后，自动化测试后端将运行该程序，并自动化检测执行结果、约减能够触发文件系统缺陷的调用序列。整个方法框架包含三个模块涵盖了五个步骤：层次化构建文件系统抽象模型，生成文件系统调用序列，编译调用序列，执行调用序列并判断执行结果，自动化约减调用序列。

步骤一：层次化构建文件系统抽象模型。

将文件系统进行层次化建模，最上层的模型保留最基础的文件系统语义，后续的下层模型特制化地针对文件系统不同特性，并且每一层都设计抽象文件系统调用，这些调用既能触发文件系统的特性，又能最大限度地保留其上层文件系统模型的语义。

进一步的，所述步骤一中，将文件系统进行抽象建模，模型的每一部分都针对文件系统的不同特性，从而具有层次化模型结构。其中，最上层的模型针对最基础的文件系统语义，后续的下层模型特制化地针对文件系统不同特性。更具体地，最上层的模型刻画了文件系统的文件组织结构，即这一层的模型包含了文件系统是如何维护树状的文件目录结构；中间层模型是扩展层，其目的在于基本的文件目录结构上做额外的文件操作；最下层模型是文件系统调用的文法层，用于将抽象的文件系统调用实例化。优选的，在所构建的层次化文件系统的模型上，对每一层的模型都设计特制化的抽象文件系统调用，这些调用符合该层模型的语义，在执行时能触发文件系统的特性，又能最大限度地保留其上层文件系统模型的语义。按照此设计指导，最上层的模型中含有目录、文件的创建、删除、重命名等；中间层的模型包括文件的读写、大批量增删改目录、文件等；最下层的模型是实际操作系统提供的文件系统调用，用于将上两层的抽象调用翻译成实际可执行的调用。更加优选的，所述步骤一中，位于最上层和中间层的抽象文件系统调用具有如下一般语法：syscall(object-1,object-2)；其代表了抽象文件系统调用操作和作用的参数对象，具体的抽象调用如图3所示。

参见图3，抽象文件系统模型共有三层，分别是核心层、核心扩展层和文法层。其中，核心层的模型刻画了文件系统的文件组织结构，即这一层的模型包含了文件系统是如何维护树状的文件目录结构；中间层模型是核心扩展层，其目的在于基本的文件目录结构上做额外的文件操作；文法层描述了文件系统调用的具体语法，所有的文件系统调用最后都将被填充参数进行实例化。

如图4所示，在文件系统调用的文法中，有10个文件系统调用是处于核心层中，用于操作文件系统的组织结构；有11个文件系统调用是位于核心扩展层。不同的文件系统调用含有不同的操作对象参数，额外参数等，都在文法中进行了详细描述。

步骤二：生成文件系统调用序列。

利用步骤一获取的文件系统模型，对于待测试的文件系统进行输入生成，从最高层模型出发，产生抽象文件系统调用序列，然后依次沿着模型层次将抽象序列进行扩展，最后实例化成实际文件系统输入。

进一步的，所述步骤二中，在最上层的模型中产生抽象文件系统调用序列时，由于其模型的简单，采用了模型检验的方式进行产生；即对于给定长度，枚举所有可行的文件系用序列。其生成过程如下：从只包含根目录的抽象文件系统状态出发；选择一个候选文件系统状态，在该状态下，枚举所有可行的抽象文件系统调用从而添加产生新的调用序列，每一个新生成的序列都能到达一个新的温江系统状态，将其加入候选文件系统状态集合；迭代直到给定长度的序列生成。为更有效生成序列，在选择候选文件系统状态时，以该状态对应的已生成的调用序列长度为优先；在枚举可行的调用时，用聚类的方式选择代表性的k个对象，从而缩小生成空间。

如图3所示，文件系统调用序列的生成过程，首先在核心层和核心扩展成生成抽象文件系统调用序列，然后在此基础上填充必须的参数，符合文法层的规约。

如图5所示，在系统地生成文件系统调用的过程中，有一个候选集合维护了所有的抽象文件系统模型的状态及其已生成的文件系统调用序列；不断选取一个状态和已生成序列，若序列长度足够，那么将其填充必要参数，使其符合文法要求，作为输出，否则在这个序列的基础上添加一个新的调用。在选定的状态下枚举所有可行的调用，针对每个调用都在当前的文件系统状态下选择k哥可行的文件对象作为将要生成调用的操作对象；将这生成的不同的k个新状态和新序列都加入候选集合，接着生成。

步骤三：编译调用序列。基于步骤二获取的文件系统调用序列，将其与运行时环境编译链接成可执行文件作为文件系统测试输入，即将步骤二中生成的序列编译生成可执行文件即可。

步骤四：执行调用序列并判断执行结果。具体的，给予步骤三所得到的可执行的测试输入，通过QEMU虚拟机启动操作系统内核，加载带测试文件系统，并将可执行的文件系统调用序列传输进入虚拟机运行，收集运行结果。

如图1所示，控制器将启动QEMU虚拟机加载操作系统内核，并将可执行的文件系统调用序列传输进入虚拟机运行，收集运行结果。对于收集到的运行结果进行分析，判断其是否触发文件系统调用的缺陷。测试结果的判别在于文件系统是否在调用序列的运行过程中触发了“空指针解引用”、“资源释放后使用”、“断言失败”等。

步骤五：自动化约减调用序列。

对于步骤四中得到的测试输入执行日志进行自动化分析，若检测到测试输入触发文件系统的缺陷，自动化约减测试输入，得到精简的文件系统调用序列触发文件系统缺陷。

所述步骤五中，对于收集到的运行结果进行分析，判断其是否触发文件系统调用的缺陷。测试结果的判别在于文件系统是否在调用序列的运行过程中触发了“空指针解引用”、“资源释放后使用”、“断言失败”等。若结果分析表明运行过程触发文件系统缺陷，则自动化地约减步骤三种产生的系统调用序列，使得该序列能够触发相同缺陷的同时尽可能地短。

如图5所示，自动化约减序列的过程分为两部分，一是“二分”约减，对于能够触发缺陷的序列不断删减其后半部分序列，直至最短；二是“单个调用”约减，依次删除系统调用，若删除后无法触发缺陷，则保留该调用，否则将其删除。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

S1，对文件系统进行层次化建模，在每一层模型上设计抽象文件系统调用原语；

S2，利用步骤S1获取的层次化模型，生成文件系统调用序列，作为文件系统的测试输入；

S3，将步骤S2中的调用序列具体化，将其与运行时环境编译链接成可执行文件作为文件系统的测试用例；

S4，利用QEMU虚拟机运行操作系统内核及文件系统并自动化加载运行步骤S3中的测试用例；

S5，自动化分析运行结果，验证测试是否触发文件系统缺陷；对于触发缺陷的测试用例，自动化约减测试用例；

步骤S1中，所述文件系统的层次化模型包括最上层模型、中间层模型和最下层模型；

其中，最上层模型用于刻画文件系统的文件组织结构，包含有文件系统用于维护树状结构的文件目录结构；中间层模型是核心扩展层，用于在文件目录结构上做额外的文件操作；最下层模型是文件系统调用的文法层，用于将抽象的文件系统调用实例化；

步骤S1中，所述在每一层模型上设计抽象文件系统调用原语是指：

所述最上层模型对应的调用原语包括目录、文件的创建、删除、重命名；

所述中间层模型对应的调用原语包括文件的读写、大批量增删改目录、文件；

所述最下层模型是实际操作系统提供的文件系统调用，用于将上两层的抽象调用翻译成实际可执行的调用。

2.根据权利要求1所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述对文件系统进行层次化建模是指：

将文件系统进行抽象建模，模型的每一部分均针对文件系统的不同特性，并构成层次化模型结构；其中，最上层的模型针对最基础的文件系统语义，后续的下层模型特制化地针对文件系统不同特性。

3.根据权利要求1所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，所述最上层模型和中间层模型的调用原语具有如下语法：syscall(object-1,object-2)，其代表了抽象文件系统调用操作和作用的参数对象。

4.根据权利要求1所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，步骤S2中，所述利用步骤S1获取的层次化模型，生成文件系统调用序列，作为文件系统的测试输入包括以下步骤：

从最高层的模型出发，生成抽象文件系统调用序列，然后依次沿着模型层次将抽象序列进行扩展。

5.根据权利要求4所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，所述从最高层的模型出发，生成抽象文件系统调用序列的过程包括以下步骤：

采用模型检验的方式生成最上层的模型对应的抽象文件系统调用序列，对于给定长度，枚举所有可行的文件系用序列：

从只包含根目录的抽象文件系统状态出发，选择一个候选文件系统状态，在该状态下，枚举所有可行的抽象文件系统调用以添加产生新的调用序列，每一个新生成的序列都能到达一个新的温江系统状态，将其加入候选文件系统状态集合；迭代直到给定长度的序列生成。

6.根据权利要求5所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，在选择候选文件系统状态时，以该状态对应的已生成的调用序列长度为优先；在枚举可行的调用时，用聚类的方式选择代表性的k个对象以缩小生成空间，所述k为大于等于1的正整数。

7.根据权利要求1所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，步骤S5中，触发的缺陷类型包括：空指针解引用、资源释放后使用和断言失败。

8.根据权利要求1或者7所述的基于层次化模型的文件系统测试方法，其特征在于，步骤S5中，所述对于触发缺陷的测试用例，自动化约减测试用例的过程包括：

S51，对于能够触发缺陷的序列不断删减其后半部分序列，直至该序列缩减至最短；

S52，依次删除缩短后的系统调用，若删除后无法触发缺陷，则保留该调用，否则将其删除。

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