基于复杂网络理论的Linux内核动态行为研究

发布时间：2017-05-11 13:12

  本文关键词：基于复杂网络理论的Linux内核动态行为研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：复杂网络 系统调用 POSIX标准 内核动态行为 可信评价
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP316.81;O157.5
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究现状10-11
• 1.2.1 网络构建方法研究现状10-11
• 1.2.2 网络关键节点研究现状11
• 1.3 研究内容和意义11-12
• 1.3.1 研究内容11-12
• 1.3.2 研究意义12
• 1.4 论文内容及结构12-14
• 第二章 内核追踪模型设计和复杂网络分析概述14-26
• 2.1 Linux内核动态数据追踪基本思想14-15
• 2.1.1 Linux系统构架及系统调用14-15
• 2.1.2 数据追踪模型整体思想概述15
• 2.2 设计所用工具和资源15-18
• 2.2.1 开源POSIX测试集15-16
• 2.2.2 Ftrace16-18
• 2.2.3 数据库选取18
• 2.3 内核调用追踪设计与实现18-22
• 2.3.1 执行树追踪18-21
• 2.3.2 数据库设计21-22
• 2.4 复杂网络基本概念综述22-25
• 2.4.1 平均距离23
• 2.4.2 聚类系数23-24
• 2.4.3 度的相关概念24-25
• 2.4.4 介数中心度25
• 2.4.5 节点接近度25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 内核动态执行网络的构建和分析26-47
• 3.1 网络构建环境及工具介绍26-27
• 3.1.1 网络构建环境26-27
• 3.1.2 Pajek网络分析工具27
• 3.2 基于POSIX测试集的内核动态网络定义及构建27-35
• 3.2.1 网络属性定义和描述27-28
• 3.2.2 单次系统调用执行网络构建28-31
• 3.2.3 单个系统调用的加权有向网络构建31-32
• 3.2.4 数据过滤与内核执行网络构建32-35
• 3.3 网络度量及分析35-46
• 3.3.1 内核动态执行网络表观特征35-37
• 3.3.2 孤立节点与连通性37-39
• 3.3.3 网络密度和网络直径39
• 3.3.4 平均聚类系数39-41
• 3.3.5 节点度及度分布41-43
• 3.3.6 模块化43-44
• 3.3.7 关键节点行为角色分析44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 基于Linux内核功能模块的关键执行网络分析47-55
• 4.1 进程控制子网络分析47-48
• 4.2 IPC子网络分析48-51
• 4.3 内存管理子网络分析51-52
• 4.4 程序执行子网络分析52-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 本文工作总结55
• 5.2 后续工作计划55-57
• 参考文献57-60
• 研究生期间成果60-61
• 致谢61

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本文编号：357325