基于表驅(qū)動的純軟件簽名錯誤檢測算法

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(1.國家電網(wǎng)浙江省電力公司信息通信分公司,杭州 310007; 2.華東師范大學 計算機科學與軟件工程學院,上海 200062)

0 概述

隨著技術(shù)的發(fā)展,微處理器性能的改善將越來越依賴于體積更小、速度更快的晶體管,不同于制造與設(shè)計性錯誤等頻繁產(chǎn)生的錯誤,臨時性錯誤(也常被稱作軟錯誤),常常會導致不可預測的行為。最典型的軟錯誤是單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset,SEU),該錯誤指的是發(fā)生在順序邏輯以及單粒子瞬變(Single Event Transient,SET)中的位翻轉(zhuǎn),容忍這些錯誤的首要步驟就是檢測出這些錯誤,目前已有相當多的錯誤檢測技術(shù)。

錯誤檢測可以通過純硬件方式、軟硬件結(jié)合方式以及純軟件方式得以實現(xiàn)。一種常用的純硬件檢錯方式運用了MOTOROLA M68040微處理器[1],該處理器通過監(jiān)測外部總線和主處理器的行為,實現(xiàn)并發(fā)的系統(tǒng)級錯誤檢測,但卻導致了時間和面積開銷的增大,并且隨著具有內(nèi)部高速緩存和現(xiàn)代流水線技術(shù)的微處理器的廣泛應(yīng)用,這種純硬件檢錯方式已經(jīng)顯得不必要了。當前用于錯誤檢測的軟硬件混合型的檢錯方式也有很多,例如Argus[2]和CRAFT[3]。Argus基于馮諾依曼型處理器核,可檢測出核中除輸入輸出、異常、中斷部分的其他錯誤。然而,包括通過純軟件簽名的控制流檢測(CFDSS)[4-5]、通過斷言的控制流檢測(ACFC)[6]、運用斷言的增強型控制流檢測(ECCA)[7]、通過冗余指令[8]的錯誤檢測(EDDI)[9-11]等在內(nèi)的純軟件處理方法,比上述這2種概念運用得更加廣泛,因為這些純軟件檢錯方式不要求特定的硬件設(shè)備提供支持。ACFC在執(zhí)行過程中賦予每一個基本塊一個奇偶校驗位,可檢測出奇偶性錯誤;EDDI采用復制指令,并通過插入合適的檢測指令進行驗證,但這種方法易導致代碼容量增加近100%以及性能方面的損失[12-13]。本文在研究CFDSS算法的基礎(chǔ)上,提出一種基于表驅(qū)動[14-15]的控制流錯誤檢測算法,使用一張二維表和簽名來監(jiān)測目標程序的控制流。

1 相關(guān)研究工作

文獻[4,7]中關(guān)于軟件簽名和斷言算法,提出的最重要的解決辦法就是CFDSS技術(shù)和ECCA技術(shù)。這2種技術(shù)能實現(xiàn)很高的錯誤檢測覆蓋率,但也存在一些不足,以下進行簡要的介紹和分析。

CFDSS是一項純軟件錯誤檢測技術(shù),該技術(shù)中涉及的每一個基本塊都被賦予一個特殊的簽名。一個全局變量(記為G)包含動態(tài)簽名,被初始化為程序中第一個基本塊的簽名。如果程序執(zhí)行過程中沒有出現(xiàn)控制流錯誤,G應(yīng)等于當前程序執(zhí)行基本塊中存儲的簽名。

兩個基本塊間的跳轉(zhuǎn)發(fā)生之后,結(jié)合前驅(qū)節(jié)點和后繼節(jié)點(當前節(jié)點)的簽名,G通過異或運算進行更新。如果控制流來源于多個塊,則每一個源塊被賦予一個調(diào)整的簽名,這些簽名將被用于目標塊中動態(tài)簽名的計算。

ECCA賦予每一個基本塊2個標示符:

1)塊標示符(Block Identifier,BID):用不同的素數(shù)值表征每一個基本塊。

2)控制流標示符(Control Flow Indicator,CFID):通過存儲與下個基本塊的BID的乘積值來表示控制流。

CFID被存儲在初始化值為第一個基本塊的CFID的二元隊列中。當控制流進入一個基本塊時,該基本塊的CFID就被壓入隊列,在該基本塊的出口處被彈出隊列,并且將CFID與該基本塊的BID相除。因為每個BID均由素數(shù)組成,CFID與BID相除后總是返回一個零值,除非程序執(zhí)行了一個錯誤的控制流跳轉(zhuǎn)。當存儲CFID的隊列出現(xiàn)上溢或下溢時,錯誤也將會被檢測出。

因為CFDSS是一項純軟件檢測方式,所以不需要額外的硬件支持。然而,同樣的簽名必須被賦予多個節(jié)點,即共享扇入節(jié)點的情況同樣會發(fā)生。如果多個基本塊共享同樣的基本塊目標地址,CFDSS就無法檢測出其中發(fā)生的跳轉(zhuǎn)錯誤,這是該項技術(shù)的不足之處。

ECCA在算法中采用取余和除法運算,增加了算法本身的開銷。另外ECCA通過除法中分母為0引起異常來檢測控制流錯誤,與系統(tǒng)錯誤混淆,同時異常開銷也非常大。

基于上述2種算法的優(yōu)缺點,提出EDSS算法的關(guān)鍵在于使用了一個被稱為CFID表的二維表存儲基本塊和控制流的全部信息。本文在文獻[14]研究的基礎(chǔ)上,進一步優(yōu)化了算法,能更好地運用CFID表檢測出控制流圖中非法跳轉(zhuǎn)錯誤。

2 控制流錯誤檢測技術(shù)

2.1 控制流圖

本文提出的控制流錯誤檢測方法采用了基本塊的概念。基本塊指的是一串連續(xù)的指令,程序從基本塊中的第一條指令開始執(zhí)行,在執(zhí)行完最后一條指令后離開基本塊。除了基本塊中的最后一條指令不做要求外,基本塊中的其余指令均不允許為分支指令、跳轉(zhuǎn)指令或者調(diào)用指令。

控制流圖由節(jié)點集合V={v1,v2,…,vi,…,vn}和路徑集合E={e1,e2,…,ei,…,em}組成,使用控制流圖,能準確描述程序P的控制流,即程序P可表示為P={V,E}。一個節(jié)點vi表示一個基本塊,其中i為正整數(shù),表示基本塊在程序中的位置。一條路徑表示從vi到vj的分支bri,j。路徑bri,j不一定總代表分支指令,也可表示跳轉(zhuǎn)、子程序和返回指令等。

suc(vi)定義為后繼節(jié)點的集合,pred(vi)定義為前驅(qū)節(jié)點的集合。這表示如果vj屬于集合suc(vi),則bri,j就一定包含在E中,如果vj是pred(vi)中的一個元素,則brj,i就包含在E中。如果bri,j未被包含在E中,則該跳轉(zhuǎn)指令就是非法的,即當一個非法指令分支被執(zhí)行時,控制流錯誤就會發(fā)生。若pred(vi)中的元素個數(shù)大于2,則vi就是一個分支扇入節(jié)點。在本文中后繼節(jié)點即為當前節(jié)點。

2.2 控制流圖及其CFID表

簽名監(jiān)測技術(shù)在編譯時將簽名賦給控制流圖中一個或多個節(jié)點構(gòu)成的目標基本塊,并在動態(tài)執(zhí)行時生成同樣的簽名,再與靜態(tài)存儲的簽名進行比較。CFDSS通過異或操作并運用已賦值的簽名對程序控制流進行檢測。就像在CFDSS中提及的,如果多個節(jié)點共享多個分支扇入節(jié)點作為目標節(jié)點,非法與合法的分支間將會發(fā)生混淆,從而導致不可檢測的控制流錯誤的產(chǎn)生。

本文結(jié)合有限狀態(tài)自動機(Finite State Machine,FSM)理論和控制流圖的基本原理,提出基于編譯時生成的控制流圖(對應(yīng)于CFID表)及應(yīng)用軟件簽名的錯誤檢測技術(shù)(Error Detection of Software Signature,EDSS),這與先前在CFDSS中使用的方法完全不同。運用EDSS的技術(shù),多于2個分支扇入節(jié)點中產(chǎn)生的非法指令分支錯誤也將被檢測出。EDSS的檢測技術(shù)的另一大優(yōu)勢在于它的簡潔性,在本文的檢測指令中,無需按位異或操作指令來計算動態(tài)簽名,而僅需要在每個基本塊上進行比較操作。

以圖1中的樣例路徑所示,每一個圓圈為一個節(jié)點,代表一個基本塊,且基本塊被賦予一系列遞增的正整數(shù)值作為標志符,即v1,v2,…,接著編譯時,軟件簽名SSi被賦給對應(yīng)節(jié)點vi。為使算法的賦值規(guī)則便于運用在實現(xiàn)和檢測中,SSi就等于相應(yīng)的節(jié)點vi的標志符值,即如圖1所示,SS1=0001,SS2=0002…將在之后部分進一步說明這個規(guī)則為查找二維表帶來的極大便利。

圖1 控制流圖及其節(jié)點簽名

簽名在編譯時被賦給各基本塊。同樣地,在程序控制流圖的基礎(chǔ)上用于存儲簽名的二維表也是在編譯時建立的。EDSS技術(shù)的核心特點之一就是這張本文稱為CFID表的二維表的建立。這張CFID表本質(zhì)上就是一個二維數(shù)組,對應(yīng)i行j列位置上的數(shù)值即為CFID[i,j],這代表控制流中的位置標識和跳轉(zhuǎn)路徑。行數(shù)值i表示前驅(qū)節(jié)點的標識號,列數(shù)值j表示當前節(jié)點的標識號。以二維表中的一個元素CFID[i,j]為例,它表示從節(jié)點vi到節(jié)點vj的一條分支。如果bri,j是一條允許的分支,即SSj被存儲在CFID[i,j]中,且SSj不等于0。否則,如果0被存儲在CFID[i,j]中相應(yīng)位置上,就表示bri,j不是一條合法的指令。當程序首次執(zhí)行時,值為0的元素CFID[0,0]被讀入,CFID表由此從主存被載入到高速緩存器cache中以提高查表速度。

圖2就是與圖1中表示的控制流圖相對應(yīng)的CFID表。該CFID表中的空格默認為已填入了0值。同時由于br1,3、br2,4、br2,5…均為合法的分支,后繼節(jié)點的簽名SS3、SS4、SS5…就相應(yīng)地按照前述規(guī)則被分別存入CFID[1,3]、CFID[2,4]、CFID[2,5]…中。

圖2 存儲簽名的CFID表

2.3 控制流檢測機制

本節(jié)將基于3種可能情況運用3個具有代表性的例子闡釋提出的軟件簽名檢測技術(shù)EDSS的具體功能:合法的分支,不合法的分支以及帶有2個共享分支扇入節(jié)點的非法分支等的錯誤檢測機制。

圖3是對不帶共享扇入節(jié)點的允許執(zhí)行分支的檢測,圖中所有基本塊都已被標識且編號。如圖3左邊所示,每一個基本塊都被賦予了不同的且與它們自身位置標識相等的數(shù)值。圖3右邊表明了檢測指令是如何進行錯誤檢測的。當程序執(zhí)行到v3時,在接著執(zhí)行v3中的指令之前,先執(zhí)行SS3與CFID[Reg,SS3]的比較。Reg是一個用于存儲動態(tài)簽名的全局變量,該全局變量被儲存在分配好的寄存器中。如果SS3與CFID[Reg,SS3]的相等關(guān)系成立,即若brReg,3是一條合法的分支,則Reg將被更新為SS3,且該基本塊中的原指令將被繼續(xù)執(zhí)行,直到程序執(zhí)行到下一基本塊v6。接下去SS6與CFID[Reg,SS6]的比較同上個基本塊一樣被執(zhí)行。如果brReg,6是一條非法的分支,則CFID[Reg,SS6]對應(yīng)的值一定為0而不是SS6,錯誤語句被執(zhí)行,從而控制流錯誤被檢測出。

圖3 合法指令跳轉(zhuǎn)的檢測

圖4表示一條非法跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行以及該錯誤是如何被檢測出的。這種情況下的控制流錯誤可分為2種情況:一種指向if條件語句的非法跳轉(zhuǎn);另一種指向下一基本塊中間位置的非法跳轉(zhuǎn)。在非法跳轉(zhuǎn)br1,4被執(zhí)行前,Reg有原值SS1。前一種情況下,當程序執(zhí)行到v4的if 語句時,CFID[Reg,SS4]從存儲在緩存器cache中的二維CFID表中讀出,并且由于br1,4是不被允許的,CFID[Reg,SS4]對應(yīng)的值為0。因此,這種不匹配導致接下去的error指令將控制流轉(zhuǎn)移到出錯處理程序中。

圖4 非法指令跳轉(zhuǎn)的檢測

而在后一種情況下,跳轉(zhuǎn)到基本塊中間部分的非法跳轉(zhuǎn)在EDSS的支持下也可被檢測出來。但是由于分支跳過了v4的檢測指令,檢測產(chǎn)生延遲。從v1到v4的非法跳轉(zhuǎn)產(chǎn)生,程序控制轉(zhuǎn)移到v4中的一條指令。Reg保持v1中的簽名不變,直到程序在執(zhí)行了v4中的指令后運行到v7。顯然,這種情況下CFID[Reg,v7]的對應(yīng)值為0,這與SS7不同,所以,條件分支指令“ifSS7≠CFID[Reg,SS7] error elseReg=SS7”應(yīng)跳轉(zhuǎn)到出錯處理程序。

圖5顯示了多個節(jié)點共享多個分支扇入節(jié)點作為目標節(jié)點的情況。在CFDSS技術(shù)下易發(fā)生指令跳轉(zhuǎn)混淆的問題,但EDSS技術(shù)為該相對復雜的問題提供了簡單的解決辦法,避免了混淆問題的出現(xiàn)。在圖5中,v7為一個有3個前驅(qū)節(jié)點v3、v4、v5(pred(v7)={v3,v4,v5})的分支扇入節(jié)點。根據(jù)上文討論的算法,SS7被分別填入CFID[3,7]、CFID[4,7]和CFID[5,7]中。節(jié)點v8也是一個分支扇入節(jié)點,但只有2個前驅(qū)節(jié)點v4、v5,不包括v3,即pred(v8)={v4,v5}。因此,CFID[4,8]和CFID[5,8]中均存儲著SS8,而CFID[3,8]中存儲著0值。程序允許的跳轉(zhuǎn)指令br4,7、br5,8以圖3中顯示的相同方式被檢測和執(zhí)行。假設(shè)一條非法跳轉(zhuǎn)br3,8出現(xiàn),并執(zhí)行到v8的檢測指令位置,在該位置進行CFID[Reg,8]與SS8的比較。Reg在該非法跳轉(zhuǎn)執(zhí)行前的值為SS3,且CFID[3,8]在二維CFID表中的對應(yīng)值為0,因此該控制流錯誤就被檢測出來了。

圖5 2個共享分支扇入節(jié)點的非法指令跳轉(zhuǎn)的檢測

如果非法的指令分支指向目標基本塊中除if-else檢測指令之外的其他位置,其中產(chǎn)生的控制流錯誤一樣可通過未在v8中進行更新的全局變量Reg被檢測出。由此得出只要各個節(jié)點被賦予了簽名,建立了基于EDSS算法的二維CFID表,EDSS的技術(shù)就可避免CFDSS中新產(chǎn)生的無法檢測出的非法指令跳轉(zhuǎn)錯誤。

為了獲得對本文所做的為改善軟件簽名監(jiān)測技術(shù)的整體工作的理解,將在下一部分總結(jié)表述EDSS算法。

2.4 EDSS算法

類似CFDSS的算法設(shè)計,EDSS的算法相比之下更加簡潔和高效。節(jié)點中沒有嵌入指令來計算動態(tài)運行時的簽名,同樣,也沒有多余的指令在運行過程中調(diào)整簽名。當一個程序進行編譯時,EDSS算法給程序控制流圖中的每一個節(jié)點賦予了一個簽名,N等于程序中的節(jié)點總數(shù)。

EDSS算法設(shè)計步驟如下:

步驟1確定所有基本塊,建立程序的控制流圖,為每一個節(jié)點編號,即基本塊標識號,在控制流圖中以自然數(shù)開始,即vi,i=1,2,…,N。

步驟2對每一個節(jié)點vi都賦予一個簽名SSi,如果i≠j,則SSi≠SSj,其中i,j=1,2,…,N。每一個簽名SSi都與相應(yīng)的基本塊的標識號相等。

步驟3對每一個vi,j=1,2,…,執(zhí)行:

1)對每一個分支bri,j,它的前驅(qū)節(jié)點為vi,后繼節(jié)點為vj。這些分支由一個二維表表示,該二維表稱為CFID[i,j]。在該表中,行i表示前驅(qū)節(jié)點,列j表示后繼節(jié)點。

2)如果分支bri,j在控制流圖中,SSj填入CFID[i,j]對應(yīng)的位置。否則CFID[i,j]位置應(yīng)填入0值。

3)Reg寄存器中存儲的全局變量在基本塊每一次執(zhí)行其檢測指令時都更新一次,以跟蹤程序執(zhí)行過程中簽名的變化。

4)在基本塊的初始位置插入指令“ifSSi≠CFID[Reg,SSi] error elseReg=SSi”。

3 仿真實驗結(jié)果

考慮到本文提出的EDSS算法是一項增強型的簽名監(jiān)測技術(shù),但采用了與CFDSS相比完全不同的錯誤檢測方式,因此,對EDSS及CFDSS中錯誤檢測的覆蓋率、開銷代價等進行縝密的分析是不可或缺的。相應(yīng)地,這一部分就集中于對仿真實驗結(jié)果的評估分析。在導入實驗之前主要將射入的錯誤分為2類:一類為不帶共享分支扇入節(jié)點程序中生成的錯誤;另一類為在包含2個或更多共享扇入節(jié)點程序中產(chǎn)生的錯誤。對應(yīng)不同的程序,執(zhí)行過程中本文的目的在于比較這2種技術(shù)的行為與錯誤檢測能力。

為了評估本文提出的基于表驅(qū)動的控制流檢測技術(shù)EDSS的可行性和有效性,用C程序分別實現(xiàn)了EDSS算法和CFDSS算法,并分別實施了一系列錯誤射入實驗,測試了這2種技術(shù)的錯誤覆蓋率和開銷代價。相比之下,實驗結(jié)果證實這2項技術(shù)中的錯誤檢測能力在被用于檢測帶有第1類錯誤的程序時是相類似的,但當程序中射入第2類錯誤時,EDSS技術(shù)就擁有了絕對優(yōu)勢。

聚焦于不帶共享扇入節(jié)點的程序中出現(xiàn)的第1類錯誤,為比較EDSS和CFDSS,實驗中選擇了4個基準測試程序:1)LZW(壓縮程序);2)FFT(快速傅里葉變換程序);3)矩陣乘法運算程序;4)快速排序。其中,LZW和FFT是相對較大的基準測試程序。EDSS和CFDSS這2個算法都是用C語言實現(xiàn)的,通過比較應(yīng)用EDSS技術(shù)寫出的程序以及參照應(yīng)用CFDSS寫出的程序的檢錯覆蓋率,結(jié)果記錄在表1中。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,EDSS在FFT和快速排序上的檢錯覆蓋率比CFDSS高出約1.5%,在LZW和矩陣乘法上與CFDSS幾乎具有相同的檢錯覆蓋率。由此可知,EDSS具備比CFDSS更好的錯誤檢測能力,滿足錯誤檢測的要求。

表1 CFDSS和EDSS的檢錯覆蓋率 %

需要注意的是無法應(yīng)用上述基準測試程序檢測出EDSS和CFDSS在帶有2個或多個共享分支扇入節(jié)點的程序中的表現(xiàn),因為有2個或多個共享分支扇入節(jié)點的構(gòu)造產(chǎn)生的可能性很小,在這些基準測試程序中均很難找到。因此,表1的數(shù)據(jù)并不能全面評價EDSS的檢錯覆蓋率。

鑒于上述原因,本文決定根據(jù)圖5所示的控制流圖構(gòu)造測試的程序。對有多扇入節(jié)點程序的檢錯能力的評估如表2所示,實驗中獲得的數(shù)據(jù)極好地證實了EDSS的錯誤檢測能力,在具有1個共享分支扇入節(jié)點和2個嵌套的共享分支扇入節(jié)點,以及1個共享分支扇入節(jié)點的循環(huán)測試程序中,EDSS算法的檢錯率比CFDSS算法平均高出約1.9個百分點,原因是有些分支跳轉(zhuǎn)錯誤只能通過EDSS技術(shù)檢測出而無法通過CFDSS技術(shù)檢測出,而這恰好與在前述討論過的算法中提出的分析相符合。

表2 多扇入節(jié)點問題中的檢錯率 %

在算法增加的代碼空間開銷方面,EDSS算法略優(yōu)于CFDSS算法。EDSS算法在對簽名的計算方面不要求在程序中插入計算動態(tài)簽名的指令,這就相應(yīng)地減少了插入指令的數(shù)目。在這方面,CFDSS技術(shù)給每個基本塊設(shè)置了3條指令,而EDSS技術(shù)給每個基本塊僅設(shè)置2條指令。但EDSS算法需要在內(nèi)存中存儲CFID表,這需要一定的代碼空間開銷。

除代碼空間開銷以外,其他影響系統(tǒng)開銷的關(guān)鍵性因素也是值得關(guān)注的。系統(tǒng)開銷是通過檢測技術(shù)中額外指令的使用數(shù)量計算得到的,因此這是一個與編譯時插入的多余指令相關(guān)的問題。由于EDSS算法較CFDSS算法所需要插入的指令數(shù)量更少,對于性能代價,EDSS與CFDSS相比具有相對更高的性能優(yōu)勢。同時也考慮到,在EDSS算法中,錯誤檢測指令需要從CFID表中讀取后繼節(jié)點的簽名,這將直接影響指令的執(zhí)行效率。對于這個問題的解決辦法為,在程序初始化時,在初始化用于存儲動態(tài)簽名的全局變量Reg的同時,通過將CFID[0,0]賦值給Reg,達到使CFID表裝載到高速緩存cache中,實現(xiàn)表1中數(shù)據(jù)的高速讀取。因此,EDSS算法檢測指令的減少有助于提高程序執(zhí)行的速度,并有助于改善EDSS技術(shù)的性能指標。

因此,實驗結(jié)果表明,從錯誤檢測覆蓋率、代碼空間開銷以及對程序性能影響等方面,EDSS算法是一種具有優(yōu)勢的純軟件簽名錯誤檢測技術(shù),對比于已有的CFDSS錯誤檢測技術(shù),在不增加代碼空間開銷和對程序性能影響更小的前提下,解決了CFDSS算法不能檢測的2個或多個共享扇入節(jié)點非法跳轉(zhuǎn)的問題,提高了控制流錯誤檢測的覆蓋率。

4 結(jié)束語

在純軟件簽名的控制流檢測技術(shù)(CFDSS)的基礎(chǔ)上,基于有限狀態(tài)自動機原理,本文提出了基于表驅(qū)動的純軟件簽名錯誤檢測算法(EDSS)。編譯時,控制流圖中的信息,包括各節(jié)點之間的關(guān)系,都是通過構(gòu)建一張二維CFID表表達的。表中存儲著控制流圖合法路徑中目標節(jié)點的簽名。當出現(xiàn)非法跳轉(zhuǎn)時,通過檢測賦予變量Reg的簽名和表中存儲的目標節(jié)點的簽名,控制流錯誤能被可靠地檢測出。根據(jù)這種方法,共享多于2個扇入節(jié)點導致的非法指令跳轉(zhuǎn)錯誤也可由本文提出的算法得以檢測。實驗結(jié)果顯示,EDSS算法平均錯誤檢測覆蓋率為98.1%,比CFDSS算法高出1.3%,在共享分支扇入節(jié)點的測試程序中,EDSS算法的檢錯率比CFDSS算法平均高出約1.9個百分點,并且EDSS技術(shù)在每個基本塊中為錯誤檢測插入的指令數(shù)相對更少。

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