面向應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)的負(fù)載均衡算法研究

黃高攀 何金陵 莊嶺 張利

摘要：隨著移動(dòng)應(yīng)用數(shù)量劇增，移動(dòng)應(yīng)用安全檢測(cè)的需求日益增大，面向海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)平臺(tái)的效率顯得愈發(fā)重要。然而現(xiàn)有的負(fù)載均衡算法在負(fù)載因子的度量上存在局限性和效率問(wèn)題。分析了已有調(diào)度算法中負(fù)載因子度量的不足，結(jié)合現(xiàn)有的移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)方法的特性，引入了移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模作為負(fù)載因子。根據(jù)該算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該算法有效避免了海量任務(wù)下檢測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡的問(wèn)題，加快了移動(dòng)應(yīng)用的檢測(cè)效率，提高了海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)平臺(tái)的吞吐量，取得良好效果。

關(guān)鍵詞：載均衡;海量移動(dòng)應(yīng)用;軟件規(guī)模;靜態(tài)檢測(cè);文件特征

中圖分類號(hào)：TP311.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著移動(dòng)智能終端的快速普及和功能的日趨強(qiáng)大，移動(dòng)應(yīng)用數(shù)量正以前所未有的速度呈爆炸性增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)Android第三方應(yīng)用商店有幾百家，市場(chǎng)上可供下載的應(yīng)用數(shù)量不計(jì)其數(shù)。這些移動(dòng)應(yīng)用在給用戶的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也引發(fā)了一些安全問(wèn)題。360互聯(lián)網(wǎng)安全中心發(fā)布的《2017年中國(guó)手機(jī)安全狀況報(bào)告》指出[1]，2016全年，360互聯(lián)網(wǎng)安全中心累計(jì)截獲Android平臺(tái)惡意程序樣本1403.3萬(wàn)個(gè)，Android用戶感染惡意程序2.53億，平均每天新增3.8萬(wàn)惡意程序樣本。因此，面向海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)平臺(tái)的效率顯得愈發(fā)重要。 對(duì)分布式調(diào)度任務(wù)而言，如海量日志分析，可對(duì)文件進(jìn)行簡(jiǎn)單的切分，再進(jìn)行均衡調(diào)度分析[2]。但是對(duì)于Android應(yīng)用而言，內(nèi)部文件間相互關(guān)聯(lián)，無(wú)法將應(yīng)用切分為更小文件孤立分析，從而導(dǎo)致單個(gè)應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間跨度很大[3]。因此，為了檢測(cè)任務(wù)調(diào)度的均衡性，現(xiàn)有海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)平臺(tái)添加了移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)量作為負(fù)載均衡因素，然而在對(duì)檢測(cè)任務(wù)量的評(píng)估過(guò)程中，仍存在考慮不全面且效率較低的問(wèn)題[4-6]。針對(duì)目前負(fù)載均衡算法中對(duì)負(fù)載因子度量存在的不足，提出一種基于應(yīng)用內(nèi)部文件特征的海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)調(diào)度算法。

1 移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模

Android應(yīng)用檢測(cè)的關(guān)注點(diǎn)是應(yīng)用中代碼的邏輯和數(shù)據(jù)的信息[7]，因此應(yīng)用的軟件規(guī)模直接影響到檢測(cè)任務(wù)量。軟件工程中是通過(guò)代碼的行數(shù)對(duì)軟件規(guī)模進(jìn)行度量。

對(duì)Android應(yīng)用而言，其主要包括Java和C兩類程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[8]。在本文的研究場(chǎng)景中，分析的對(duì)象是打包后的Android應(yīng)用程序，因此和常規(guī)的Java或C工程不同，難以基于源碼行數(shù)[9]進(jìn)行軟件規(guī)模衡量。獲取應(yīng)用程序源碼信息需要進(jìn)行反匯編反編譯等操作[10]，耗時(shí)長(zhǎng)且準(zhǔn)確度較低，并且dalvik虛擬機(jī)和CPUAndroid運(yùn)行時(shí)是直接讀取并執(zhí)行底層指令，因此底層指令的規(guī)模更能體現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模。

具體來(lái)說(shuō)，Android應(yīng)用中Java代碼會(huì)被編譯成dex文件[11]，運(yùn)行在dalvik虛擬機(jī)上。當(dāng)Android程序運(yùn)行時(shí)，dalvik虛擬機(jī)會(huì)從dex文件中取出方法的dalvik指令，逐條運(yùn)行。因此Android中Java的規(guī)模，是通過(guò)dalvik指令的規(guī)模決定的。

Android應(yīng)用引用的C代碼通常被編譯成so動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)不是交由dalvik虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，而是直接由手機(jī)的處理器CPU解析匯編指令執(zhí)行。因此Android中C語(yǔ)言的規(guī)模，是由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)arm指令的規(guī)模決定的。

綜上本文會(huì)結(jié)合不同文件的特性，去衡量軟件規(guī)模，從而進(jìn)一步度量檢測(cè)的任務(wù)量。

1.1 移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模度量方法

Android應(yīng)用后綴名為apk。通過(guò)解壓縮觀察到其包括AndroidManifest.xml、META -INF、Dex、So、resources.arsc等。AndroidManifest.xml、Dex、So是敏感信息出現(xiàn)的多發(fā)區(qū)[12]，也是我們安全分析的重點(diǎn)。

結(jié)合apk內(nèi)不同文件的特性和檢測(cè)流程，我們快速地提取文件的特征參數(shù)計(jì)算移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模。對(duì)于AndroidManifest.xml文件，我們提取其文件大小作為其特征參數(shù);對(duì)于class.dex文件，我們提取文件頭中的變量個(gè)數(shù)、方法個(gè)數(shù)、類個(gè)數(shù)作為其特征參數(shù);對(duì)于s0鏈接庫(kù)，我們提取SHT中的代碼段大小、數(shù)據(jù)段大小作為其特征參數(shù)[13]。不同文件有不同的規(guī)模計(jì)算公式。整個(gè)應(yīng)用的軟件規(guī)模為有效文件規(guī)模的加權(quán)和。

1.1.1 AndroidManifest

AndroidManifest解析只涉及信息提取，步驟比較簡(jiǎn)單。由于XML通用的標(biāo)記結(jié)構(gòu)，AndroidMani-fest的檢測(cè)時(shí)間隨文件大小呈正相關(guān)。用Complexity_{AndrocdManifest}來(lái)衡量AndroidManifest的文件規(guī)模，Complexity_{AdrocdManifes}等于APK中AndroidManifest實(shí)際大小，公式如下：

Complexity_{AndrocdManifest}=Size_{AndrocdManifest}

（1）

1.1.2 Dex

目前針對(duì)Android應(yīng)用程序dex的靜態(tài)分析技術(shù)，主要是通過(guò)反編譯dex文件，獲取smali文件，然后解析smali文件內(nèi)部的每條指令，建立程序控制流圖，后續(xù)再針對(duì)控制流圖展開(kāi)進(jìn)一步的分析。因此，smali指令的數(shù)量會(huì)影響dex靜態(tài)分析的工作量[14]。本文通過(guò)dex文件結(jié)構(gòu)的特性，快速統(tǒng)計(jì)所有方法中的指令數(shù)量，作為dex文件規(guī)模的衡量因子。

Dex文件結(jié)構(gòu)如圖1所示，structDexCode中的表示指令集的個(gè)數(shù)。

通過(guò)遍歷dex中的所有class信息，針對(duì)每個(gè)class遍歷所有的method信息，獲取method中的指令個(gè)數(shù)。具體提取過(guò)程如下：

輸入：Android Dex文件——Dex

輸出：Android Dex文件規(guī)模-insnsSize

BEGIN

insnsSize←0

for DexClassDef in Dex.DexClassDefs

DexClassData←-DexClassDef.classDataOff

directMethods←DexClassData.directMethod

for directMethod in directMethods

DexCode←-directMethod. codeOff

insnsSize←insnsSize+ DexCode.insnsSize

end for

virtualMethod←DexClassData.virtualMethod

for virtualMethod in virtualMethod

DexCode←virtualMethod. codeOff

insnsSize←insnsSize+ virtualMethod.codeOff

end for

用Complexity&x來(lái)衡量dex的文件規(guī)模，公式如下：

1.1.3 So鏈接厙

針對(duì)so文件的靜態(tài)分析，首先會(huì)進(jìn)行反匯編操作，將so中的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)化成匯編代碼[15]，再結(jié)合代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行控制流和數(shù)據(jù)流的分析。因此，本文通過(guò)so文件中的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的大小來(lái)衡量s0文件檢測(cè)的文件規(guī)模。

Android中的s0文件是elf格式。根據(jù)elf文件的結(jié)構(gòu)定義，其包含：ELF頭、區(qū)信息表、段信息表、以及各區(qū)詳細(xì)信息等。

Section Header Table（SHT）記錄了每個(gè)section的名稱、類型、大小以及在整個(gè)ELF文件中的字節(jié)偏移位置等信息。常見(jiàn)的Section有.text、.data、.bss、.got。其中，代碼段.text，數(shù)據(jù)段.data和.bss包含重要的信息，也是檢測(cè)引擎的分析對(duì)象，其大小和檢測(cè)時(shí)間呈正相關(guān)。

因此本文通過(guò)解析Section Header Table獲取了.text的大小textSize，.data的大小dataSize和.bss的大小bssSize。

用變量Complexitys。來(lái)衡量s0的文件規(guī)模，公式如下：

Complexitys.=textSize+ dataSize+bssSize （3）

1.1.4 移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模

應(yīng)用的軟件規(guī)模為所有文件規(guī)模的加權(quán)和。Complexity AndrocdManifest為應(yīng)用AndroidManifest文件的規(guī)模，Complexity Dex為應(yīng)用Dex文件的規(guī)模，Com-plexitys。為應(yīng)用So文件的規(guī)模。WAndroidManifest、WDex、W So分別為AndroidManifest文件、Dex文件、So文件的權(quán)值。本文選取了500個(gè)移動(dòng)應(yīng)用，在正常檢測(cè)的過(guò)程中分別統(tǒng)計(jì)AndroidManifest、Dex、So的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，并計(jì)算三類文件的單位規(guī)模檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，最后計(jì)算得出三者之間的比例為Androidmanifest：Dex：So=1：10：13，故本文按上述比例設(shè)置相應(yīng)權(quán)值。

1.2 移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模對(duì)檢測(cè)的影響

選取了檢測(cè)時(shí)間Ss到40分鐘內(nèi)的500個(gè)移動(dòng)應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用軟件規(guī)模和檢測(cè)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)比對(duì)。移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模的度量采用公式（4），發(fā)現(xiàn)應(yīng)用軟件規(guī)模和靜態(tài)檢測(cè)時(shí)間呈正相關(guān)，隨著應(yīng)用軟件規(guī)模的增加，移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

從圖3中可以看出，移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間與應(yīng)用軟件規(guī)?；貧w方程方差大于9，明顯正相關(guān)。隨著移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模的增加，移動(dòng)應(yīng)用的靜態(tài)檢測(cè)時(shí)間也逐漸增長(zhǎng)。因此，可以將移動(dòng)應(yīng)用的軟件規(guī)模作為負(fù)載均衡算法的一個(gè)參數(shù)，讓每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)隊(duì)列上所等待任務(wù)的軟件規(guī)模之和趨于平衡，則在批量執(zhí)行移動(dòng)應(yīng)用的檢測(cè)任務(wù)時(shí)，檢測(cè)性能將大大提高。

2 基于移動(dòng)應(yīng)用軟件規(guī)模的任務(wù)調(diào)度

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)平臺(tái)由客戶端、中心管理節(jié)點(diǎn)、檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)組成。其中，中心管理節(jié)點(diǎn)接受檢測(cè)任務(wù)根據(jù)檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)下發(fā)檢測(cè)任務(wù);接受檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)心跳，重新計(jì)算檢測(cè)機(jī)節(jié)點(diǎn)負(fù)載分?jǐn)?shù)，更新記錄的負(fù)載信息。中心管理節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡模塊框架如圖4所示。

負(fù)載均衡模塊分為心跳接受引擎、負(fù)載值計(jì)算引擎、檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)資源隊(duì)列三部分。心跳接受引擎接收到檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的心跳信息后，將其中的負(fù)載信息取出傳遞給負(fù)載值計(jì)算引擎;負(fù)載值計(jì)算引擎根據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)負(fù)載值后，根據(jù)負(fù)載值的大小重排檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)資源隊(duì)列。這樣，中心節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)后，可以直接取出檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)資源隊(duì)列中的隊(duì)頭元素，即負(fù)載分?jǐn)?shù)最大、負(fù)載最低節(jié)點(diǎn)。

2.2 調(diào)度算法

在分布式調(diào)度系統(tǒng)的中心管理節(jié)點(diǎn)上有一個(gè)負(fù)載均衡調(diào)度器，其作用是監(jiān)視和收集各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載信息。負(fù)載調(diào)度器根據(jù)多個(gè)負(fù)載信息算出一個(gè)綜合能力值。

在傳統(tǒng)負(fù)載均衡算法中，一般使用CPU使用率、內(nèi)存占用率、硬盤使用情況、網(wǎng)絡(luò)吞吐量作為服務(wù)器負(fù)載的衡量標(biāo)準(zhǔn)。但在本文所述應(yīng)用場(chǎng)景下，由于移動(dòng)應(yīng)用小文件的特點(diǎn)，在檢測(cè)過(guò)程中，服務(wù)器硬盤的使用情況變化不大，硬盤使用量對(duì)移動(dòng)應(yīng)用的檢測(cè)影響較小;由于移動(dòng)應(yīng)用的存儲(chǔ)和檢測(cè)都在局域網(wǎng)下完成，局域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)情況優(yōu)異，網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)移動(dòng)應(yīng)用的檢測(cè)效率也無(wú)明顯影響。

綜上，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)以及服務(wù)器負(fù)載的特點(diǎn)，將影響負(fù)載均衡的因素分為以下幾類：

（1）檢測(cè)節(jié)點(diǎn)CPU負(fù)載，包括CPU核數(shù)、CPU頻率、CPU使用百分比。

（2）檢測(cè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存負(fù)載，包括最大內(nèi)存、內(nèi)存使用百分比。

（3）檢測(cè)節(jié)點(diǎn)任務(wù)隊(duì)列負(fù)載，包括任務(wù)長(zhǎng)度和任務(wù)隊(duì)列最大長(zhǎng)度。

（4）檢測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件規(guī)模。

2.3 特征提取時(shí)間效率

本實(shí)驗(yàn)對(duì)比基于控制流復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)反饋算法和基于軟件規(guī)模大小的動(dòng)態(tài)反饋算法。統(tǒng)計(jì)在批量下發(fā)400個(gè)不同大小及任務(wù)量的移動(dòng)應(yīng)用任務(wù)時(shí)，提取各自調(diào)度策略所需特征需要的時(shí)間。

從圖5中可以看出，基于控制流復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)反饋算法提取負(fù)載信息需要數(shù)秒，且和控制流復(fù)雜度呈正比，對(duì)于控制流復(fù)雜度較高的應(yīng)用，提取負(fù)載信息需要幾十秒，這會(huì)是一筆很大的時(shí)間開(kāi)銷。而使用基于文件特征的動(dòng)態(tài)反饋算法提取負(fù)載信息，提取時(shí)間為毫秒級(jí)別且近似于常數(shù)?？梢?jiàn)基于應(yīng)用軟件規(guī)模的動(dòng)態(tài)反饋算法提取特征的效率優(yōu)于基于控制流復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)反饋算法，有效減少了負(fù)載均衡模塊在負(fù)載信息提取方面的開(kāi)銷，提高了負(fù)載均衡算法的效率。

2.4 改進(jìn)的應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)反饋算法效率分析

2.4.1 負(fù)載均衡算法功能評(píng)估

本實(shí)驗(yàn)對(duì)比基于應(yīng)用控制流復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)反饋算法和基于應(yīng)用軟件規(guī)模的動(dòng)態(tài)反饋算法。統(tǒng)計(jì)在批量下發(fā)900個(gè)不同大小及任務(wù)量的移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)時(shí)，6個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，基于應(yīng)用軟件規(guī)模的動(dòng)態(tài)反饋算法對(duì)任務(wù)量的平衡能力優(yōu)于基于控制流的動(dòng)態(tài)反饋算法，有效避免了高性能任務(wù)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)堆積和低性能的任務(wù)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間空閑。

2.4.2 負(fù)載均衡算法性能評(píng)估

負(fù)載均衡算法的目的是為了提高任務(wù)執(zhí)行效率，提高系統(tǒng)吞吐量，利用分布式結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)執(zhí)行性能。

對(duì)基于控制流復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)反饋算法、基于應(yīng)用軟件規(guī)模的動(dòng)態(tài)反饋算法，分別統(tǒng)計(jì)在批量下發(fā)500個(gè)不同大小及任務(wù)量的應(yīng)用在應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)時(shí)，2、4、6、8、10個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)執(zhí)行情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，使用基于應(yīng)用軟件規(guī)模的動(dòng)態(tài)反饋算法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度后，各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行效率高于基于控制流復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)反饋算法，效率提高38.6%。使用基于應(yīng)用軟件規(guī)模的動(dòng)態(tài)反饋算法，有利于分布式系統(tǒng)的負(fù)載均衡并提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

3 結(jié)論

介紹了一種適用于海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)調(diào)度的負(fù)載均衡算法，該算法結(jié)合移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存、等待應(yīng)用的軟件規(guī)模，計(jì)算移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載值，通過(guò)負(fù)載值進(jìn)行移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)的調(diào)度下發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，該算法有效避免了高性能任務(wù)節(jié)點(diǎn)堆積和低性能的任務(wù)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間空閑，并提升在應(yīng)對(duì)海量移動(dòng)應(yīng)用安全檢測(cè)任務(wù)時(shí)的系統(tǒng)效率。通過(guò)該算法，移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)平衡能力加強(qiáng)，吞吐量加大，系統(tǒng)的檢測(cè)效率提高。本文介紹的這種海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)任務(wù)負(fù)載均衡算法，可以滿足海量移動(dòng)應(yīng)用檢測(cè)需求，有利于提供檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行效率。

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