第 28卷 第 3期
2014．09
沈 阳 化 工 大 学 学 报
K 『IiNAI OF SHENYANG UN】[、，ERSn’Y OF CH咖 CAL TECHNOLOGY
Vo1．28 No．3
Sep．2014
文章编号： 2095—2198(2014)03—0268-05
基于物联网软件的可靠性评估与进化方案研究
王 军， 陈未如
(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院，辽宁沈阳 110142)
摘 要： 物联网软件绝大多数是由多个大系统构成的超大型的复杂分布式软件 系统，针对该类
软件系统的可靠性评价及维护十分困难且无系统方法，提出一套系统的基于物联网软件的可靠性
评估与进化方法，以实现对复杂物联网软件的可靠性综合评价及维护升级改造．该方法利用基于
软件架构的可靠性评估思想及软件逆向工程方法论，解决复杂分布式软件系统的可靠性分析与评
价，以及多个大系统构成的超大型软件可靠性升级等难点问题．该方法的提 出将为新兴的物联 网
软件可靠性评估与维护提供有效的方法和理论支持．
关键词： 物联网软件； 可靠性进化； 可靠性评估； 再工程
doi：10．3969／j．issn．2095—2198．2014．03．017
中图分类号： TP311 文献标识码 ： A
尽管现阶段还处于物联网发展的初级阶段，
但围绕物联网相关领域的研究极为活跃和广
泛 I¨2 J．作为物联网的重要组成部分之一的软
件，直接决定着物联网未来发展．物联网本身是
一 个由多种网互联在一起的复杂平台，在该平台
上应用的软件绝大多数是由多个大系统构成的
超大型的复杂分布式软件系统．该类软件首先是
分布式的软件系统，其各个组件多数是跨平台调
用，甚至是在不同类型的网络平台上、不同类别
的设备上进行相互调用与协作等．这些特点是以
前软件工程领域不常见的．该类软件系统的可靠
性评价及维护十分困难且无系统的方法 ，目前还
未见有相关成果系统地针对该类特殊软件进行
可靠性及再工程进化研究 』．然而目前所研究
的物联网可靠性绝大多数是面向网络本身机制
的可靠性．另一方面在软件工程领域中针对大型
软件系统在可靠性方面的评估体系和方法大多
都局限于对软件本身的分析，没有将连接件，如
通信协议、网络环境等的QoS考虑进去 ．因
此，本文利用基于软件架构的可靠性评估思想及
软件逆向工程方法论，提出了一套系统的基于物
联网软件的可靠性评估与进化方法，以实现对复
杂的物联网软件可靠性综合评价及维护升级改
造．该方法解决了复杂分布式软件系统的可靠性
分析与评价，以及多个大系统构成的超大型软件
可靠性升级等难点问题．
1 物联网软件体系结构
1．1 物联网发展概述
物联网作为新生事物，人们对其内涵和外延
的理解也有很大区别，给其概念、特征所作出的
归纳和总结也有很大的差别．如国际电信联盟
(ITU)认为 ：信息与通信技术的目标已经从任
何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何
物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网，它
是对物体具有全面感知能力、对信息具有可靠传
送和智能处理能力的连接物体与物体的信息网
络，具有全面感知、可靠传送、智能处理是物联网
的特征．我国也有学者认为：物联网是一种“泛
在网络”，这种泛在网就是利用互联网将世界上
收稿日期： 2013—07—21
基金项目： 辽宁省教育厅项 目(L2013157)；辽宁省科技厅工业攻关项目(2012219001)
作者简介： 王军(1978一)，男，辽宁大连人 ，副教授，博士，主要从事无线网络技术、工业物联网及网络软件进化等的研究
第 3期 王 军，等：基于物联网软件的可靠性评估与进化方案研究 269
的物体都连接在一起，使世界万物都可以上网．
具体可以理解为通过射频识别(RFID)装置、红
外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装
置与互联网结合成一个全新的巨大网络，实现现
有的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和
专用网连接起来，实现智能化识别和管理 ]．
物联 网(intemet of things)的概念最早 于
1999年由美国麻省理工学院提出，当时是指用
射频识别(REID)技术 自动识别物品，识别码保
存在一定的载体中附着于物体上．通过射频阅读
器可读出编码，经解析后就可以得到存储物体信
息的互联网服务器地址，及其他相关信息，从而
实现所谓的物体与互联网的联接．物联网的主要
定位是在物流、供应链等需要企业间信息共享的
开环应用，最近两年成为全球关注的热点，可以
概括成以下几个阶段 。。：
(1)M1T的 Kevin Ashton：把 RFID技术与
传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联
网”(1998)；Auto-ID中心：物联网是成千上万的
物品采 用 无线 方 式 接人 了 Intemet的 网络
(1999)．
(2)日本和韩国在 2005年提出相关战略．
其中日本在2009年制定的中长期信息技术发展
战略《i-JaparO．O15}中提出：要构建以人为本的安
心且充满活力的数字化社会，其关注点在政府、医
院和学校，希望通过推动公共服务事业的发展，带
动其他产业的发展．公共服务在欧盟提出的综合
性战略规~(i2010}中同样占有重要的地位．
(3)HU报告 ：物联网是通过 RFID和智能
计算等技术实现全世界设备互连 的网络
(2005)．
(4) IBM 提 出 “智 慧 地 球 (smart
plant)”——把传感器设备安装到电网、铁路、桥
梁、隧道、供水系统、大坝、油气管道等各种物体
中，并且 普 遍 连 接形 成 网络，即 “物 联 网”
(2o08．12)
(5)智慧地球(smart plant)成为美 国国家
战略．2009年 1月 28日，奥巴马与美国工商业
领袖举行了一次“圆桌会议”，mM CEO彭明盛
首次提出“智慧的地球”这一概念，建议新政府
投资新一代的智慧型基础设施，阐明其短期和长
期效益．
(6)IBM 提出智慧地球之后，我国温家宝
总理到了无锡提出“感知中国”这样国家战略，
无锡成为感知中国的中心．
1．2 在物联网上应用的典型软件系统的体系结构
以感知和智能为特征的新技术的出现和相
互融合，使得未来信息技术的发展由人类信息主
导的互联网向物与物互联信息主导的物联网转
变，其主要的影响体现在信息和智能的泛在化．
这一重要特征使得未来在泛在网上应用的软件
系统将分布在物联网的感知层、网络层和应用层
等各层中，才可能完成面向监测与控制的各级、
各类的传感器网络，面向物流管理的RFID网络
和面向企业和政府等机构的信息 Internet网络
的集成与融合，实现人与人、人与设备、设备与设
备之间信息交互的目的，如图 1所示．
应
用
层
网
络
层
感
知
层
物
联
网
软
件
系
统
体
系
结
构
图 1 在物联 网上应 用的典 型
软件系统的体系结构
Fig．1 The archite tllre of typical software
system in IOT applications
由图 1可见：与现阶段的大型分布式软件相
比，在物联网上应用的典型软件系统其复杂度和
规模将呈指数级增加．而由来 自多种类型网络和
不同设备中的各类组件组成，经过各类传输平台
形成的软件系统，将不可避免地导致整个软件系
统产生可靠性问题，安全漏洞更加频繁发生，同
时在风险评估中发现和解决这些问题将会变得
更为复杂，因可靠性和安全性问题造成的经济损
失也将 日益增加．
与此同时，多网融合后，大量遗产系统的存
沈 阳 化 工 大 学 学 报 2014正
在一定程度上也会影响软件系统的可靠性和安
全性，而对于那些技术陈旧、结构混乱的遗产系
统进行以可靠性和安全性为 目标的再工程，会极
大缩短开发周期，节省开资．为此，本论文创新性
地提出了建立在物联网环境应用中的软件系统
的可靠性评估机制，同时试探性地利用再工程技
术对在物联网环境应用中的软件系统进行可靠
性方面进化，进而提高风险评估中可靠性指标，
对未来物联网应用和软件工程理论都具有较高
的理论意义和现实应用价值．
2 可靠性评估及再工程进化方法
2．1 基于物联网软件架构的可靠性评估模型
现阶段基于构架的软件可靠性模型一般是
基于 Cheung提出的思想 ¨ ：根据每个构件的
可靠性、运行状态和软件的构架来进行分析．其
具体方法是基于 Markov链条属性和软件构架
视图到状态视图的转换，根据状态转换视图构造
出状态转换矩阵，利用软件可靠性定义估算整个
系统的可靠性．
本文在充分考虑了物联网软件中连接件，如
通信协议，网络环境等因素的前提下，建立了如
下可靠性模型．模型中将连接器的可靠性单独考
虑．
设 L {为连接构件 C；和 C{的连接器的可靠
性，R 为构件 C 的可靠性，P ；为状态 s 到状态
s；的转换概率．将连接器的可靠性考虑进去后
的构造矩阵 的公式如下：
(1)当S 不能直接到达 S 时：
(i，J)=0 (1)
(2)当 si与 Si是 Batch—sequential／pipeline
结构关系时： (i，j)=R L jPij (2)
(3)当si与s{是Parallel／Pipe—filter结构关
系时，如图2所示．
①如果s 状态中包含多个同时运行的构件
时：
M(i，j)=(Ⅱ( L哪))尸 (3)
Cn Si
②如果Sj状态中包含多个同时运行的构件时：
M(i，j)=RiP (n ) (4)
状态2
图2 Batch-sequential／pipeline结构
Fig．2 The architecture of batch·sequential／pipeline
(4)当si与sj是Fault Tolerance结构关系
时，如图3所示．
状态2
⋯ 【构件bo状态(风。) 工 、
一 ＼
P12 ．／ 用构件b1状态 。 ．
1犬态l( ． l 】
’ Zbn3 1
＼ 用构件b 状态
图3 Fault Tolerance结构
Fig．3 The architecture offault tolerance
① 如果s 状态中包含多个功能备用构件时
bn q-1
M(i，j)=( L删+∑((n(1一
Lmj))Rq ))P (5)
② 如果 S 状态中包含多个功能备用构件时
M(i，j)=RiPii(Lib0+
bn q-1
∑((n(1一Li ))厶 )) (6)
(5)当si与si是 Call—and—Return结构关系
时
肼(i，J)=Pi{Li{ (7)
其中s 是调用状态，s 是被调状态．
设一维数组 T={尺 一 ，尺2 ，R3 ，⋯一，
R
～ ，1}，其中尺 ～；表示从状态 i转换到状态 J
的可靠性．根据公式 T=M x ，求出 其中
R 就是整个系统的可靠性．
2．2 面向物联网软件的可靠性评估及再工程进
化方法
面向物联网软件的可靠性评估及再工程进
272 沈 阳 化 工 大 学 学 报 2014正
全性和可靠性．如果把物联网比喻成人，那么目
前绝大数研究物联网信息安全和可靠性方面多
集中在人的骨骼、各个器官及组织上，而软件系
统在物联网中就如人的血液，分布在物联网的各
个层中与各个环节，且相互关联．为此，从软件工
程角度研究并建立在物联网应用环境中的软件
系统在可靠性和安全性方面的风险评估体系和
方法，并将协议的QoS与软件系统合二为一，总
体建立在可靠性和安全性方面的风险评估体系
和方法，进而进行联合进化再工程，将具有较高
的创新意义和实际应用价值．
参考文献：
[1] 刘强，崔莉，陈海明．物联网关键技术与应用[J]．
计算机科学，2010，37(6)：1—5．
[2] 梁炜，曾鹏．面向工业自动化的物联网技术与应用
[J]．仪器仪表标准化与计量，2010(1)：2l一24．
[3] Mens Tom．Guest Editors’Introduction：Software E—
volution[J]．IEEE Software，2010，27(4)：22—25．
[4] 郭耀，袁望洪，陈向葵，等．再工程一概念及框架
[J]．计算机科学，1999，26(5)：78—83．
[5] Wang Jun，Chen Weiru，Yang Hongji．Architecture
Description Language Based on Software Reliability
Evaluation for Distributed Computing System[c]．
IEEE press：ICCASM ，2010：370—375．
[6] 王强，陆阳，方欢，等．基于结构分析的复杂软件可
靠性评估方法[J]．系统工程学报，2013，24(2)：20
— 25．
[7] rIuStrategyandPolIcyUnit(SPU)．ⅡuIntemetRe-
ports2007：The Intemet of Things[R]．Geneva：Intema-
tional Telecommunication Union(fro)，2007．
[8] 薛燕红．物联网体系架构及其关键技术探讨[J]．
陕西理工学院学报(自然科学版)，2013，29(3)：
18—22．
[9] 高相铭，陈永超．基于物联网的分布式电动机故障
诊断与保护系统研究[J]．工矿自动化，2013，39
(6)：17—21．
[10]王剑锋，陈灿峰，刘嘉，等．一种基于IPv6和低功
耗蓝牙的物联网体系结构[J]．计算机科学，2013，
40(5)：97—102．
[11]Wang Jun，Chen Weiru．A Modeling of Software Ar-
chitecture Reliability[C]．IEEE NPC：IFIP，2007：
983—988．
[12]Wang Wenli，Wu Ye，Chen Meihwa．Architecture．
Based Software Reliability Analysis[J]．Proceedings
of Pacific Rim International Symposium on Depend-
able Computing，1999，12(2)：16—17．
Reliability Evaluation and Evolution Based on
Software of I nternet of Things
WANG Jun， CHEN Wei—ru
(Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 1 10142，China)
Abstract： The vast majority software of Internet of Things is a complex distributed large software sys-
terns；it is composed of multiple systems．In view of the no good method on reliabi~ty evaluation，and ma-
intenance is very difficult for this software system．A set of method on reliability evaluation and evolution
based on software of Internet of Things is proposed，in order to achieve reliability evaluation and mainte·
nance upgrading for the complexity of the Intemet of things software．Using the method of reliability eval-
uation based on software architecture and reengineering theory ，the reliability analysis and evaluation of
complex distributed software system ，and the upgrade reengineering for complex distributed large software
systems are solved．The proposed idea will provide effective method an d theory support for reliability eval—
uafion and evolution based on software of Intemet of Things．
Key words： software of internet of things； reliability evolution； reliability evaluation； reengineer-
ing
