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Android上可靠系统的设计
摘要
在文章中，我们分析了可靠性和可靠系统的概念。通常来说，我们研究在Android操作系统上设计和实现可靠系统的方法。进行文献综述有两个主要目标。首先，要获得并能够根据其定性和定量定义来传播可靠性知识。其次，为了证明我们的理论，即缺乏有关Android上可靠系统的信息，因此需要本文。然后，我们尝试将新获得的知识应用到案例研究中，在该案例研究中，我们设计并实现一个可靠的系统，该系统以安全摄像机应用程序的形式在Android上运行。这样可以进一步洞察设计可靠系统的挑战，并且通过我们的经验，我们将学习如何克服这些挑战。虽然范围过大，无法完全涵盖可靠性的各个方面，但我们也能获得本文介绍的宝贵知识。
第一章节
介绍
- 项目描述
- 目标
本硕士论文的目的是研究可信赖的系统，无论是总体上还是专门针对Android操作系统。作为案例研究，我们开发了适用于Android设备的安全摄像头应用程序。安全摄像机可以成为关键系统中的组件。例如，它可以用于监视危险的过程或检测入侵者。可以说，可靠性是安全摄像机及其他基础软件的重要质量特征。例如，安全摄像机的停机时间可能会为潜在的入侵者创造机会。设计关键或可靠的系统时遇到什么挑战？许多关键系统具有经过特殊设计的硬件，并在专门用于执行任务的平台上运行。在多用途设备上与其他应用程序和服务共享可用资源的关键系统上运行关键系统时，将会出现什么挑战？本论文的主题将尝试回答这些问题，并将为努力设计和实现Android可靠应用程序的开发人员提供有用的信息。
- 受众
本文的受众是对可靠性及其定量定义的组成部分感兴趣的人员；其组成部分包括：可用性，可靠性，安全性，机密性，完整性和可维护性。那些对Android操作系统也感兴趣的人应该对本论文特别感兴趣。论文需要计算机科学许多2领域的知识。为了使信息更容易被接受，我们在第2章中尝试解释了大部分理论。但是，为了全面理解所有内容，建议您具有计算机科学的基本知识。
- 关键系统
在本文中，关键系统是用于描述故障将会导致的严重后果的系统，包括操作失败，人员受伤，环境破坏或生命损失[1]，等。如果系统或子系统中的故障将导致整体操作失败，则该系统被视为是任务关键的[2]。在某些关键业务系统中，故障会导致重大的经济损失[3]。第三项对安全至关重要，故障可能导致生命损失，严重的财产损失或对环境的破坏[2]。一个例子是核反应堆的冷却系统。如果没有足够的冷却，反应堆将会融化，这意味着冷却系统也是关键任务。这表明项目之间存在重叠，并且单个系统可以满足多个定义的条件。
关键系统需要高度的可靠性[4]。在本硕士论文中，我们旨在研究总体上，尤其是在移动操作系统Android上可靠系统的设计。重点将放在针对移动应用程序的软件（对于Android）上。该软件是系统的组成部分，如果关键系统的软件出现故障，则该故障可能会传播到系统的其余部分，有时会造成灾难性的后果[5]。一个例子就是火星气候轨道器，它是由于软件故障于1999年坠入火星表面的，其中一个软件组件产生的单位为英制单位，另一个组件将其解释为公制单位[6]。
关键系统中有缺陷设计的另一个例子是Therac-25，这是一台放射治疗机。在1985年6月至1987年1月之间，它发生了六起已知事件，涉及大规模用药过量，在受影响的患者中导致了死亡和重伤[7]。在没有将扩束器板旋转到位的情况下，用高功率的X射线光子束错误地治疗了患者。先前的型号（Therac-6，Therac-20）具有适当的硬件联锁装置来防止这种情况，但是Therac-25已删除它们并完全依靠软件联锁装置来确保安全。由于软件中的竞争状况，这个软件互锁可能会失效[5，7]。
- 可靠的系统
如果一个系统可以根据系统的规格执行特定任务，则该系统是可靠的。只有评估了系统在不产生某些故障的情况下运行的能力，对该系统的依赖或信任才是合理的。为了使系统可靠，需要具体证据表明此类故障将不会发生[8]。
为了获得更高的保证水平，将需要更好的证据，从而导致更高的成本。因此，应选择保证水平以匹配手头项目的风险。例如，不能容忍核电站或空中交通管制中心的故障。这种系统的较大开发和认证成本已为社会所接受。但是，关键程度取决于使用的环境。正如D. Jackson所说的那样，它是通往可靠软件的直接途径：
“如果电子表格程序用于计算放射治疗剂量，它将变得至关重要” [8]
我们不可能简单地在数字刻度上测量可靠性。不同的故障有不同的后果，而防止每次故障的成本令人望而却步。这意味着可靠的系统很可能会为其功能的不同部分提供不同级别的置信度[8]。
- 系统的可靠性
可靠性既可以用作定性术语，也可以用作定量术语。 在本文中，我们将使用Avizienis等人的定义（2004年）：定性定义是：“提供可以被合理信任的服务的能力”。定量定义是一个统称，包括可用性，可靠性，安全性，机密性，完整性和可维护性[9]。
- Android操作系统的介绍
Google的移动操作系统Android在2008年9月首次发布。它进入了以Symbian OS为主的智能手机市场，占据了一半以上的市场份额（50.3％）。 排在第二位的是Blackberry OS（占20.9％），而在Google上领先了一年的Apple iOS已经占据了可观的市场份额（13.7％）[10]。
在2010年第四季度，Google从Symbian手中夺得了头把交椅。从那时起，Android迅速崛起，Symbian已停产，Blackberry OS几乎消失了。在撰写本文时，Android在2014年第二季度占据了移动操作系统市场84.7％的份额。图1.1
|
Period |
Android |
iOS |
Windows |
BlackBerry OS |
Others |
|
Q2 2014 |
84.7% |
11.7% |
2.5% |
0.5% |
0.7% |
|
Q2 2013 |
79.0% |
13.0% |
3.4% |
2.8% |
1.2% |
|
Q2 2012 |
69.3% |
16.6% |
3.1% |
4.9% |
6.1% |
|
Q2 2011 |
36.1% |
18.3% |
1.2% |
13.6% |
30.8% |
Figure 1.1: Smartphone mobile OS market share from Q2 2011 to Q2 2014.
Source: IDC
包含最近几年在已发货设备上不同移动操作系统的市场份额[11]。
Android OS的流行性和开源性质，再加上其众多的开放API，使我们决定将案例研究设计为Android应用程序。例如，要在iOS应用程序中实现计划中的许多功能将是不可能实现的，或者至少更具挑战性。
- 方法
在本节中，我们描述了项目中被执行的工作。
- 研究问题
在本文中，这些是我们旨在回答的研究问题：
RQ1 在实现具有高可靠性要求的Android应用程序时面临哪些挑战？
RQ2 哪些设计模式可以帮助在Android平台上设计和开发可靠的应用程序？
RQ3 为Android等多用途操作系统设计可靠的软件系统时，会遇到哪些挑战？
— 与设计在专门设计的硬件上运行的软件系统相比，根据其指定任务量身定制的软件系统，两者主要区别是什么？
—不同设备之间的性能差异如何影响正在运行的软件的可靠性？
为了回答这些问题，我们决定进行文献回顾，案例研究并最终验证我们的结果。
- 文献综述
一篇文献对可靠性，Android开发和对Android系统的依赖能力等主题进行了文献综述。通过电子和参考检索进行。有关文献综述方法的更多详细信息，请参见第3.2节。文献综述产生了有关Android系统和可靠性的有价值的信息来源。此外，它还帮助我们验证了最初对缺乏有关Android平台可靠性的论文的疑惑。
- 研究案例——安全摄像机
作为案例研究，我们开发了一个安全摄像机应用程序作为案例研究。开发是以迭代方式进行的。这使我们能够在每次迭代后发现对可靠性的威胁，从而使我们能够寻找确保高可靠性的方法。在这种情况下我们开发了安全摄像头应用程序。开发是以迭代方式进行的。 这使我们能够在每次迭代后发现对可靠性的威胁，从而使我们能够寻找确保高可靠性的方法。
我们将文献综述的发现纳入了应用程序的设计中。 案例研究的方法在第4.2节中有更详细的描述。该案例研究还可以验证文献综述中的发现。
- 验证与反思
最后，我们将使用对我们在设计和实现应用程序过程中的所有经验以及撰写本文时所获得的经验以及先前的经验进行反思，以讨论我们的发现。
第二章
背景
- 系统与可靠性的分类
在本章中，我们将给出一些必要的定义并介绍可靠性和Android开发领域中的重要术语。我们从系统和可靠性的定义开始，这些是贯穿本文使用的基本术语。
- 系统的定义
在本文中，“系统”将用于描述与其他实体进行交互的实体。这些实体包括其他系统，人类及其周围的物理世界；这些外部实体统称为系统的环境[9]。系统可以是硬件系统，软件系统或包含两者的混合物的系统。
系统由相互交互以解决特定任务或通常提供功能的组件组成。系统的每个组件又是由一个或多个组件组成的另一个系统。仅当组件可以描述为原子时，此递归才会停止。原子系统无法辨别其内部结构，或者其内部结构不重要，可以忽略[12]。
这些组件构成了系统的结构。结构生成了系统的行为，这是系统为了实现其功能所要做的。系统的行为定义为状态序列，其中总状态由以下状态组成：计算，通信，存储信息、连接和物理状态[9]。
系统（提供者）提供的服务是用户所感知到的行为。用户是另一个系统，无论是人还是其他系统，都通过服务接口从提供者那里接收服务。用户只能感知系统的部分状态，即外部状态；其余的是系统内部状态[9]。
计算和通信领域的系统可以通过四个主要特性来表征：功能，性能，可靠性和成本[12]。系统的功能描述了系统能干什么。系统的性能描述了其执行这些功能的能力。系统的成本告诉我们购买或创建系统需要的花费，以及维护系统的运行成本[9]。第四点，可靠性，是本论文的主要关注点。
- 定义可靠性
对于系统或系统组件的可靠性存在许多定义，并且可靠性既可以用作定性术语，也可以用作定量术语[12]。ISO的定义是：“用于描述可用性性能及其影响因素的统称：可靠性性能，可维护性性能和维护支持性能” [13]。IEC将可
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