李俊霖 高濤 郁湧

摘 要：隨著軟件系統(tǒng)在信息社會中發(fā)揮越來越重要的作用，人們對軟件系統(tǒng)的可信性方面的要求也愈來愈高。軟件可信性可由軟件可信屬性集來進行描述和表示，但是人們根據(jù)軟件系統(tǒng)的不同特征和不同層面提出了很多軟件可信屬性集。為此，本文提出一種軟件可信屬性的表示以及相關(guān)性分析的方法，給出了可信屬性相關(guān)性、獨立性和冗余性的概念，并基于相關(guān)性分析可以從所知的屬性集中構(gòu)建一個適合的可信屬性最小子集作為對軟件可信性進行評估的指標(biāo)。此方法能夠很好地對可信軟件屬性之間的相關(guān)性進行分析與度量。

關(guān)鍵詞：軟件可信性；可信屬性；相關(guān)性分析

中圖分類號：TP31 文獻標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

可信軟件作為軟件領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性和價值的研究課題之一，引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。早在1991年，Laprie從安全關(guān)鍵系統(tǒng)的研究出發(fā)提出軟件可依賴性（Dependability）的概念[1]。2001年，Algirdas等提出軟件的可依賴性是指人們相信軟件系統(tǒng)所具有的、特定服務(wù)的能力[2，3]，強調(diào)了人們對軟件的信任。1997年美國國家科學(xué)技術(shù)委員會在《高可信系統(tǒng)的研究挑戰(zhàn)》中明確提出了高可信性（High Confidence）的概念[4]。我國學(xué)者陳火旺、王戟等認(rèn)為高可信軟件系統(tǒng)在提供服務(wù)時能滿足一系列關(guān)鍵性質(zhì)[5]，具體涉及的性質(zhì)包括：可靠安全性、可靠性、生存性、容錯性、實時性、保密安全性中的一個或者多個。

德國科學(xué)研究基金委員會在奧爾登堡大學(xué)成立了可信軟件研究院（Trust Soft Graduate School），該機構(gòu)研究認(rèn)為，軟件系統(tǒng)的可信性是由正確性、安全性、服務(wù)質(zhì)量（包括性能、可靠性、可用性）、保密性及私密性所決定的[6]。劉克等認(rèn)為可信軟件（Trustworthy Software，TS）是指軟件系統(tǒng)的動態(tài)行為及其運行結(jié)果總是符合人們預(yù)期，并在受到干擾時仍能提供連續(xù)服務(wù)的軟件[7]。他們認(rèn)為可信性是在正確性、安全性、可靠性、時效性、完整性、可用性、可預(yù)測性、生存性、可控性等眾多概念基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個新概念，是軟件系統(tǒng)諸多屬性的綜合反映。本文作者也提出過一種基于構(gòu)件的可信軟件框架及其表示方法[8]。

2 可信軟件和可信屬性（Trusted software and

trustworthy attribute）

在軟件可信性的研究中，如何描述和度量軟件的可信性是當(dāng)前研究的一項重要內(nèi)容。一般來說，軟件的行為及其產(chǎn)生的結(jié)果可以通過一組適當(dāng)?shù)膶傩詠砻枋?，即軟件可信性可依?jù)能夠反映軟件某種可信性的一組屬性以及用戶在這組屬性上的預(yù)期來共同刻畫，這貫穿于軟件的整個生命周期。為此，人們提出了很多軟件可信屬性類型和分類方法。

軟件可信屬性是一組用來描述和評價軟件系統(tǒng)可信的特性，通過這些屬性可以更明確具體地描述軟件可信的內(nèi)涵。Avizienis等[9，10]提出了可信性的概念框架，該框架中可信屬性包括：可用性（availability）、可靠性（reliability）、防危性（safety）、機密性（confidentiality）、可維護性（maintainability）等。同時指出，軟件的可用性、完整性和機密性構(gòu)成了軟件的安全性。陳火旺院士提出了高可信（high confidence）性質(zhì)的概念[5]，認(rèn)為軟件可信性質(zhì)包括：可靠性（reliability）、防危性（safety）、安全性（security）、可生存性（survivability）、容錯性（fault to lerance）、實時性（real time）。

王懷民等主張從“客觀性”和“主觀性”兩個方面分別定義可信軟件：“軟件可信性”指軟件客觀具有的質(zhì)量；“可信軟件”指用戶對軟件客觀質(zhì)量的主觀認(rèn)同。他們認(rèn)為的影響軟件可信性的屬性包括：安全性、可用性、可靠性、實時性、可維護性和可生存性[11]。

此外，其他的研究者對可信性所包含的可信屬性也有不同的見解，其中，大部分的研究者認(rèn)為可信性應(yīng)包括可用性（Availability）、可靠性（Reliability）、可維護性（Maintainability）、防危性（Safety）、保密性（confidentiality）、完整性（integrity）和可生存性（survivability）等屬性，而每個屬性特性又可能包含了若干的子特性，這些可信屬性特征共同構(gòu)成了軟件的可信屬性模型。

軟件可信性是通過軟件可信屬性集及其取值來進行描述的，可信屬性集是一組軟件可信屬性的集合，它是與軟件可信相關(guān)的一組指標(biāo)體系?？梢酝ㄟ^用戶判斷的軟件所具有的關(guān)于可信屬性的評價和取值來判斷軟件系統(tǒng)的可信性，從而對軟件系統(tǒng)的可信性進行不斷的改進。在軟件系統(tǒng)的運行過程中，若可信屬性滿足要求，則意味著軟件達到應(yīng)有的可信程度或該軟件能達到其預(yù)設(shè)的可信目標(biāo)；否則，就可以認(rèn)為軟件系統(tǒng)在運行過程中不可信。

軟件可信性可由軟件可信屬性集來進行描述和表示，但是人們根據(jù)軟件系統(tǒng)的不同特征和用戶所關(guān)心的不同層面提出了很多描述軟件可信的屬性集。這些屬性集中的屬性可能不相同，有些是冗余的，有些甚至是相互沖突的，因此，首先要解決的問題是如何選擇屬性來描述軟件的可信性，并且需要考慮這些所選擇的屬性之間是否有冗余，分析它們之間具有什么樣的相關(guān)性。

3 可信屬性相關(guān)性分析（Correlation analysis of

trustworthy attributes）

3.1 可信屬性的表示

對于一個可信軟件系統(tǒng)TS，設(shè)其可信屬性集為A={a1，a2，...，an}，V是可信屬性值的集合，，是可信屬性的值域，即可信屬性的取值范圍，是一個可信屬性函數(shù)，它指定某一可信軟件系統(tǒng)TS中可信屬性的取值范圍。由于軟件系統(tǒng)的特征和用戶所關(guān)心的層面不同，不同的可信軟件，其屬性取值范圍也各不相同。

由于可信軟件系統(tǒng)的運行特征，軟件可信屬性的取值也是一個動態(tài)的過程。隨著時間的推移或者軟件的運行，可信屬性取值會不斷發(fā)生變化，因此，可以把每個可信屬性的取值看成一個時間序列，逐一記錄了可信屬性在時刻的取值。

3.2 可信屬性之間的相關(guān)性分析

對于一個可信軟件系統(tǒng)TS的可信屬性集A中的任意兩個可信屬性和，如果它們在可信軟件系統(tǒng)TS運行過程中的取值為和，則它們的可信相關(guān)系數(shù)r可以用Pearson相關(guān)系數(shù)定義為：

其中，表示的平均值，表示的平均值，r的取值范圍在區(qū)間[-1，1]內(nèi)，若可信屬性和完全相關(guān)，則有r=1或者-1；若可信屬性和完全獨立，則r=0。

可信屬性之間的相關(guān)系數(shù)是對稱的，即對于可信屬性和，有。

可信相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，相關(guān)性越強——可信相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1，可信屬性之間的相關(guān)性越強，可信相關(guān)系數(shù)越接近于0，可信屬性之間的相關(guān)度越弱。通常情況下可以通過以下的取值范圍來判斷可信屬性自己的相關(guān)強度：對于兩個可信屬性來說，其相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.8—1.0則稱兩個可信屬性之間極強相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.6—0.8稱兩個可信屬性之間強相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.4—0.6稱兩個可信屬性之間中等程度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.2—0.4稱兩個可信屬性之間弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.0—0.2稱兩個可信屬性之間極弱相關(guān)或無相關(guān)。

可信屬性與可信屬性之間的獨立性和冗余性可以根據(jù)可信屬性之間的相關(guān)性來定義。一般地，如果兩個屬性是完全無關(guān)的，那么稱它們之間是獨立的；如果兩個屬性之間是完全相關(guān)的，那么稱它們之間是彼此冗余的。

可信屬性之間的獨立和冗余程度可以定義如下：

如果可信屬性，對于任意可信屬性都有，則稱可信屬性在可信軟件系統(tǒng)TS的可信屬性集A中是完全獨立的，可信屬性也稱為可信屬性集A中的孤立可信屬性。

對于可信屬性和有，則稱可信屬性和完全冗余的，一個屬性是完全冗余的應(yīng)從可信屬性集A中刪除。對于兩個可信屬性來說，其相關(guān)系數(shù)的絕對值大于0.2則稱兩個可信屬性是部分冗余的，部分冗余的可信屬性的處理要根據(jù)不同可信系統(tǒng)和不同用戶的要求來進行，處理時可以根據(jù)要求設(shè)定一個閾值th，當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對值大于閾值th時看成是冗余的，否則認(rèn)為是非冗余的。

3.3 可信屬性最小子集的求解

在對一個可信軟件系統(tǒng)TS進行基于可信屬性集的可信性度量時，如何選擇合適的可信屬性集至關(guān)重要。為了能夠提高效率和節(jié)約資料，可以在全部可信屬性集相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)可信系統(tǒng)特征，求出最小可信屬性集作為可信度量的依據(jù)。

基于可信屬性的相關(guān)性分析，最小可信屬性集的選擇如下：

（1）根據(jù)可信系統(tǒng)特征選擇一個合適的冗余性度量閾值th；

（2）基于冗余性度量閾值th和可信屬性之間的相關(guān)系數(shù)來對全部可信屬性集進行分類，把它分為一系列子集，凡是相關(guān)系數(shù)大于閾值th的可信屬性分在一個子集中；

（3）完全獨立的可信屬性即孤立可信屬性應(yīng)該加入到最小可信屬性集中；

（4）如果兩個或者多個子集中有一個及以上相同的可信屬性，則選擇一個可信屬性加入到最小可信屬性集中；

（5）對于剩余的子集，在每個子集中選擇一個可信屬性加入到最小可信屬性集中。

當(dāng)然，隨著可信軟件系統(tǒng)運行環(huán)境和用戶要求的變更，最小可信屬性集也會發(fā)生變化，因此需要根據(jù)可信屬性之間的相關(guān)性的變化做出相應(yīng)的調(diào)整和處理，以適應(yīng)環(huán)境和用戶的需要。

4 結(jié)論（Conclusion）

如果一個軟件的行為總是與預(yù)期一致，則稱該軟件可信。軟件可信性是軟件質(zhì)量的一種特殊的表現(xiàn)形式，它所關(guān)注的是使用層面的綜合化的質(zhì)量屬性及其保障形式，涉及多個質(zhì)量屬性的集合以及這些屬性的綜合與平衡。一般來說，軟件的行為及其產(chǎn)生的結(jié)果可以通過一組適當(dāng)?shù)膶傩詠砻枋觯窜浖尚判钥梢罁?jù)能夠反映軟件某種可信性的一組屬性以及用戶在這組屬性上的預(yù)期來共同刻畫，這貫穿于軟件的整個生命周期。

軟件可信性可由軟件可信屬性集來進行描述和表示，但是人們根據(jù)軟件系統(tǒng)的不同特征和用戶所關(guān)心的不同層面提出了很多描述軟件可信的屬性集。這些屬性集中的屬性可能不相同，有些是冗余的，有些甚至是相互沖突的，為此，需要考慮這些可信屬性之間的相互關(guān)系。本文提出了一種可信屬性的表示以及相關(guān)性度量與分析的方法，給出了可信屬性相關(guān)性、獨立性和冗余性的概念和度量方法。基于可信屬性相關(guān)性分析，根據(jù)不同的軟件類別、應(yīng)用領(lǐng)域和用戶所關(guān)注的不同方面和指標(biāo)，可以從所知的屬性集中選擇合適的屬性來作為對軟件可信性進行評估的指標(biāo)，建立一個適合的可信屬性最小子集作為軟件可信性度量的體系，并根據(jù)環(huán)境和用戶的需要對可信屬性最小子集進行不斷地調(diào)整和優(yōu)化。

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4（3）：231-239.

作者簡介：

李俊霖（1977-），男，博士，工程師.研究領(lǐng)域：電子政務(wù)，可

信軟件.

高 濤（1988-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：缺失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)相

關(guān)性.

郁 湧（1980-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件工程和可

信軟件.