第12章 软件新技术-3

第12章计算机新技术和应用第12章计算机新技术和应用12.3软件开发新技术12.3.1遗传程序设计12.3.2基因编程12.3.3软件开发工具酶12.3.4可信计算12.3.5故障预测与健康管理12.1硬件新技术12.2网络新技术12.3软件开发新技术12.4生物计算12.5智慧环境与生活一、什么是演化计算自然界的生物体通过自然选择和自然遗传机制来自组织、自适应地解决问题。受此启发，人们通过模拟自然演化过程来解决某些复杂问题，并进一步发展出计算机科学领域内一个崭新的分支——演化计算。演化计算在六七十年代并未受到普遍重视。

80年代中期以来，很多国家掀起了研究演化计算的热潮。演化计算是一种通用的问题求解方法，具有自组织、自适应、自学习性和本质并行性等特点，不受搜索空间限制性条件的约束，也不需要其它辅助信息。演化计算在机器学习、过程控制、经济预测、工程优化等领域取得的成功，已引起了数学、物理学、化学、生物学、计算机科学、社会科学、经济学及工程应用等领域专家的极大兴趣。

80年代中期以来，世界上许多国家都掀起了演化计算的研究热潮。由于演化计算应用广泛，一些杂志及国际会议论文集中都有这方面的文章，现在还出版了两种关于演化计算的新杂志《EvolutionaryComputation》和《IEEETransactionsonEvolutionaryComputation》，一些国际性期刊也竞相出版这方面的专刊。演化计算最初具有三大分支：遗传算法(GeneticAlgorithm，GA)、演化规划(EvolutionaryProgramming，EP)和演化策略(EvolutionStrategy，ES)。

90年代初，在遗传算法的基础上又形成了一个分支：遗传程序设计(GeneticProgramming，GP)。虽然这几个分支在算法实现方面有一些细微差别，但它们有一个共同的特点，即都是借助生物演化的思想和原理来解决实际问题。(1)遗传算法把计算机科学与进化论结合起来的尝试始于50年代末，但由于缺乏一种通用的编码方案，人们只能依赖变异而非交配来产生新的基因结构，故而收效甚微。到60年代中期，美国Michigan大学的JohnHolland在A.S.Fraser和H.J.Bremermann等人工作的基础上提出了位串编码技术。这种编码既适于变异操作，又适于交配(即杂交)操作，并且强调将交配作为主要的遗传操作。随后，Holland将该算法用于自然和人工系统的自适应行为的研究中，并于1975年出版了其开创性著作《AdaptationinNaturalandArtificialSystems》。之后，Holland等人将该算法加以推广，应用到优化及机器学习等问题中，并正式定名为遗传算法。遗传算法的通用编码技术和简单有效的遗传操作为其广泛、成功的应用奠定了基础。1.遗传程序设计遗传程序设计是学习和借鉴大自然的演化规律、特别是生物的演化规律来解决各种计算问题的自动程序设计的方法学。

1985年由Cramer首次提出，1992由Koza教授将其完善发展。

GP是一种全局性概率搜索算法，它的目标是根据问题的概括性描述自动产生解决该问题的计算机程序。GP吸取了遗传算法（GA）的思想和达尔文自然选择法则，将GA的线性定长染色体结构改变为递归的非定长结构。这使得GP比GA更加强大，应用领域更广。可以用下面的公式来概括自动程序设计的思想：

EA+PS=AP(演化算法+程序结构=自动程序设计)基因表达式编程基因表达式编程(GeneExpressionProgramming，GEP)是一种全新的进化算法，它是葡萄牙科学家CandidaFerreira于2000年提出来的。

GEP的基因结构主要包括两个主要的成员：染色体(Chromosome)和表达式树(K-Expression)。两者之间的关系是：染色体中所包含的遗传信息由表达式树来解码。其中染色体是由一个或者多个基因组成，每个基因包括头部(head)和尾部(tail)。GEP中基因组（染色体）由一个线性的定长基因符号串组成。它是一种ORF(Openreadingframesandgenes)的编码序列。3.软件中心法则软件开发的过程就是需求分析到设计（概要设计和详细设计），再到编码的过程。也相当于把软件基因组转换成为软件程序代码的过程。这一过程与生物的中心法则相似，即把DNA转换成RNA，再转换成蛋白质。见图15-6。“软件中心法则”（SoftwareCentralDogma）是指将软件需求转化为软件设计的模块，在将其转化为执行程序的过程。12.3软件开发新技术12.3软件开发新技术12.3.3软件开发工具酶酶(Enzyme)是由细胞产生的具有催化能力的蛋白质(Protein)，这些酶大部分位于细胞体内，部分分泌到体外。酶的催化特点：催化能力和调节能力。

12.3软件开发新技术1.软件工具酶定义：软件工具酶(SoftwareToolEnzyme，STE)是在软件开发过程中辅助开发人员开发软件的工具。(1)软件工具酶的作用(Function)。软件开发工具酶作为催化剂(Catalyst)，可使用户需求转化为程序的过程加快。(2)软件工具酶的作用机理。实际上，软件工具酶是通过其活性中心先与底物形成一个中间复合物(Compound)，随后再分解成产物，酶被分解出来。酶的活性部位在其与底物结合的边界区域。(3)软件工具酶也具有催化能力和调节能力。2.中心法则与酶软件工具酶的中心任务就是辅助开发人员，将用户需求转换为计算机可以运行的程序。4.未来软件开发模式1)“近未来”软件开发模式如今的软件开发模式还是从用户需求，通过需求分析工具到设计说明书，再通过编程工具到高级语言程序代码。这一开发模式经历了从手工到自动化的过程，而且，这种方式还要持续一段时间。见图17-6。2)“中远未来”软件开发模式在不远的将来，由于读写大脑技术的成熟，下载大脑数据变得十分便捷，软件开发模式将是：直接从大脑中读出二进制代码用户需求，通过需求转化工具酶，给出转化方案，再通过二进制代码生成酶，将大脑中读出二进制代码用户需求转化为可执行的二进制机器码。见图17-7。3)“远未来”软件开发模式在更远的将来，人们考虑的将不再是如何开发软件，而是关系如何将大脑的思维体系移植到计算机或更高级的人工物中存活，因为那时的大脑思维的介质载体已经不能满足人类思维的需求。解决这一问题的方法将是：直接读取大脑的思维体系，然后，制定向人工物“移植”的方案，再通过移植工具酶，将大脑思维体系移植到更高智能结构的人工物中。与现在不同，那是的工作重点和难点是移植到新寄生物后如何不出现抗排斥反应的处理。而现在我们似乎更关心需求的困难。见图17-8。12.3.4可信计算1.可信计算概述“可信计算”的英语有多个词，TrustedComputing，TrustworthyComputing，DependableComputing。学术界把可信计算（DependableComputing）定义为“系统提供可信赖的计算服务能力，而这种可信赖性是可以验证的”。从行为角度，可信计算组织（TCG，TrustedComputingGroup）定义的可信计算为：一个实体是可信的，如果它的行为总是可预期的。可信计算的核心思想是：构造“信任链”和“信任度量”的概念，如果从初始的“信任根”出发，在平台环境的每一次转换时，这种信任可以通过“信任链”传递的方式保持下去不被破坏，那么平台计算环境就始终是可信的。可信性(dependability)用来定义计算机系统的这样一种性质，即能使用户有理由认为系统所提供的各种服务确实是可以充分信赖的。因此可信性不仅包含了可靠性、可用性、健壮性(robustness)、可测试性(testability)、可维护性(maintainability)等内容，而且强调可存活性(survivability)、保险性(safety)、安全性(security)，它体现了对开放式网络环境下分布计算系统整体性能质量的评价。并侧重于数据完整性(integrity)和软件保护能力的度量。可信计算平台(TCP，TrustedComputingPlatform)是能够提供可信计算服务的计算机软硬件实体，它具有可靠性、可用性和信息的安全性。可信计算平台以TPM(TrustedPlatformModule)为信任根，为计算机系统信任验证提供了一种可行机制。可信计算机系统由硬件平台、操作系统、应用程序、网络系统多个层次组成的。目前的TCP只是以TPM为核心提供了可信硬件平台。

安全操作系统是通过可信计算基(TCB，TrustedComputingBase)实现安全功能的。所谓可信计算基，是指系统内保护装置的总体，包括硬件、固件、软件和负责执行安全策略的组合体。国标GB17859要求最高等级安全操作系统的可信计算基TCB必须满足访问监控器需求，应能仲裁主体对客体的全部访问，应防篡改，足够小，能够分析和测试。TPM（(TrustedPlatformModule，可信赖平台模块）可作为安全操作系统TCB的一个重要组成部分，其物理可信和一致性验证功能为安全操作系统提供了可信的安全基础。TPM是一个可信硬件模块，由执行引擎、存储器、I/O、密码引擎、随机数生成器等部件组成，主要完成加密、签名、认证、密钥产生等安全功能，一般是一个片上系统(SystemonChip)，是物理可信的。TPM提供可信的度量、度量的存储和度量的报告。可信计算组织TCG通过定义一系列的规范来描述建立可信机制需要使用的各种功能和接口，主要包括TPM主规范、TSS主规范、可信PC详细设计规范、针对CC的保护轮廓等。由于TCG具有强烈的商业背景，其真正的用意在于数字版权保护。2.可信计算的发展历程可信计算的形成有一个历史过程。在可信计算的形成过程中，容错计算、安全操作系统和网络安全等领域的研究使可信计算的含义不断拓展，由侧重于硬件的可靠性、可用性，到针对硬件平台、软件系统服务的综合可信，适应了Intemet应用系统不断拓展的发展需要。1）容错计算阶段在计算机领域，对于“可信”的研究，可追溯到第一台计算机的研制。那时人们就认识到，不论怎样精心设计，选择多么好的元件，物理缺陷和设计错误总是不可避免的，所以需要各种容错技术来维持系统的正常运行。计算机研制和应用的初期，对计算机硬件比较关注。但是，对计算机高性能的需求使得时钟频率大大提高，因而降低了计算机的可靠性。随着元件可靠性的大幅度提高，可靠性问题有所改善。此后人们还关注设计错误、交互错误、恶意推理、暗藏入侵等人为故障造成的各种系统失效状况，研发了集成故障检测技术、冗余备份系统的高可用性容错计算机。

2）安全操作系统阶段从计算机产生开始，人们就一直在研究将“容错计算”技术用于操作系统。1967年计算机资源共享系统的安全控制问题引起了美国国防部的高度重视，国防科学部旗下的计算机安全任务组的组建，拉开了操作系统安全研究的序幕。在探索如何研制安全计算机系统的同时，人们也在研究如何建立评价标准，衡量计算机系统的安全性。1983年，美国国防部颁布了历史上第一个计算机安全评价标准，这就是著名的可信计算机系统评价标准，简称TCSEC1331，又称橙皮书。1985年，美国国防部对TCSEC进行了修订。TCSEC标准是在基于安全核技术的安全操作系统研究的基础上制定出来的，标准中使用的可信计算基就是安全核研究成果的表现，与当前的可信计算有极大的联系。

3）网络安全阶段随着Internet的普及，人们对其依赖也越来越强，互联网已成为人们生活的一个部分。然而，Internet是一个面向大众的开放系统，对于信息的保密和系统安全考虑不完善。从技术角度来说，保护网络的安全包括两个方面的技术内容：（1）开发各种网络安全应用系统，包括身份认证、授权和访问控制、IPSec、电子邮件安全、认证与电子商务安全、防火墙、VPN、安全扫描、入侵检测、安全审计、网络病毒防范、应急响应以及信息过滤技术等，这些系统一般可独立运用运行于网络平台之上;（2）将各种与网络安全相关的组件或系统组成网络可信基，内嵌在网络平台中，受网络平台保护。从这两方面的技术发展来看，前者得到了产业界的广泛支持，并成为主流的网络安全解决方案。后者得到学术界的广泛重视，学术界还对“可信系统(Trustedsystem)”和“可信组件(TrustedComponent)”进行了广泛的研究。1987年，美国国家计算机安全中心提出的可信网络解释就是这一技术的标志性成果。3．国内可信计算的研究进展经过近几年的不懈努力，“安全PC”产业链在我国已初步形成。目前，不少厂商除研究可信终端外，还在研究可信网络设备、可信服务器等，旨在所有的网络节点中建立可信机制，最终形成一个全国性的可信网络。我国已跻身于世界上少数研制出可信PC的国家之列，但由于我国信息安全技术整体水平的限制，加之企业规模小、缺乏足够的经济实力，可信计算技术目前尚未实现规模性和产业化，市场也未成熟。从国家层面看，2005年出台的国家“十一五”规划和“863”计划都将“可信计算”列入重点支持项目，并有较大规模的投入与扶植，2005年初，我国可信计算标准工作组正式成立，有关可信计算标准目前正在抓紧进行。可信计算呈现出信息安全主管部门重视，重要用户和企业关注的特点，相关工作正在有条不紊地积极开展起来。12.5故障预测与健康管理（PHM）5.1.1重大新闻事件2011年7月23日，在温州方向双屿路段下岙路，D3115次列车遭雷击后失去动力停车，造成D301次列车追尾，多节车厢脱轨，200多人受伤，40人死亡。事故的原因是列控中心的设备存在严重设计缺陷、上道使用审查把关不严、雷击导致设备故障后应急处置不力等因素造成的责任事故。见图1。图1“7·23”重大铁路交通事故

2011年8月18日长征二号丙运载火箭发射“实践十一号04星”过程中出现故障，卫星未能进入预定轨道，火箭发射失败。事故的原因是连接部位的可靠性存在薄弱环节，造成二级飞行段二级游机Ⅲ分机与伺服机构连接部位失效。见图2。实际上，1992-1996年我国有4次火箭发射失败。图2“长征二号丙”火箭发射失败

类似的重大事件：2010年12月5日俄罗斯搭载三颗“格洛纳斯-M”导航卫星的“质子-M”火箭由于出现了“程序错误”，未按照指定轨道运行，卫星坠毁在太平洋。2009年11月19日美国一个收集航班飞行计划的计算机系统发生故障，导致全美广泛地区的航机取消和延误，给几万名旅客的生命安全造成严重威胁；2009年5月19日江苏等六省区电信网络瘫痪。其原因是暴风影音网站自身域名解析故障，导致中国电信DNS服务器访问量突增，使网络处理性能下降；2008年1月24日法国兴业银行的一名交易员，利用系统的缺陷超越职务权限，秘密建立欧洲股指期货相关头寸，造成该行49亿欧元损失；2006年4月2日网上跨行转账业务、银联基金通业务和银联网关的网上支付业务三个类别交易无法进行，跨行交易中断8小时。故障原因是上线的外围设备隐性缺陷诱发跨行交易系统主机故障……。

故障预测与健康管理(PrognosticandHealthManagement，PHM)是医学概念的延伸、拓展和跨学科应用。它是一种全面故障检测、隔离和预测及健康管理技术。这项技术不仅为了消除故障，也为了预报故障何时可能发生，使得系统在尚未完全出现故障之前人们就能依据系统的当前健康状况决定怎样维修，以实现自助式保障，降低使用和保障费用的目标。20世纪80年代状态监控系统被用于战斗机，健康管理的概念被正式提出。早年的PHM技术主要是美国的军方将其用于战斗机、军用直升飞机和航天器。随后英、美、加拿大和以色列等国将其用于大、中型民用和无人飞机。近年PHM已在很多