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计算机工程与科学 2017年第04期杂志 文档列表

计算机工程与科学杂志高性能计算

基于申威众核处理器的HOG特征提取算法并行加速611-618

摘要：HOG特征是一种简单高效的常用来进行物体检测的特征描述子，广泛应用于行人检测等领域，然而在处理海量图片时却面临着严峻的性能挑战。解决方法之一就是通过使用“神威太湖之光”超级计算机的处理器节点对海量图像背景下的行人检测算法进行加速。主要采用了两种并行方案：一种是一个处理器同时处理4张图片，另一种是同时处理256张图片。大量的串行和并行处理的实验测试结果表明，对高分辨率多幅图像的并行处理可采用第一种方案，加速比可达83倍；对低分辨率图像可采用第二种方案，加速比最高可达到95。两种并行设计方案在“神威太湖之光”的多处理器节点上具有很好的可扩展性能。

面向高性能计算环境的作业优化调度模型的设计与实现619-626

摘要：高性能计算环境聚合了多个分布在不同地域、不同组织机构的高性能计算资源，面向用户提供统一的访问入口和使用方式，由系统中间件根据用户作业请求匹配合适的高性能计算资源。随着环境应用编程接口的开放以及作业请求数量的大幅增加，面对高并发作业提交请求时，目前采用的即时调度模型会由于网络等原因导致一定数量的请求处理失败，同时缺乏灵活性。针对此问题，优化了环境作业调度模型，引入作业环境队列，细化了作业系统层状态，增加了作业调度策略可配置性，并基于环境中间件SCE实现了系统原型。经测试，在单核心服务每分钟处理近200个作业提交请求的工作负载下，无因系统和网络原因引起的作业提交出错现象；在共计1 000个作业中，近500个作业提交命令请求在0.3 s以内完成，800余个作业提交命令请求在0.5 s以内完成。

面向移动设备的温度感知的任务调度算法627-633

摘要：由于志愿者分布式计算可以为计算量庞大的科研项目提供足够的计算能力，甚至比超级计算机的计算能力还要强大，因此，志愿者分布式计算技术受到了很多研究人员的关注，很多不同的志愿者分布式计算架构被广泛应用。以往的很多志愿者分布式计算架构通常考虑的志愿者主机是PC电脑，或者单纯地把移动设备当作PC电脑一样进行处理。由于移动设备的很多特性跟PC电脑存在着很大的差异，所以很多时候这些志愿者分布式计算架构并不能高效地处理同时拥有PC电脑和移动设备志愿者的志愿计算项目。针对志愿者分布式计算系统上两个主流的志愿者分布式计算任务调度方法——迭代计算的任务调度算法和先来先服务的调度算法FCFS在处理移动设备志愿者计算上存在着的不足，为了提高志愿者分布式计算平台的执行效率，提出了一个面向移动设备的温度感知的任务调度算法TATSA。实验结果表明，TATSA比主流的任务调度算法ISA和FCFS在移动设备志愿者计算时效率明显更高。

布尔矩阵乘的分布式异构并行优化634-640

摘要：布尔多项式求解是当今密码代数分析中的关键步骤，F4算法是布尔多项式求解的高效算法。分析了Lachartre为F4矩阵专门设计的高斯消去算法，针对其中布尔矩阵乘这一耗时的计算步骤，设计并实现了分布式异构（CPU＋MIC）并行算法。布尔矩阵相对于普通矩阵主要体现在矩阵元素取值区间不一样上，由于布尔矩阵元素（0,1）导致矩阵乘操作的特殊性，普通矩阵乘的优化方法不能很好地满足布尔矩阵乘的需求。分别从布尔矩阵的存储、OpenMP多线程组织、访存、任务划分和调度等方面进行了性能优化，实现了布尔矩阵乘的分布式异构并行算法。通过随机生成布尔矩阵测试，优化后的分布式异构并行程序相较于分布式同构并行程序达到了2.45的加速比，体现了良好的性能提升。

基于负载均衡的多源流数据实时存储系统641-647

摘要：物联网感知流数据多以时序数据为主，具有数据量大、连续到达、多来源等特点。现有的基于HBase的交通流数据存储系统在数据写入并发量大时，仍然存在存储效率低与系统可用性不高的问题。针对该问题，设计并实现了基于负载均衡的多源流数据实时存储系统。该系统将数据扩展为集群架构，提出了一种基于负载均衡的任务调度算法，实现了任务与数据之间的按序匹配，使数据集群负载均衡地处理任务，实现数据并行存储到HBase数据库中。实验对比结果表明：该系统使各数据的数据分配比例维持在0.3～0.4，同时以约1.5倍于单数据的速度将数据写入HBase数据库。

改进十字链表的存储方法在短路电流计算中的应用648-655

摘要：节点导纳矩阵是一个稀疏矩阵，短路电流计算需要对导纳矩阵数据进行查询。为了既能保持快速按行列查询元素数值，又进一步提高按数值查询其所在行列的效率，以便于存储调用及后续矩阵的处理，提出构建高度平衡二叉树的改进十字链表方法，即在十字链表存储的基础上，拓展存储数据结点指针域，形成平衡二叉树，将高度维持在（O（log2 n）），平均查找长度也可维持在（O（log2 n）），大大降低操作时间复杂度，提高数值查询效率。同时，为保证测试结果的公平性，把构建高度平衡二叉树的时间计入总时间，以进行对比。通过相应算例，验证了该改进方法的高效性。

计算机工程与科学杂志计算机网络与信息安全

一种基于混合压缩感知的WSN能耗优化方法656-662

摘要：网络节点能耗是影响无线传感器网络生命周期的重要因素。提出了一种基于混合压缩感知（HybridCS）的网络能耗优化方法。首先，为保证数据重构精度，根据参加数据收集节点数的不同，确定合理的观测矩阵维数范围。然后，通过分析不同维数观测矩阵对HybridCS发送数据量的影响,求出较优的观测矩阵维数,从而使所设计的方法达到降低网络能耗的目的。仿真结果表明，该方法在节约网络能耗的同时还保证了数据重构精度。

无线传感器网络轻量级数据加密机制设计663-672

摘要：针对无线传感器网络处理能力、存储空间、能量等有限的特点，设计了轻量级数据加密机制。该机制对RC6算法进行了改进，添加了“对称层”运算，使改进后的RC6算法在运算工作量变化不大的情况下，硬件实现更加容易，硬件资源消耗更小。为进一步提高密文的安全性与数据加密强度，使用双密钥对明文进行两级加密，并引入了随机密钥管理机制，使网络节点每次加密时都能使用不同的密钥，提高了密钥的安全性。数据加密机制还使用了节点ID认证、带有身份标识的密钥池认证等多种安全认证机制来阻止非法节点的接入。实验基于低功耗CortexM3内核的控制芯片搭建无线传感器网络节点硬件平台，设计了通信协议，并在硬件平台上移植与实现了该机制。实验结果表明，该加密机制能够很好地在低功耗平台上运行。

基于骨干多边形的传感器网络分区双连通恢复算法673-677

摘要：针对现有算法恢复分区连通性存在容错性差的问题，提出了分区双连通性恢复算法DCRA。该算法旨在网络中心区域构建骨干多边形，分区以两条互不相交的路径与多边形连接，从而实现分区间的双连通。仿真实验表明，与现有一些双连通算法相比，所提算法不仅减少了部署中继节点的数量，而且算法的运行时间能够减少60%左右，可以快速确定部署的中继节点位置，从而快速恢复分区连通性。

基于多指纹联合匹配的混合定位算法678-683

摘要：随着信息科技的迅猛发展，室内定位技术已经成为基于位置服务LBS的研究热点之一。基于接收信号强度RSS的位置指纹与步行者航位推算PDR相结合的定位算法能有效提高定位精度，但目前已有的算法难以同时满足较高的定位精度与较小的计算量，常见的卡尔曼滤波算法精度不够，而粒子滤波算法计算量较大。提出了一种基于多指纹联合匹配的混合定位算法，有效融合惯性信息与RSS指纹信息，在较低计算量的前提下实现了高精度定位。实验结果表明，该算法80%的定位精度低于1 m，平均精度高达0.77 m。

基于自认证的并行多重签密方案684-688

摘要：签密思想是将签名和加密融为一体的构想，相比传统的先签名后加密的体制，它的计算量小和运算速度快。自认证免去了公钥证书的管理，能为系统节约成本。鉴于两者的优点，提出了一个基于自认证的并行多重签密方案，提供了多个签名者对同一消息进行签名，多个解签密者可以同时解密的思路，可广泛用于电子现金领域和秘钥管理领域及路由器的消息分发等领域。并用随机预言机的理论证明了新方案的安全性能。

一种面向多域云系统的扩展RBAC模型689-697

摘要：提出一种扩展的基于角色的访问控制ERBAC模型，以解决RBAC在多域云系统的资源使用约束、策略管理和互操作安全性等方面存在的不足。首先，通过引入容器元素和两类角色基数约束，构建了基于容器元素＋动态角色基数约束的资源使用策略；其次，深入研究了多域角色继承管理，提出基于先检测后建立角色关系的域间策略管理函数，并给出各类安全策略冲突检测算法。分析表明，ERBAC模型实现了资源使用约束、支持高效的安全策略管理，提高了跨域互操作的安全性，且性能测试说明了该模型在多域云系统中具有适应性和可行性。

基于可能图的攻击意图检测方法698-707

摘要：攻击图模型是网络风险评估的主要技术之一，其通过攻击步骤之间的因果关系来描述攻击者从初始状态到目标状态的攻击过程，分析的整个过程也是以某种形式化方式表述的图数据为基础的，但分析时很少考虑网络链路、网络拥塞、入侵报警等不确定性。结合不确定图的概念将攻击图扩展为可能攻击图（PAG），给出了可能攻击图的构建方法，同时基于可达概率提出了最大可达概率求解算法和最大攻击子图生成及最大可能攻击路径选取算法。实验结果表明，本文所提方法能够在可接受的时间内生成可能攻击图，并能够有效地推测出攻击意图，为作为网络管理员的管理方提供决策依据。

计算机工程与科学杂志软件工程

AltaRica 3.0模型到Promela模型转换与验证方法研究708-716

摘要：AltaRica语言用于安全关键系统的建模，其拥有一套完整的建模分析工具，但随着AltaRica3.0的更新，ARC等传统的AltaRica建模分析工具已不再支持，而SPIN作为一个穷尽式模型验证工具被广泛应用。介绍了AltaRica3.0相对于之前版本在表达能力方面的改进，以及其底层模型GTS的基本结构。以AltaRica3.0扁平化为GTS模型的思想为基础，提出了一种AltaRica3.0模型向Promela模型的转换规则。以民用飞机中机轮刹车系统WBS为例，建立了AltaRica3.0模型，并且通过转换规则转为Promela模型。最后根据民用航空标准SAE ARP 4761中对机轮刹车系统的安全性要求，利用SPIN工具对机轮刹车系统的安全属性进行了验证。

基于限界约束的安全相关性质的推理证明717-724

摘要：安全相关的性质如访问控制等在复杂环境下有十分重要的作用。从程序验证方面来说，不仅考虑安全性和活性的验证，还要考虑一些安全策略的性质，如非干涉性，这些不能用一般的性质来描述的安全策略可以被看作“超安全性质”。限界约束可通用地表示不同程度的访问频次限制，是安全相关性质验证中有效的辅助方法之一，在无线传感器网络协议、嵌入式系统等重要领域的性质验证方面具有广泛的应用价值。主要研究网络安全策略中的安全相关性质的限界表达及基于该限界约束的验证规则。

基于SAT求解器的故障树最小割集求解算法725-733

摘要：故障树分析广泛应用于核工业、航空航天和交通控制等安全攸关领域的安全性分析。求解故障树的最小割集是故障树分析的关键步骤。目前，对于大规模故障树的最小割集的求解方法主要是将故障树转化为二元决策图之后求解，其主要缺点在于算法在时间和空间上的消耗严重依赖良好的变量顺序。为了减少存储资源并加快求解速度，提出了一种基于可满足性问题的故障树最小割集求解算法。首先，将求解故障树最小割集问题转化为求解布尔可满足性问题。然后，利用可满足性问题求解器，通过迭代分析求得最小可满足解集合，即为对应故障树的最小割集。实验表明，本文算法求得的最小割集准确、有效并且在空间和时间上的消耗均要优于传统的基于二元决策图的故障树最小割集求解算法。

基于性质制导符号执行的Linux驱动程序缺陷检测研究734-739

摘要：驱动程序是操作系统的重要组成部分。驱动程序运行于内核态,其可靠性对于操作系统的安全可靠非常关键。针对Linux驱动程序,研究基于符号执行的驱动程序缺陷自动检测方法。提出了基于性质制导符号执行的Linux驱动程序缺陷检测框架,以及多性质制导的符号执行方法,支持针对多个缺陷性质的快速缺陷检测。在LLVM和KLEE的基础上实现了提出的框架和方法,并在实际的Linux驱动程序上开展了初步实验。实验效果表明了所提方法和检测框架的有效性和高效性。

一个基于两区间八边形约束的抽象域740-747

摘要：抽象解释静态程序分析技术用来发现运行时错误,保证程序正确性，已经被成功应用到工业界。抽象域是抽象解释理论中的一个重要方面,然而大部分已存在的数值抽象域无法表示程序的非凸性质,抽象域的这种凸性限制很多时候会影响数值分析的精度,甚至带来更多误报。基于两区间八边形约束,提出了一个新的数值抽象域,其约束形式为x±y∈［a,b］∪［c,d］,其中x和y表示变量取值,a,b,c,d∈R。该抽象域的域元素是用两区间八边形约束表示,因此可以表达某类非凸性质,表达能力强于经典的八边形抽象域,并且相对于八边形抽象域,域操作的计算复杂度并没有提高太多。