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編者按

今天，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)處不在，人工智能已經(jīng)向我們走來(lái)，“用代碼改變世界”的流行語(yǔ)不再是程序員的自我調(diào)侃。現(xiàn)代信息社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的依賴(lài)，很大程度上體現(xiàn)為對(duì)軟件的依賴(lài)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的缺陷很多情況下都由軟件問(wèn)題引發(fā)。軟件系統(tǒng)能否在操作錯(cuò)誤、環(huán)境影響、外部攻擊等干擾下，提供連續(xù)的服務(wù)，已成為一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為此，計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出了軟件“可信性”，這一在傳統(tǒng)的安全、可靠等概念基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新概念。早在十多年前，中國(guó)科學(xué)家分析認(rèn)為，軟件的運(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)環(huán)境必將從傳統(tǒng)的封閉、靜態(tài)環(huán)境向開(kāi)放、動(dòng)態(tài)、多變的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境轉(zhuǎn)變，“可信軟件”將成為現(xiàn)代軟件技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要趨勢(shì)和必然選擇。

2007年底，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)了“可信軟件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃，投入經(jīng)費(fèi)1.9億元，至2016年底結(jié)題。

該重大研究計(jì)劃實(shí)施的十年間，研究人員以國(guó)家關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域中軟件可信性問(wèn)題為主攻目標(biāo)，既有力推動(dòng)了軟件基礎(chǔ)理論的探索與創(chuàng)新，又有效應(yīng)對(duì)了軟件發(fā)展的重要科學(xué)挑戰(zhàn)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)軟件產(chǎn)業(yè)的振興與發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，還形成了一支以中青年人才為主力的高水平研究隊(duì)伍，培養(yǎng)了一批站在世界科學(xué)研究前沿的學(xué)科帶頭人。

本期基金版將總結(jié)該重大研究計(jì)劃取得的經(jīng)驗(yàn)，介紹面向航天嵌入式軟件、車(chē)聯(lián)網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)交易等三個(gè)行業(yè)的典型應(yīng)用示范，充分展示該項(xiàng)目取得的成績(jī)。

看準(zhǔn)趨勢(shì)

從“能不能”到“信不信”

2018年8月中旬，剛?cè)肭锏谋本┣宄恳延行┰S涼意，中關(guān)村附近的一個(gè)菜市場(chǎng)內(nèi)人群熙攘。挑選好幾樣蔬菜后，張大爺拿出兜里的智能手機(jī)，熟練地通過(guò)掃小攤上掛出的藍(lán)色二維碼支付了菜錢(qián)。和十多年前網(wǎng)上支付剛剛啟動(dòng)時(shí)的情況不同，今天，即使上了年紀(jì)的大爺大媽們，也不會(huì)因?yàn)閾?dān)心手機(jī)支付不安全，而拒絕使用支付寶綁卡、掃碼支付。

人們對(duì)支付軟件的信任，來(lái)源于軟件本身的“可信性”，意指軟件系統(tǒng)是否能在操作錯(cuò)誤、環(huán)境影響、外部攻擊等干擾下，依然提供連續(xù)的預(yù)期服務(wù)。

如今，以通信、存儲(chǔ)和計(jì)算為核心的信息基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)滲透人類(lèi)生活的方方面面，軟件對(duì)“可信性”的要求，顯然不限于網(wǎng)絡(luò)支付領(lǐng)域。

早在十多年前，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)家已經(jīng)注意到，隨著軟件的應(yīng)用需求越來(lái)越多，復(fù)雜度越來(lái)越高，可用性要求越來(lái)越強(qiáng)，軟件系統(tǒng)也越來(lái)越龐大、越來(lái)越脆弱。“軟件不總是可以讓人信任的，很多時(shí)候它并不以人們所期望的方式工作，會(huì)發(fā)生各種故障和失效，從而直接或間接地對(duì)用戶(hù)造成巨大損害。”中科院院士、華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件工程學(xué)院教授何積豐表示。

1996年6月4日，歐洲阿麗亞娜5型火箭在首次發(fā)射中由于慣性參考系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤導(dǎo)致軟件失效，發(fā)射40秒后爆炸，造成25億美元的經(jīng)濟(jì)損失。2005年11月1日，日本東京證券交易所由于軟件升級(jí)出現(xiàn)系統(tǒng)故障,導(dǎo)致股市停擺。2007年北京機(jī)場(chǎng)信息系統(tǒng)癱瘓，至少造成84個(gè)航班延誤。

在2017年12月舉行的國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)基金委）可信軟件基礎(chǔ)研究重大研究計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱(chēng)重大研究計(jì)劃）結(jié)束評(píng)估會(huì)上，作為指導(dǎo)專(zhuān)家組組長(zhǎng)的何積豐在報(bào)告中提及上述案例時(shí)，與會(huì)專(zhuān)家依然對(duì)過(guò)去種種因軟件可信性導(dǎo)致的損失感到萬(wàn)分惋惜。

時(shí)間回溯到2007年底，面對(duì)當(dāng)時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)交互、共享、協(xié)同等帶來(lái)的“不可信”因素，基金委在廣泛聽(tīng)取各界專(zhuān)家意見(jiàn)和反復(fù)深入研討的基礎(chǔ)上，由信息科學(xué)部、數(shù)學(xué)物理科學(xué)部和管理科學(xué)部聯(lián)合組織，及時(shí)啟動(dòng)了該重大研究計(jì)劃。

用何積豐的話(huà)說(shuō)，這是“我國(guó)軟件基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一件大事”。 “我們對(duì)軟件關(guān)注的重心從‘能不能’轉(zhuǎn)向了‘信不信’。”何積豐告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

此后，國(guó)家層面相繼啟動(dòng)了“863”計(jì)劃、“十二五”規(guī)劃等，支持相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。在業(yè)內(nèi)專(zhuān)家看來(lái)，正是該重大研究計(jì)劃的啟動(dòng)及基礎(chǔ)研究成果引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的發(fā)展。

需求導(dǎo)向

直指“卡脖子”問(wèn)題

圍繞可信軟件面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，科學(xué)家們將主攻問(wèn)題鎖定在國(guó)家關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，并按“以重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用需求為導(dǎo)向引領(lǐng)理論和技術(shù)研究、以理論和技術(shù)研究成果支撐綜合試驗(yàn)平臺(tái)的研制、以綜合試驗(yàn)平臺(tái)承載典型應(yīng)用示范”的路線(xiàn)實(shí)施該重大研究計(jì)劃。

2010年至2013年，科學(xué)家們?cè)陉懤m(xù)完成可信軟件理論體系和技術(shù)體系的積累后，將研究成果在各類(lèi)試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行示范，真正讓可信軟件技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)。

本文開(kāi)篇的場(chǎng)景中，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)支付的信任，得益于該重大研究計(jì)劃中建立的我國(guó)首個(gè)互聯(lián)網(wǎng)交易風(fēng)險(xiǎn)防控體系。這一體系已服務(wù)21個(gè)國(guó)家和地區(qū)的4億多支付寶實(shí)名用戶(hù)。該重大研究計(jì)劃科學(xué)家、同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授蔣昌俊介紹，該研究從運(yùn)用到實(shí)踐3年來(lái)為支付寶減少資產(chǎn)損失173.03億元，資金損失率僅為十萬(wàn)分之零點(diǎn)九，是發(fā)達(dá)國(guó)家同領(lǐng)域資金損失率的兩百分之一。

此外，還有1000多萬(wàn)行代碼應(yīng)用在我國(guó)探月工程、載人航天、北斗導(dǎo)航等型號(hào)的各類(lèi)航天嵌入式軟件中，打破國(guó)外技術(shù)壟斷的列車(chē)通信控制器，3年為支付寶減少170余億元損失的首個(gè)互聯(lián)網(wǎng)交易風(fēng)險(xiǎn)防控體系，連續(xù)4年沒(méi)有發(fā)生重大事故的電子稅務(wù)可信監(jiān)控，實(shí)車(chē)接入超過(guò)7萬(wàn)輛、世界上規(guī)模最大的實(shí)車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)系統(tǒng)……據(jù)統(tǒng)計(jì)，該重大研究計(jì)劃在重大示范應(yīng)用方面共完成項(xiàng)目15項(xiàng)，與長(zhǎng)城華冠、中航工業(yè)615所、航天五院、全路通、核九院、支付寶等機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，推動(dòng)國(guó)家安全相關(guān)行業(yè)自主可控技術(shù)發(fā)展。

談到收獲與感想，該重大研究計(jì)劃科學(xué)家、中國(guó)空間技術(shù)研究院楊孟飛院士表示：“重大研究計(jì)劃的實(shí)施過(guò)程中，我們邊研究、邊驗(yàn)證、邊應(yīng)用，軟件質(zhì)量顯著提高、研制效率顯著提升，逐步實(shí)現(xiàn)了從局部到系統(tǒng)、從依賴(lài)人到依賴(lài)工具的轉(zhuǎn)變。”楊孟飛院士介紹，“集成項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，軟件交付的缺陷率顯著下降，百余個(gè)航天器在軌運(yùn)行未發(fā)生軟件質(zhì)量問(wèn)題。”

在科學(xué)家們看來(lái)，以需求為導(dǎo)向開(kāi)展基礎(chǔ)研究，切實(shí)解決了諸多領(lǐng)域中的“卡脖子”問(wèn)題，有力支撐了國(guó)家戰(zhàn)略。

完善體系

引領(lǐng)該領(lǐng)域由弱到強(qiáng)

在重大應(yīng)用示范取得成功的背后，離不開(kāi)基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)的突破。該重大研究計(jì)劃啟動(dòng)之初，指導(dǎo)專(zhuān)家便對(duì)長(zhǎng)達(dá)十年的科學(xué)研究繪制了藍(lán)圖，不僅提出了科學(xué)目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容要點(diǎn)和核心科學(xué)問(wèn)題，還精心對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分解，制訂了進(jìn)度計(jì)劃。

十年里，科學(xué)家們圍繞“軟件可信性度量與建模”“可信軟件的構(gòu)造與驗(yàn)證”“可信軟件的演化與控制”和“可信環(huán)境的構(gòu)造與評(píng)估”等四個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題取得了豐碩成果。

“共發(fā)表2641篇論文，其中SCI檢索803篇，EI檢索1495篇；國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)共計(jì)12項(xiàng)，省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)31項(xiàng)。”何積豐用數(shù)據(jù)勾勒出該重大研究計(jì)劃取得成果的概況。

這些數(shù)據(jù)反映的是，我國(guó)可信軟件基礎(chǔ)理論研究實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。例如，可信軟件理論與方法元級(jí)框架的提出，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)正確性向開(kāi)放、動(dòng)態(tài)、多變環(huán)境下的軟件可信性跨越；標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)化的可信計(jì)算環(huán)境構(gòu)造與評(píng)估體系的建立，實(shí)現(xiàn)了從部分環(huán)節(jié)可信計(jì)算向全棧化可信計(jì)算跨越；軟件過(guò)程和制品的可信性度量體系的建立，實(shí)現(xiàn)了從分散的可信側(cè)面度量向系統(tǒng)化度量跨越；網(wǎng)絡(luò)軟件監(jiān)控與演化的一體化設(shè)計(jì)體系的提出，實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)補(bǔ)丁式演化向動(dòng)態(tài)模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)的跨越。

同時(shí)，基礎(chǔ)研究的跨越發(fā)展?fàn)恳龓?dòng)了技術(shù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性突破，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)集成，為軟件全生命周期工具集的設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。例如，提出了基于基準(zhǔn)測(cè)試的代碼級(jí)可信保障工具評(píng)價(jià)方法，研制了一批自主軟件工具，建立了基于虛擬機(jī)架構(gòu)的可信云計(jì)算支撐環(huán)境。

2016年，英國(guó)皇家工程院院士、英國(guó)倫敦大學(xué)教授彼得·奧赫閱讀中國(guó)學(xué)者在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議“計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證”（CAV）發(fā)表的論文后，高度評(píng)價(jià)稱(chēng)“這正是我所渴望的工作”。

十年來(lái)，一支以中青年人才為主力的高水平研究隊(duì)伍、一批站在世界科學(xué)研究前沿的學(xué)科帶頭人，也在該重大研究計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中成長(zhǎng)起來(lái)。來(lái)自我國(guó)70多家單位的1000多名計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)者合力攻關(guān)，共同推動(dòng)我國(guó)可信軟件實(shí)現(xiàn)從小到大、從散到整、由弱到強(qiáng)的跨越式發(fā)展，進(jìn)入該研究領(lǐng)域國(guó)際先進(jìn)行列。

面向未來(lái)，何積豐表示：“為鞏固和輻射本重大研究計(jì)劃的成果，應(yīng)及時(shí)建設(shè)可信軟件開(kāi)發(fā)資源共享與服務(wù)平臺(tái)，充分利用群體智慧，建立形成可信軟件的開(kāi)放數(shù)據(jù)、開(kāi)放服務(wù)、讓合作開(kāi)發(fā)成為可能。”

同時(shí)，科學(xué)家們也期待，在可信軟件與人工智能交叉的新領(lǐng)域有所作為，以滿(mǎn)足我國(guó)工業(yè)4.0和機(jī)器人等國(guó)家創(chuàng)新計(jì)劃對(duì)可信智能化軟件不斷增長(zhǎng)的迫切需求。

摘自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》