Основные понятия
Надежность программного обеспечения - способность программного продукта безотказно выполнять определенные функции при заданных условиях в течение заданного периода времени с достаточно большой вероятностью.
Степень надежности характеризуется вероятностью работы программного продукта без отказа в течение определенного периода времени.
Существует 4 основные составляющие функциональной надежности программных систем:
- безотказность - свойство программы выполнять свои функции во время эксплуатации;
- работоспособность - свойство программы корректно (так как ожидает пользователь) работать весь заданный период эксплуатации;
- безопасность - свойство программы быть не опасной для людей и окружающих систем;
- защищенность - свойство программы противостоять случайным или умышленным вторжениям в нее.
Модель анализа надежности программных средств
Факторы, влияющие на надежность ПО
К числу основных факторов, влияющих на надежность ПО отнесены:
- взаимодействие ПО с внешней средой (программно-аппаратная средства, трансляторы, ОС). Этот фактор вносит наименьший вклад в надежность ПО при современном уровне надежности аппаратуры, ОС и компиляторов;
- взаимодействие с человеком (разработчиком и пользователем) (см. например метрику Холстеда);
- организация ПО (проектирование, постановка задачи и способы их достижения и реализации) и качество его разработки. Этот фактор вносит наибольший вклад в надежность;
- тестирование.
Ошибки ПО
В борьбе со сложностью ПО используются две концепции:
Иерархическая структура. Иерархия позволяет разбить систему по уровням понимания (абстракции, управления). Концепция уровней позволяет анализировать систему, скрывая несущественные для данного уровня детали реализации других уровней. Иерархия позволяет понимать, проектировать и описывать сложные системы.
Независимость. В соответствии с этой концепцией, для минимизации сложности, необходимо максимально усилить независимость элементов системы. Это означает такую декомпозицию системы, чтобы её высокочастотная динамика была заключена в отдельных компонентах, а межкомпонентные взаимодействия (связи) описывали только низкочастотную динамику системы.
Методы обнаружения ошибок, которые базируются на введении в ПО системы различных видов избыточности:
Временная избыточность. Использование части производительности ЭВМ для контроля исполнения и восстановления работоспособности ПО после сбоя.
Информационная избыточность. Дублирование части данных информационной системы для обеспечения надёжности и контроля достоверности данных.
Программная избыточность включает в себя: взаимное недоверие - компоненты системы проектируются, исходя из предположения, что другие компоненты и исходные данные содержат ошибки, и должны пытаться их обнаружить; немедленное обнаружение и регистрацию ошибок; выполнение одинаковых функций разными модулями системы и сопоставление результатов обработки; контроль и восстановление данных с использованием других видов избыточности.
Задача обеспечения устойчивости ПО к ошибкам направлены на применение методов минимизации ущерба, вызванного появлением ошибок, и включают в себя:
- обработку сбоев аппаратуры;
- повторное выполнение операций;
- динамическое изменение конфигурации;
- сокращенное обслуживание в случае отказа отдельных функций системы;
- копирование и восстановление данных;
- изоляцию ошибок.
Дается 4 группы принципов обеспечения надежности:
- предупреждение ошибок;
- обнаружение ошибок;
- исправление ошибок;
- обеспечение устойчивости к ошибкам.
Действия, направленные на минимизацию ошибок и сбоев:
- предотвращение ошибок за счет структурного программирования;
- сокрытие информации или дозированный доступ к данным со стороны программных средств и объектов в объектно-ориентированном программировании;
- отладка;
- устойчивость к сбоям;
- обработка исключительных ситуаций (перехват ошибок, например, деление на ноль) и локализация ошибок и сбоев;
- восстановление программы после сбоя
В соответствии с ГОСТ 19.004-80 различают следующие виды работ, направленные на устранение ошибок в ПО: проверка, отладка и испытание программы.
Чем интенсивнее использование программного изделия (ПИ), тем быстрее выявляются в нем ошибки. На рисунке приведена зависимость числа обнаруженных ошибок от числа использующих ПИ пользователей:
где K – число пользователей, K1 > K2 > K3.
Рис. 1 Интенсивность обнаружения ошибок от интенсивности использования
Процентные частоты появления ошибок в ПО по типам ошибок представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Процентные частоты появления ошибок в ПО
| ТИП ОШИБКИ | ЧАСТОТА ПОЯВЛЕНИЯ, % |
| Не полная или ошибочная спецификация | |
| Отклонение от спецификации | |
| Пренебрежение правилами программирования | |
| Ошибочная выборка данных | |
| Ошибочная логика или последовательность операций | |
| Ошибочные арифметические операции | |
| Нехватка времени для решения | |
| Ошибка обработки прерываний | |
| Ошибка в исходных данных | |
| Неточная запись |
Как видно из таблицы 1 основное количество ошибок делается из-за неверной спецификации или ТЗ. Эти ошибки, в свою очередь, могут быть разделены на следующие категории:
Таблица 2 – Категории ошибок в ПО
| ПРИЧИНА ОШИБКИ | ЧАСТОТА ПОЯВЛЕНИЯ, % |
| Ошибки в числовых значениях | |
| Недостаточные требования к точности | |
| Ошибочные символы или знаки | |
| Ошибки оформления | |
| Неправильное описание или требование к аппаратуре | |
| Исходные данные для разработки неполные, неточные или ошибочные | |
| Двусмысленность требований |
Из этих таблиц, кстати, следует, на что нужно обращать особое внимание при проведении валидации и верификации ПО (верификация отвечает на вопрос, правильно ли и качественно ли создана программа, а валидация (или аттестация) - на вопрос правильно ли работает программа).
1.4. Средства и способы повышения надёжности ПО
На основании методов обнаружения ошибок были разработаны следующие средства повышения надёжности ПО.
Средства, использующие временную избыточность: авторизация доступа пользователей к системе, анализ доступных пользователю ресурсов, выделение ресурсов согласно ролям и уровням подготовки пользователей, разграничение прав доступа пользователей к отдельным задачам, функциям управления, записям и полям баз данных.
Средства обеспечения надёжности, использующие информационную избыточность: ссылочная целостность баз данных обеспечивается за счёт системы внутренних уникальных ключей для всех информационных записей системы, открытая система кодирования, позволяющая пользователю в любой момент изменять коды любых объектов классификации, обеспечивает стыковку системы классификации АИС делопроизводство с ПО других разработчиков, механизмы проверки значений контрольных сумм записей системы, обеспечивают выявление всех несанкционированных модификаций (ошибок, сбоев) информации.
Способы обеспечения и повышения надежности ПО:
- усовершенствование технологии программирования (например, формальное описание этапов программирования при помощи языка UML);
- выбор алгоритмов, не чувствительных к различного рода нарушениям вычислительного процесса (использование алгоритмической избыточности);
- резервирование программ - N -версионное программирование;
- верификация и валидация программ с последующей коррекцией.
