Тема 3.2. Занятие № 17.
Методы определения показателей качества программных средств.
1. Основные понятия надёжности систем.
2. Показатели качества и надёжности.
3. Методы обеспечения надёжности программных средств.
Основные понятия надежности систем.
По определению, установленному в ГОСТ 13377-75, надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Таким образом, надежность является внутренним свойством системы, заложенным при ее создании и проявляющимся во времени при функционировании и эксплуатации.
Свойства надежности изделий изучаются теорией надежности, которая является системой определенных идей, математических моделей и методов, направленных на решение проблем предсказания, оценки и оптимизации различных показателей надежности. Надежность технических систем определяется в основном двумя факторами: надежностью компонентов и дефектами в конструкции, допущенными при проектировании или изготовлении Относительно невысокая физическая надежность компонентов, их способность к разрушению, старению или снижению надежности в процессе эксплуатации привели к тому, что этот фактор оказался доминирующим для большинства комплексов аппаратуры. Этому способствовала также невысокая сложность многих технических систем, вследствие чего дефекты проектирования проявлялись относительно редко.
Надежность сложных программных средств определяется этими же факторами, однако доминирующими являются дефекты и ошибки проектирования, так как физическое хранение программ на магнитных носителях характеризуется очень высокой надежностью. Программа любой сложности и назначения при строго фиксированных исходных данных и абсолютно надежной аппаратуре исполняется по однозначно определенному маршруту и дает на выходе строго определенный результат. Однако случайное изменение исходных данных и накопленной при обработке информации, а также множество условных переходов в программе создают огромное число различных маршрутов исполнения каждого сложного ПС. Источниками ненадежности являются не проверенные сочетания исходных данных, при которых функционирующее ПС дает неверные результаты или отказы. В результате комплекс программ не соответствует требованиям функциональной пригодности и работоспособности.
При применении понятий надежности к программным средствам следует учитывать особенности и отличия этих объектов от традиционных технических систем, для которых первоначальноразрабатывалась теория надежности:
· не для всех видов программ применимы понятия и методы теории надежности — их можно использовать только к программным средствам, функционирующим в реальном времени и непосредственно взаимодействующим с внешней средой;
· при оценке качества программных компонентов к ним неприменимы понятия надежности функционирования, если при обработке информации они не используют значения реального времени и не взаимодействуют непосредственно с внешней средой;
· доминирующими факторами, определяющими надежность программ являются дефекты и ошибки проектирования и разработки, и второстепенное значение имеет физическое разрушение программных компонентов при внешних воздействиях;
· относительно редкое разрушение программных компонентов и необходимость их физической замены приводят к принципиальному изменению понятий сбоя и отказа программы и к разделению их по длительности восстановления относительно некоторого допустимого времени простоя для функционирования информационной системы;
· для повышения надежности комплексов программ особое значение имеют методы автоматического сокращения длительности восстановления и преобразования отказов в кратковременны е сбои путем введения в программные средства временной программной и информационной избыточности;
· непредсказуемость места, времени и вероятности проявления дефектов и ошибок, а также их редкое, обнаружение при реальной эксплуатации достаточно надежных программных средств не позволяют эффективно использовать традиционные методы априорного расчета показателей надежности сложных систем ориентированные на стабильные, измеряемые значения надежности составляющих компонентов;
· традиционные методы форсированных испытаний надежности систем путем физического воздействия на их компоненты неприменимы для программных средств, и их следует заменять на методы форсированного воздействия информационных потоков внешней среды.
С учетом перечисленных особенностей применение основных понятий теории надежности сложных систем к жизненному циклу и оценке качества комплексов программ позволяет адаптировать и развивать эту теорию в особом направлении — надежности программных средств. Предметом изучения теории надежности комплексов программ (Software Reliability) является работоспособность сложных программ обработки информации в реальном времени. К задачам теории и анализа надежности сложных программных средств можно отнести следующие:
· формулирование основных понятий, используемых при исследовании и применении показателей надежности программных средств;
· выявление и исследование основных факторов, определяющих характеристики надежности сложных программных комплексов
· выбор и обоснование критериев надежности для комплексов программ различного типа и назначения;
· исследование дефектов и ошибок, динамики их изменения при отладке и сопровождении, а также влияния на показатели надёжности программных средств;
· исследование и разработка методов структурного построения сложных ПС, обеспечивающих их необходимую надежность;
· исследование методов и средств контроля и защиты от искажений программ, вычислительного процесса и данных путем использования различных видов избыточности и помехозащиты;
· разработка методов и средств определения и прогнозирования характеристик надежности в жизненном цикле комплексов программ с учетом их функционального назначения, сложности, структурного построения и технологии разработки.
Результаты решения этих задач являются основой для создания современных сложных программных средств с заданными показателями надежности. Использование и объединение результатов экспериментальных и теоретических исследований надежности ПС позволили заложить основы теории и методов в этой области. В жизненном цикле ПС значения показателей качества и надежности компонентов и комплексов программ в целом рекомендуется непрерывно анализировать и прогнозировать с целью гарантированного обеспечения заданных показателей надежности. В реальных проектах работы по исследованию и обеспечению надежности программ целесообразно выделять в отдельную группу под единым руководством со специальным планом.
В основе теории надежности лежат понятия о двух возможных состояниях объекта или системы: работоспособном и неработоспособном. Работоспособным называется такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции с: параметрами, установленными технической документацией. В процессе функционирования возможен переход объекта из работоспособного состояния в неработоспособное и обратно. С этими переходами связаны события отказа и восстановления.
Определение степени работоспособности системы предполагает наличие в ней средств, способных установить соответствие характеристик требованиям технической документации. Для этого должны использоваться методы и средства контроля и диагностики функционирования системы. Глубина и полнота проверок, степень автоматизации контрольных операций, длительность и порядок их выполнения влияют на работоспособность системы и достоверность ее оценки. Методы и средства диагностического контроля предназначены для установления степени работоспособности системы, локализации отказов, определения их характеристик и причин, скорейшего восстановления работоспособности, для накопления, обобщения и анализа данных, характеризующих работоспособность системы. Диагноз состояния системы принято делить на тестовый и функциональный. При тестовом диагнозе используются специально подготовленные исходные данные и эталонные результаты, которые позволяют проверять работоспособность определенных компонентов системы. Функциональный диагноз организуется на базе реальных исходных данных, поступающих в систему при ее использовании по прямому назначению. Основные задачи технической диагностики включают в себя:
· контроль исправности системы и полного соответствия ее состояния и функций технической документации;
· проверку работоспособности системы и возможности выполнения всех функций в заданном режиме работы в любой момент времени с характеристиками, заданными технической документацией;
· поиск, выявление и локализацию источников и результатов сбоев, отказов и неисправностей в системе.
Показатели качества и надежности программных средств.
Формализации показателей качества программных средств посвящена группа нормативных документов. В международном стандарте ISO 9126:1991 при отборе минимума стандартизируемых показателей выдвигались и учитывались следующие принципы: ясность и измеряемость значений, отсутствие перекрытия между используемыми показателями, соответствие установившимся понятиям и терминологии, возможность последующего уточнения и детализации. Выделены характеристики, которые позволяют оценивать ПС с позиции пользователя, разработчика и управляющего проектом.
Функциональная пригодность детализируется пригодностью применения, точностью, защищенностью, способностью к взаимодействию и согласованностью со стандартами и правилами проектирования.
Надежность рекомендуется характеризовать уровнем завершенности (отсутствия ошибок), устойчивостью к ошибкам и перезапускаемостью.
Применимость предлагается описывать понятностью обучаемостью и простотой использования.
Эффективность рекомендуется характеризовать ресурсной временной экономичностью.
Сопровождаемость характеризуется удобством для анализа, изменяемостью, стабильностью и тестируемостью.
Переносимость предлагается отражать адаптируемостью, структурированностью, замещаемостью и внедряемостью.
Характеристики и субхарактеристики в стандарте определены очень кратко, без комментариев и рекомендаций по их применению к конкретным системам и проектам.
Функциональная пригодность — это набор атрибутов, определяющий назначение, номенклатуру, основные необходимые и достаточные функции ПС, заданные техническим заданием заказчика или потенциального пользователя. В процессе проектирования ПС атрибуты функциональной пригодности конкретизируются в спецификации на компоненты. Эти атрибуты можно численно представить точностью вычислений, относительным числом поэтапно изменяемых функций, числом спецификаций требований заказчиков и т.д. В наиболее общем виде функциональная пригодность проявляется в корректности и надежности ПС.
Надежная программа прежде всего должна обеспечивать достаточно низкую вероятность отказа в процессе функционирования в реальном времени. Быстрое реагирование на искажения программ, данных или вычислительного процесса и восстановление работоспособности за время, меньшее, чем порог между сбоем и отказом, обеспечивают высокую надежность программ. При этом некорректная программа может функционировать абсолютно надежно. В реальных условиях по различным причинам исходные данные могут попадать в области значений, вызывающих сбои, не проверенные при испытаниях, а также не заданные требованиями спецификации и технического задания. Если в этих ситуациях происходит достаточно быстрое восстановление, такое, что не фиксируется отказ, то такие события не влияют на основные показатели надежности — наработку на отказ и коэффициент готовности. Следовательно, надежность функционирования программ является понятием динамическим, проявляющимся времени, и существенно отличается от понятия корректности программ.
Основным принципом классификации сбоев и отказов в программахпри отсутствии их физического разрушения является разделение по временному показателю длительности восстановления после любого искажения программ, данных или вычислительного процесса, регистрируемого как нарушение работоспособности. При длительности восстановления, меньшей заданного порога, дефекты и аномалии при функционировании программ следует относить к сбоям, апри восстановлении, превышающем по длительности пороговое значение, происходящее искажение соответствует отказу. Классификация программных сбоев и отказов по длительности восстановления приводит к необходимости анализа динамических характеристик абонентов, являющихся потребителями данных, обработанных исследуемым ПС, а также временных хактеристик функционирования программ. Временная зона перерыва нормальной выдачи информации и потери работоспособности, которую следует рассматривать как зону сбоя, тем шире, чем ее инертный объект находится под воздействием сообщений, подготовленных данным ПС. Пороговое время восстановления работоспособного состояния системы, при превышении которого следует фиксировать отказ, близко к периоду решения задач для подготовки информации соответствующему абоненту. При нормальном темпе решения задач и выдаче их результатов потребителю отклонения его характеристик от траектории, рассчитываемой ПС, находятся в допустимых пределах. Для любого потребителя информации существует допустимое время отсутствия данных от ПС, при котором его характеристики, изменяясь по инерции, достигают предельного отклонения от значения, которое должно быть рассчитано программами. Соответствующая этому отклонению временная зона перерыва выдачи информации потребителю позволяет установить границу допустимой длительности нарушения работоспособности, которая разделяет зоны сбоев и отказов.
Надежность функционирования ПС наиболее широко характеризуется устойчивостью, или способностью к безотказному функционированию, и восстанавливаемостью работоспособного состояния после произошедших сбоев или отказов.
Восстанавливаемость характеризуется полнотой и длительностью восстановления функционирования программ в процессе запуска — рестарта. Перезапуск должен обеспечивать возобновление нормального функционирования ПС, на что требуются ресурсы ЭВМ и время. Поэтому полнота и длительность восстановления функционирования после сбоев отражают качество, надежность ПС и возможность его использования по прямому назначению.
Показатели надежности ПС в значительной степени адекватны аналогичным характеристикам, принятым для других техническихсистем. Наиболее широко используется критерий длительности наработки на отказ. Для определения этой величины измеряете время работоспособного состояния системы между двумя последовательными отказами или началом нормального функционирования системы после них. Вероятностные характеристики этой величины в нескольких формах используются как разновидности критериев надежности. Критерий надежности восстанавливаемых систем учитывает возможность многократных отказов и восстановлений. Для оценки надежности таких систем, которыми чаще всего являются сложные ПС, кроме вероятностных характеристик наработки на отказ, важную роль играют характеристики функционирования после отказа в процессе восстановления. Основным показателем процесса восстановления являются длительность восстановления и ее вероятностные характеристики. Этот критерий учитывает возможность многократных отказов и восстановлений. Обобщение характеристик отказов и восстановлений производится в критерии коэффициент готовности. Этот показатель отражает вероятность иметь восстанавливаемую систему в работоспособном состоянии в произвольный момент времени. Значение коэффициента готовности соответствует доле времени полезной работы системы на достаточно большом интервале, содержащем отказы и восстановления.
Наработка на отказ учитывает ситуации потери работоспособности, когда длительность восстановления достаточно велика и превышает пороговое значение времени, разделяющее события сбоя и отказа. При этом большое значение имеют средства оперативного контроля и восстановления. Качество проведенной отладки программ более полно отражает значение длительности между потерями работоспособности программ — наработка на отказовую ситуацию, или устойчивость, независимо от того, насколько быстро произошло восстановление. Средства оперативного контроля и восстановления не влияют на наработку на отказовую ситуацию, однако могут значительно улучшать показатели надежности программ. Поэтому при оценке необходимой отладки целесообразно измерять и контролировать наработку на отказовую ситуацию, а объем и длительность тестирования в ряде случаев устанавливать по наработке на отказ с учетом эффективности средств рестарта.
