淺探軟件可靠性工程的應用

摘要：本文就武器裝備軟件開(kāi)發(fā)的現狀和中存在的問(wèn)題，介紹了軟件可靠性工程的發(fā)展及其研究的內容，對軟件可靠性工程如何在軟件開(kāi)發(fā)中應用進(jìn)行了重點(diǎn)說(shuō)明，并提供了成功應用軟件可靠性工程的典型案例，指出軟件可靠性工程研究的必要性。

關(guān)鍵詞： 軟件 可靠性工程

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算機技術(shù)被越來(lái)越多地應用到武器系統中。計算機軟件的復雜程度隨著(zhù)功能的增強，因而系統的可靠性也越來(lái)越與軟件直接相關(guān)。例如AFTI/F-16飛機首航因軟件問(wèn)題推遲1年，事先設計的先進(jìn)程序wu法使用；海灣戰爭中F/A–18飛機飛行控制系統計算機500次故障中，軟件故障次數超過(guò)硬件。軟件可靠性成為我們關(guān)注的1個(gè)問(wèn)題，本文僅就軟件可靠性工程在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應用談?wù)勛约旱恼J識。
1、軟件可靠性工程的基本概念及發(fā)展
1.1什么是軟件可靠性工程
軟件可靠性工程簡(jiǎn)單地說(shuō)就是對基于軟件產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行預測、建模、估計、度量及管理，軟件可靠性工程貫穿于軟件開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程。
1.2軟件可靠性工程的發(fā)展歷程
軟件可靠性問(wèn)題獲得重視是2十世紀60年代末期，那時(shí)軟件危機被廣泛討論，軟件不可靠是造成軟件危機的重要原因之1。1972年正式提出Jelinski—Moranda模型，標志著(zhù)軟件可靠性系統研究的開(kāi)始。在70年代．軟件可靠性的理論研究獲得很大發(fā)展，1方面提出了數十種軟件可靠性模型，另1方面是軟件容錯的研究。在80年代，軟件可靠性從研究階段逐漸邁向工程化。進(jìn)入90年代后，軟件可靠性逐漸成為軟件開(kāi)發(fā)考慮的主要因素之1，軟件可靠性工程在軟件工程領(lǐng)域逐漸取得相對獨立的地位，成為1個(gè)生機勃勃的分支。
1.3軟件可靠性工程研究的基本問(wèn)題
軟件可靠性工程的主要目標是保證和提高軟件可靠性。為達到這1目標，首先要弄清軟件為什么會(huì )出現故障或失效。只有這樣，才有可能在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中減少導致軟件故障或失效的隱患，且1旦出現軟件故障或失效，有可能采取有效措施加以清除。但是軟件是開(kāi)發(fā)出來(lái)的，滿(mǎn)足可靠性要求的軟件也是開(kāi)發(fā)出來(lái)的，因此，軟件可靠性工程的核心問(wèn)題是如何開(kāi)發(fā)可靠的軟件。而有了軟件，又該如何檢驗其是否滿(mǎn)足可靠性要求?這是軟件可靠性工程的又1個(gè)問(wèn)題。
2、軟件可靠性工程在軟件開(kāi)發(fā)中的應用
2.1項目開(kāi)發(fā)計劃及需求分析階段
在項目開(kāi)發(fā)計劃階段需根據產(chǎn)品具體要求作出軟件項目開(kāi)發(fā)計劃，明確項目的目的、條件、運行環(huán)境、軟件產(chǎn)品要求、人員分工和職責及進(jìn)度，并估計產(chǎn)品的可靠性。需求分析階段要根據項目開(kāi)發(fā)計劃階段確定軟件開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)、次要任務(wù)和其它任務(wù)，并設計軟件程序的基本流程、軟件結構、模塊的定義和輸入輸出數據、接口和數據結構等同時(shí)應對項目開(kāi)發(fā)計劃階段作出的可靠性預計進(jìn)1步細化形成可靠性需求，建立具體的可靠性指標。這個(gè)階段的可靠性工作1般應如下安排：
⑴確定功能概圖
所謂功能概圖就是產(chǎn)品的各種功能及其在不同環(huán)境條件下使用的概率。為確立功能概圖必須定義產(chǎn)品的功能，功能定義不但包括要完成的任務(wù)，還包括影響處理的環(huán)境因素。
⑵對失效進(jìn)行定義和分類(lèi)
這里應從用戶(hù)的角度來(lái)定義產(chǎn)品失效，將軟件和硬件失效及操作程序上的失效區分開(kāi)，并將其按嚴重程度進(jìn)行分類(lèi)。
⑶確定用戶(hù)的可靠性要求
在這個(gè)階段應由系統設計師、軟件設計師、可靠性師、測試人員及用戶(hù)方代表可靠性評估小組共同根據用戶(hù)提出的系統可靠性來(lái)確定軟件的可靠性。
⑷進(jìn)行平衡關(guān)系研究
通常應考慮可靠性和功能之間的關(guān)系以及可靠性、開(kāi)發(fā)費用和開(kāi)發(fā)周期之間的關(guān)系。1般來(lái)說(shuō)，增加功能會(huì )導致可靠性降低，可靠性提高的程度1般與測試加強程度相對應，這意味著(zhù)時(shí)間和費用的增加。
⑸建立可靠性指標
在這個(gè)階段應對每種失效分別建立可靠性指標。通常，首先建立系統可靠性指標，然后在硬件和軟件間分配。影響建立可靠性指標的因素主要有：合同或有關(guān)標準中明確規定的可靠性指標，相似產(chǎn)品的可靠性指標，產(chǎn)品的質(zhì)量保證，使用已有模塊的可靠性，技術(shù)能力和局限（如容錯技術(shù)的使用）等。
2.2軟件設計和功能實(shí)現階段
軟件設計是對上1階段定義的每1個(gè)功能模塊逐步細化，確立系統體系結構，形成若干可編程的模塊。說(shuō)明硬件和軟件模塊之間的接口及它們與外部環(huán)境的接口，詳細描述各模塊的輸入、處理過(guò)程及輸出。功能實(shí)現是根據設計方案進(jìn)行軟件編程。該階段主要應做：
⑴在模塊間分配可靠性指標
定義系統體系結構時(shí)，應將系統分解成模塊同時(shí)保證總體可靠性指標。進(jìn)行系統分解是應考慮以下因素：系統的物理特性、以前收集的數據的特性及收集數據需要的工作量等。確定每個(gè)模塊的可靠性要求時(shí)，首先進(jìn)行可靠性分配，然后根據試分配值計算系統的可靠性。這樣及時(shí)調整，使各模塊開(kāi)發(fā)周期、難度和風(fēng)險大致相當，系統的開(kāi)發(fā)費用也才能降至最低。
⑵按可靠性指標進(jìn)行設計
目前，可靠性設計有以下幾種方法：設計恢復策略、使用冗余軟件單元、鑒別高風(fēng)險區域。設計恢復策略是指軟件只須重新啟動(dòng)即可消除失效的設計，設計恢復應能保存修復可能破壞的數據，應具備確定失效發(fā)生時(shí)間和阻止繼續運行的機制，以減少程序數據的破壞。使用冗余軟件單元時(shí)是采用與原軟件單元不同的冗余軟件單元來(lái)提高可靠性。鑒別高風(fēng)險區域采用FMEA（失效類(lèi)型與后果分析）和FTA（錯誤樹(shù)分析）的方法來(lái)進(jìn)行可靠性分析。
⑶根據功能概圖集中資源配置
根據功能概圖把人力、物力等資源用到用戶(hù)認為最重要的地方。
⑷控制錯誤的引入和傳播
錯誤是引起軟件失效的根本原因，所以控制每個(gè)開(kāi)發(fā)步驟中引入的錯誤數目及未被察覺(jué)的而傳入下1步的錯誤數目，對于控制產(chǎn)品的可靠性是非常重要的。錯誤控制受多種因素影響，其中主要有：
a.構造模塊化系統;
b.進(jìn)行軟件重用; 
c.進(jìn)行單元和集成測試，阻止錯誤向下1開(kāi)發(fā)步驟傳播;
d.進(jìn)行檢查和復核;
e.控制改動(dòng)。
⑸度量現成軟件的可靠性
如果在產(chǎn)品中使用現成的未在本產(chǎn)品中開(kāi)發(fā)或測試過(guò)的軟件，必須對其進(jìn)行可靠性證明，證明其可靠性指標在可以接受的范圍內方可采用。2.3系統測試和現場(chǎng)試運行階段
系統測試和現場(chǎng)運行以確認產(chǎn)品的軟件要求是否得到滿(mǎn)足，用戶(hù)是否可以實(shí)際應用。系統測試階段是開(kāi)發(fā)過(guò)程階段的最后階段，如果措施得當，可以在產(chǎn)品首次使用前進(jìn)1步提高可靠性�，F場(chǎng)試運行階段在用戶(hù)環(huán)境中驗證產(chǎn)品的各種說(shuō)明及系統測試所得的可靠性指標。這個(gè)階段的工作有以下工作：
⑴確定操作概圖
操作概圖是指實(shí)現系統功能的操作及其概率的集合，1個(gè)操作可以是特定環(huán)境下執行的1條命令，或同時(shí)附有限定范圍內的參數或輸入變量集。確定操作概圖是測試計劃的1個(gè)重要部分，1般在系統測試階段之前由測試計劃人員，在系統設計師和軟件設計人員的協(xié)助下完成。
⑵進(jìn)行可靠性增強測試
在系統測試階段需進(jìn)行可靠性增強測試。在可靠性增強測試中，系統測試員根據操作概圖描述各種操作的現場(chǎng)發(fā)生概率，按比例的執行測試用例，通過(guò)模仿用戶(hù)的應用方式可靠性增強測試，易于發(fā)現令用戶(hù)最不滿(mǎn)意的失效，能夠反映出用戶(hù)使用時(shí)的可靠性感受。
⑶根據測試進(jìn)展并證明可靠性指標是否達到要求
在可靠性增強測試中，要收集失效數據，利用已有或自行設計并經(jīng)驗證的可靠性工具跟蹤測試進(jìn)展及規劃必須的額外測試，根據進(jìn)展情況在系統測試進(jìn)行中可以對資源和進(jìn)度安排隨時(shí)做必要的調整。
⑷現場(chǎng)可靠性評估
系統測試階段完成后，轉入現場(chǎng)試運行階段。在試運行中，從現場(chǎng)收集失效數據，利用此數據和軟件工具評估現場(chǎng)可靠性，然后與系統測試結束后測得的可靠性相比較，同時(shí)對可靠性差異的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。
2.4維護階段
維護階段是在產(chǎn)品用戶(hù)使用過(guò)程中改正軟件暴露出來(lái)的與失效有關(guān)的錯誤。在這個(gè)階段監視產(chǎn)品現場(chǎng)運行的可靠性，并和預定指標及用戶(hù)的滿(mǎn)意程度進(jìn)行對照比較，以便提高后繼版本的可靠性，改進(jìn)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的質(zhì)量。此階段主要做的工作是：
⑴用可靠性模型規劃產(chǎn)品交付使用之后的人員需求，如：用戶(hù)恢復失效操作的人員，承制方處理用戶(hù)報告的失效的人員，承制方處理與用戶(hù)報告的失效有關(guān)的錯誤的軟件開(kāi)發(fā)人員。
⑵監視現場(chǎng)可靠性是否達到預期指標，根據其間的差距采取相應的措施。同時(shí)還應跟蹤用戶(hù)是否滿(mǎn)意，根據不滿(mǎn)意的情況，進(jìn)行必要的現場(chǎng)支持服務(wù)及產(chǎn)品改動(dòng)。
⑶當加入新的功能時(shí)，通過(guò)監視可靠性，消除由此帶來(lái)的失效強度增加。
⑷分析軟件交付使用后的失效產(chǎn)生原因，指導工程的改進(jìn)，降低引入類(lèi)似錯誤的可能性。
3、軟件可靠性工程成功應用的實(shí)例
美國AT&T公司的國際DEFINITYR程控交換機部在系統軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中應用了軟件可靠性工程，相對于以前發(fā)行的主要軟件版本，產(chǎn)品的質(zhì)量提高是驚人的：
⑴用戶(hù)反映的問(wèn)題下降了10倍；
⑵項目維護費用下降了10倍；
⑶系統測試件的間隔縮短了2倍；
⑷引入新產(chǎn)品的間隔縮短了30%。
而且，在投入運行的前兩年，從未發(fā)生嚴重影響業(yè)務(wù)的機器中斷，客戶(hù)滿(mǎn)意程度大為提高。具體分析原因，有以下兩點(diǎn)：
⑴把可靠性作為確定是否發(fā)行的標準，可避免用戶(hù)在使用中反映過(guò)多問(wèn)題和進(jìn)行相應的維護工作。
⑵采用“操作概圖驅動(dòng)”的測試方法，提高了測試效率；20%的操作覆蓋了95%的應用，20%的錯誤導致了95%的實(shí)效；先測試20%的使用最頻繁的操作可以加速可靠性的提高。
4、結束語(yǔ)
軟件的可靠性中正越來(lái)越引起軟件研發(fā)部門(mén)的重視，但因為這是1門(mén)新興的學(xué)科，對于提高軟件質(zhì)量，國內外還未能從軟件可靠性工程的角度總結出1套行之有效的管理方法。
軟件可靠性工程是1項涉及面很廣的系統工程，應加強這項技術(shù)的研究力度。尤其要結合具體項目進(jìn)行課題研究，使軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程同時(shí)也是軟件可靠性工程的實(shí)施過(guò)程。使自發(fā)的可靠性工作成為有計劃、有組織和有目標的研究工作。相信經(jīng)過(guò)不斷的探索和實(shí)踐，軟件可靠性工程會(huì )象硬件可靠性工程那樣走向成熟，它的應用將對提高我國軟件開(kāi)發(fā)的可靠性起到積極的推動(dòng)作用。
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