Лекция 3

Содержание
1 Основные понятия и показатели надежности программных средств
1.1Основные понятия надежности системы 1.2Показатели качества и надежности программных средств.
2 Дестабилизирующие факторы и методы обеспечения надежности функционирования программных средств
2.1Модель факторов, определяющих надежность программных средств
2.2 Предупреждение ошибок
2.3 Обнаружение ошибок
2.4 Исправление ошибок
2.5 Устойчивость к ошибкам
2.6 Обработка сбоев аппаратуры
3 Модели надежности программного обеспечения
3.1Аналитические модели надежности
3.2 Модель Шумана
3.3 Модель Миллса.
4 Эмпирические модели надежности
4.1Модель сложности
4.2Модель, определяющая время доводки программ

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 ( ГОСТ 13377-75 )
Факторы надежность технических систем:
Надежность компонентов
Дефекты в конструкции
Основные понятия надежности системы

Основные понятия надежности системы
Особенности и отличия объектов от традиционных технических
систем:
1. Не ко всем программам применимы понятия и методы теории надежности;
2. При оценке качества программных компонентов неприменимы понятия
надежности функционирования
3. Доминирующие факторы, определяющие надежность программ - дефекты и
ошибки проектирования и разработки;
4. Относительно редкое разрушение программных компонентов
и необходимость их физической замены приводят к принципиальному
изменению понятий сбоя и отказа программ и к разделению их по
длительности восстановления относительно некоторого допустимого времени
простоя, для функционирования информационной системы;

5. Для повышения надежности комплексов программ являются методы
автоматического сокращения длительности восстановления и
преобразования отказов в кратковременные сбои;
6. Непредсказуемость места, времени и вероятности проявления
дефектов и ошибок, редкое обнаружение при реальной эксплуатации
достаточно надежных программных средств, не позволяют эффективно
использовать традиционные методы априорного расчета показателей
надежности;
7. Традиционные методы форсированных испытаний надежности систем
путем физического воздействия на их компоненты неприменимы для
программных средств,
Основные понятия надежности системы

Основные понятия надежности системы
Задачи теории и анализа надежности сложных программных средств:
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 надежности 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 про-
грамм с учетом их функционального назначения, сложности,
структурного построения и технологии разработки.
Основные понятия надежности системы

Основные понятия надежности системы
Состояния объекта или системы:
Работоспособный
Неработоспособный
Работоспособным называется такое состояние объекта, при котором он способен
выполнять заданные функции с параметрами, установленными технической
документацией.
Неработоспособный – противоположное состояние работоспособному
Диагноз состояния системы:
Тестовый (используются специально подготовленные исходные данные и эталонные результаты, которые позволяют проверять работоспособность определенных компонентов системы.)
Функциональный (организуется на базе реальных исходных данных, поступающих в систему при ее использовании по прямому назначению )

Основные понятия надежности системы
Задачи технической диагностики:
контроль исправности системы и полного соответствия состояния и функций технической документации;
проверка 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.

6 основных характеристик качества ПС, каждая из которых детализируется несколькими (всего 21) субхарактеристиками (ISO 9126:1991 )
Показатели качества и надежности программных средств

Функциональная
Надежность
Применимость
Эффективность
Сопровождаемость
Переносимость
Показатели качества и надежности
программных средств

Надежность –способность ПС осуществлять безотказную работу в
определенный промежуток времени
Показатели качества и надежности
программных средств

Показатели качества и надежности
программных средств
Модель факторов, определяющих надежность программных средств.(см. дальше)

Показатели качества и надежности
программных средств

Модель факторов, определяющих надежность программных средств
Объектами уязвимости, влияющими на надежность ПС, являются:
динамический вычислительный процесс обработки данных, автоматизированной подготовки решений и выработки управляющих воздействий;
информация, накопленная в базах данных, отражающая объекты внешней среды, и процессы ее обработки;
объектный код программ, исполняемых вычислительными средствами в процессе функционирования ПС;
информация, выдаваемая потребителям и на исполнительные
механизмы, являющаяся результатом обработки исходных данных и информации, накопленной в базе данных.

Модель факторов, определяющих надежность программных средств

Дестабилизирующие факторы
Внутренними источниками угроз считаются дефекты программ:
системные ошибки при постановке целей и задач создания ПС.
при формулировке требований к функциям и характеристикам решения задач, определении условий и параметров внешней среды, в которой предстоит применять ПС;
алгоритмические ошибки разработки при непосредственной
спецификации функций программных средств, при определении структуры и взаимодействия компонентов комплексов программ, а также при использовании информации баз данных;
ошибки программирования в текстах программ и описаниях
данных, в исходной и результирующей документации
на компоненты и ПС в целом;
недостаточная эффективность используемых методов и средств
оперативной защиты программ и данных от сбоев и отказов и
обеспечения надежности функционирования ПС в условиях случайных негативных воздействий.

Дестабилизирующие факторы
Внешние дестабилизирующие факторы
ошибки оперативного и обслуживающего персонала в процессе эксплуатации ПС;
искажения в каналах телекоммуникации информации, поступающей от внешних источников и передаваемой потребителям, а также недопустимые для конкретной информационной системы характеристики потоков внешней информации;
сбои и отказы в аппаратуре вычислительных средств;
изменения состава и конфигурации комплекса взаимодействующей аппаратуры информационной системы за пределы, проверенные при испытаниях или сертификации и отраженные в эксплуатационной документации.

Модель факторов, определяющих надежность программных средств

Модель факторов, определяющих надежность программных средств.
Методы обеспечения надежности программных средств:
создание программных модулей и функциональных компонентов высокого, гарантированного качества;
предотвращение дефектов проектирования;
обнаружение и устранение различных дефектов и ошибок;
удостоверение достигнутого качества и надежности функционирования
оперативное выявление последствий дефектов программ и данных

Модель факторов, определяющих надежность программных средств.
Принципы и методы обеспечения надежности :
Предупреждение ошибок
Обнаружение ошибок
Исправление ошибок
Обеспечение устойчивости к ошибкам

Предупреждение ошибок
Цель :Не допустить появления ошибок в готовой программе
Категории методов концентрирующиеся на отдельных процессах
перевода и направленные на предупреждение ошибок в процессах:
методы, позволяющие справиться со сложностью, свести ее
к минимуму;
методы достижения большей точности при переводе;
методы улучшения обмена информацией;
методы немедленного обнаружения и устранения ошибок.

Обнаружение ошибок
Меры по обнаружению ошибок:
Пассивные
Активные
Пассивные
Разрабатывая меры по обнаружению ошибок , опираются :
Взаимное недоверие
Немедленное обнаружение
Избыточность.

Обнаружение ошибок
Активные:
средствами активного обнаружения ошибок –
дополнительные проверки, если спроектировать
специальные программные средства для активного поиска
признаков ошибок в системе.
Активные средства обнаружения ошибок объединяются в
диагностический монитор: параллельный процесс, который
периодически анализирует состояние системы с целью
обнаружить ошибку.

Исправление ошибок
После обнаружения ошибки, либо она сама, либо ее
последствия должны быть исправлены программным
обеспечением.
Исправление ошибок самой системой — плодотворный
метод проектирования надежных систем аппаратного
обеспечения.

Устойчивость к ошибкам
Цель :Обеспечить функционирование программной системы при наличии в ней ошибок.
Методы:
Метод голосования (при динамической
избыточности)
Методы отступления
Методы изоляции ошибок

Обработка сбоев аппаратуры
Возможности необходимые в программных системах для борьбы со сбоями
аппаратуры:
Повторное выполнение операций
Восстановление памяти
Динамическое изменение конфигурации
Восстановление файлов
Контрольная точка/рестарт
Предупреждение отказов питания
Регистрация ошибок

Модели надежности программного обеспечения
Модель надежности программного обеспечения относится
к математической модели, построенной для оценки
зависимости надежности программного обеспечения от
некоторых определенных параметров.
Виды модели надежности программного обеспечения:
Феноменологическая (измеряющие и оценивающие модели).
Эмпирическая (базируются на анализе структурных особенностей программ)

Модели надежности программного обеспечения
Модели надежности программных средств (МНПС) подразделяются:
Аналитические:
Динамические модели Статические модели
Эмпирические

Модели надежности программного обеспечения
Статические

Аналитические модели надежности
Аналитические модели надежности – дают вероятность
рассчитать показатели надежности, основываясь на данных о поведении
программы в процессе тестирования.
Измерение и определение количественных показателей надежности:
Эмпирические – базируется на анализе структурных особенностей
программы (линейные разветвления программы);
Динамические – появление отказов программных средств
рассматривается во времени;
Статистические – учитывает зависимость количества ошибок от числа
тестовых прогонов или от характеристики входных данных;
Непрерывные – фиксируют число отказов за произвольный интервал времени;
Дискретные – фиксируют интервалы каждого отказа.

Аналитические модели надежности
Шаги аналитической модели надежности :
1) Определение предположений, связанных с процедурой тестирования ПС;
2) Разработка или выбор аналитической модели, базирующейся на предположениях о процедуре тестирования;
3) Выбор параметров моделей с использованием полученных
данных;
4) Применение модели — расчет количественных показателей надежности по модели.

Аналитические модели надежности
Модели:
Модель Шумана
Модель La Padula
Модель Джелинского - Моранды
Модель Шика - Волвертона
Модель Муса
Модель переходных вероятностей.
Статические модели надежности.
Модель Миллса.
Модель Липова.
Простая интуитивная модель.
Модель Коркорэна.
Модель Нельсона.

Модель Шумана
Et - количество ошибок
It - общее число машинных команд, которое предполагается постоянным в рамках
этапа тестирования.
Определяем количество ошибок на одну команду:
Значение функции частоты отказов Z(t) пропорционально числу ошибок, оставшихся в
ПС после израсходованного на тестирование времени τ:
С — некоторая константа;
t — время работы ПС без отказа

Модель Шумана
Интенсивность отказа в промежуток времени:
Ai — количество ошибок на i-м прогоне; - время за которое проведено тестирование
Количество ошибок в системе:
Коэффициент связности:

Модель Миллса.
N — первоначальное число ошибок в программе.
S — количество искусственно внесенных ошибок
n — число найденных собственных ошибок
V — число обнаруженных к моменту оценки искусственных ошибок

Модель Миллса.
Вторая часть заключается в определении вероятности того, что в
результате тестирования обнаружены все ошибки, если обнаружены все
искусственные ошибки.
Величина С является мерой доверия к модели и показывает вероятность
того, насколько правильно найдено значение N.

Эмпирические модели надежности

Эмпирические модели надежности
Модель сложности
В качестве структурных характеристик модуля ПС используются:
отношение действительного числа дуг к максимально возможному числу дуг, получаемому искусственным соединением
каждого узла с любым другим узлом дугой;
отношение числа узлов к числу дуг;
отношение числа петель к общему числу дуг.
оценки показателей надежности по имитационной модели, создаваемой на основе анализа структуры будущего реального ПС, заключаются в следующем:
модель позволяет на этапе проектирования ПС принимать оптимальные проектные решения, опираясь на характеристики ошибок, оцениваемые с помощью имитационной модели;
модель позволяет прогнозировать требуемые ресурсы тестирования;
модель дает возможность определить меру сложности программ
и предсказать возможное число ошибок и т.д.