Особенности применения основных понятий теории надежности сложных систем к жизненному циклу и оценке качества программного обеспечения

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.

Надежность определяется как уровень, при котором система программ удовлетворяет поставленным требованиям и пригодна для эксплуатации. При этом следует отличать надежность от корректности, которая определяется как степень удовлетворения требованиям. Надежность является составной частью более общего понятия – качества. Качественная программа не только надежна, но и компактна, совместима с другими программами, эффективна, удобна в сопровождении, портативна и вполне понятна.

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 непроверенные сочетания исходных данных, при которых функционирующее ПС дает неверные результаты или отказы. В результате комплекс программ не соответствует требованиям функциональной пригодности и работоспособности. В учебном пособии Благодатских, В.А. др. «Стандартизация разработки программных средств» приведен пример, который опубликован в статье Юрия Батурина в журнале «Новое время» [1, стр. 36]. Автор статьи приводит несколько факторов, которые описывают проблемы функционирования сложных программных средств. Так, в качестве одного из факторов выступает фактор сложности. «Существуют фундаментальные причины, почему программное обеспечение невозможно сделать достаточно надежным, чтобы можно было не сомневаться в том, что система «звездных войн» действительно сработает», – считает Д. Парнас, крупнейший авторитет по крупномасштабному программированию. Он был назначен Организацией по осуществлению Стратегической Оборонной Инициативы (СОИ) членом консультативного комитета по программированию управления боевыми операциями. «Мне обещали 1000 долларов в день плюс накладные расходы». Но, ознакомившись подробнее с тем, чего от него ждут, Д. Парнас отклонил сделанное ему предложение, одновременно представив восемь технических документов, которые объясняли, почему программа не сможет работать так, как требуется. В качестве примера приведем еще один из факторов – фактор надежности. О том, насколько уязвимо математическое обеспечение, можно судить по следующему примеру. Когда в 1979 г. американский космический зонд, запущенный на Венеру, не достиг своей цели, в космос вылетело почти полмиллиарда долларов. Причина в том, что в программе коррекции курса зонда запятая была спутана с двоеточием.

При применении понятий надежности к программным средствам следует учитывать особенности и отличия этих объектов от традиционных технических систем, для которых первоначально разрабатывалась 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 программ 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 кратковременные 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 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 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 ее 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.