Модели оценки надежности
Из всех областей программной инженерии надежность ПС является самой исследованной областью. Ей предшествовала разработка теории надежности технических средств, оказавшая влияние на развитие надежности ПС. Вопросами надежности ПС занимались разработчики ПС, пытаясь разными системными средствами обеспечить надежность, удовлетворяющую заказчика, а также теоретики, которые, изучая природу функционирования ПС, создали математические модели надежности, учитывающие разные аспекты работы ПС (возникновение ошибок, сбоев, отказов и др.) и оценить реальную надежность. В результате надежность ПС сформировалась как самостоятельная теоретическая и прикладная наука [9–13, 17-25].
Надежность сложных ПС существенным образом отличается от надежности аппаратуры. Носители данных (файлы, сервер и т.п.) обладают высокой надежностью, записи на них могут храниться длительное время без разрушения, поскольку разрушению и старению они не подвергаются.
С точки зрения прикладной науки надежность – это способность ПС сохранять свои свойства (безотказность, устойчивость и др.) преобразовывать исходные данные в результаты в течение определенного промежутка времени при определенных условиях эксплуатации. Снижение надежности ПС происходит из–за ошибок в требованиях, проектировании и выполнении. Отказы и ошибки зависят от способа производства продукта и появляются в программах при их исполнении на некотором промежутке времени.
Для многих систем (программ и данных) надежность является главной целевой функцией реализации. К некоторым типам систем (реального времени, радарные системы, системы безопасности, медицинское оборудование со встроенными программами и др.) предъявляются высокие требования к надежности, такие как недопустимость ошибок, достоверность, безопасность, защищенность и др.
Таким образом, оценка надежности ПС зависит от числа оставшихся и не устраненных ошибок в программах на этапах ЖЦ В ходе эксплуатации ПС ошибки обнаруживаются и устраняются. Если при исправлении ошибок не вносятся новые, или, по крайней мере, новых ошибок вносится меньше, чем устраняется, то в ходе эксплуатации надежность ПС непрерывно возрастает. Чем интенсивнее проводится эксплуатация, тем интенсивнее выявляются ошибки и быстрее растет надежность системы и соответственно ее качество.
Надежность является функцией от ошибок, оставшихся в ПС после ввода его в эксплуатацию. ПС без ошибок является абсолютно надежным. Но для больших программ абсолютная надежность практически недостижима. Оставшиеся необнаруженные ошибки проявляют себя время от времени при определенных условиях (например, при некоторой совокупности исходных данных) сопровождения и эксплуатации системы.
Для оценки надежности ПС используются такие статистические показатели как вероятность и время безотказной работы, возможность отказа и частота (интенсивность) отказов. Поскольку в качестве причин отказов рассматриваются только ошибки в программе, которые не могут самоустраниться, то ПС следует относить к классу невосстанавливаемых систем.
При каждом проявлении новой ошибки, как правило, проводится ее локализация и исправление. Строго говоря, набранная до этого статистика об отказах теряет свое значение, так как после внесения изменений программа, по существу, является новой программой в отличие от той, которая до этого испытывалась.
В связи с исправлением ошибок надежность, т.е. отдельные ее атрибуты, будут все время изменяться, как правило, в сторону улучшения. Следовательно, их оценка будет носить временный и приближенный характер. Поэтому возникает необходимость в использовании новых свойств, адекватных реальному процессу измерения надежности, таких, как зависимость интенсивности обнаруженных ошибок от числа прогонов программы и зависимость отказов от времени функционирования ПС и т.п.
К факторам гарантии надежности относятся:
– риск, как совокупность угроз, приводящих к неблагоприятным последствиям и ущербу системы или среды;
– угроза, как проявление неустойчивости, нарушающей безопасность системы;
– анализ риска – изучение угрозы или риска, их частота и последствия;
– целостность – способность системы сохранять устойчивость работы и не иметь риска;
Риск преобразует и уменьшает свойства надежности, так как обнаруженные ошибки могут привести к угрозе, если отказы носят частотный характер.
Основные понятия в проблематике надежности ПС
Формально модели оценки надежности ПС базируются на теории надежности и математическом аппарате с допущением некоторых ограничений, влияющих на эту оценку. Главным источником информации, используемой в моделях надежности, является процесс тестирования, эксплуатации ПС и разного вида ситуации, возникающие в них. Ситуации порождаются возникновением ошибок в ПС, требуют их устранения для продолжения тестирования.
Базовые понятия, которые используются в моделях надежности ПС, являются следующие [9–13].
Отказ ПC (failure) – это переход ПС из работающего состояния в нерабочее или когда получаются результаты, которые не соответствуют заданным допустимым значениям. Отказ может быть вызван внешними факторами (изменениями элементов среды эксплуатации) и внутренними – дефектами в самой ПС.
Дефект (fault) в ПС – это последствие использования элемента программы, который может привести к некоторому событию, например, в результате неверной интерпретации этого элемента компьютером (как ошибка (fault) в программе) или человеком (ошибке (error) исполнителя). Дефект является следствием ошибок разработчика на любом из процессов разработки – в описании спецификаций требований, начальных или проектных спецификациях, эксплуатационной документации и т.п. Дефекты в программе, не выявленные в результате проверок, является источником потенциальных ошибок и отказов ПС. Проявление дефекта в виде отказа зависит от того, какой путь будет выполнять специалист, чтобы найти ошибку в коде или во входных данных. Однако не каждый дефект ПС может вызвать отказ или может быть связан с дефектом в ПС или среды. Любой отказ может вызвать аномалию от проявления внешних ошибок и дефектов.
Ошибка (error) может быть следствием недостатка в одном из процессов разработки ПС, который приводит к неправильной интерпретации промежуточной информации, заданной разработчиком или при принятии им неверных решений.
Интенсивность отказов это частота появления отказов или дефектов в ПС при ее тестировании или эксплуатации.
При выявлении отклонения результатов выполнения от ожидаемых во время тестирования или сопровождения, осуществляется поиск, выяснение причин этих отклонений и исправление связанных с этим ошибок.
Модели оценки надежности ПС в качестве входных параметров используют сведения об ошибках, отказах, их интенсивности, собранных в процессе тестирования и эксплуатации.