3.1. Основы надежности программных средств

Свойства надежности объектов 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 этого 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 для сложного ПС. Источниками ненадежности являются непроверенные сочетания исходных данных, при ко­торых функционирующее ПС дает неверные результаты или от­казы.

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. К задачам теории и анализа на­дежности сложных ПС можно отнести:

• 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;

• 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 помехозащиты;

• разработку методов и средств определения и прогнозирова­ния характеристик надежности в жизненном цикле ком­плексов программ с учетом их функционального назначе­ния, сложности, структурного построения и технологии раз­работки.

В международном стандарте ISO 9126:1991 «Информационные технологии. Оценка программного продукта. Характеристики ка­чества и руководство по их применению» рекомендуются шесть основных характеристик качества ПС (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Показатели качества ПС

Пригодность для применения характеризуется точностью, за­щищенностью, способностью к взаимодействию и согласован­ностью со стандартами и правилами проектирования.

Применимость характеризуется понятностью, обучаемостью и простотой использования.

Эффективность характеризуется ресурсной и временной эко­номичностью.

Сопровождаемость характеризуется удобством для анализа, изменяемостью, стабильностью и тестируемостью.

Переносимость отражается адаптируемостью, структуриро­ванностью, замещаемостью и внедряемостью.

Надежность характеризуется уровнем завершенности (отсут­ствия ошибок), устойчивостью к ошибкам и перезапускаемостью.

Критерием, наиболее полно характеризующим надежность системы, является интенсивность отказов — λ(t),[c^-1]:

(3.1)

где п — число отказов; t— время работы системы.

Одним из распространенных количественных критериев на­дежности является вероятность безотказной работы системы р(t) за определенный промежуток времени, которую можно предста­вить как вероятность того, что время исправной работы систе­мы T будет больше некоторого заданного времени t:

(3.2)

В общем случае:

(3.3)

В случае, когда интенсивность отказов можно считать посто­янной во времени, λ(t)=λ=const,

(3.4)

Кривая р(t) называется функцией надежности. Надежность системы можно также оценить вероятностью от­каза q(t), представляющей собой вероятность того, что время исправной работы системы примет значение, не большее заданно­го времени t

(3.5)

(3.6)

Кривая q(t) называется функцией распределения времени ис­правной работы. На рис. 3.2 представлены графики функции на­дежности p(t) функции распределения q(t)

Рис. 3.2. Графики функции надежности р(t) и функции распределения q(t)

Надежность функционирования ПС наиболее широко харак­теризуется восстанавливаемостью работоспособного состояния после произошедших сбоев или отказов. Восстанавливаемость определяется полнотой и длительностью восстановления функ­ционирования программ в процессе перезапуска — рестарта.

Количественно восстанавливаемость системы может быть оценена следующими критериями:

• средним временем восстановления Т_B — математическое ожидание случайной величины — времени восстановления:

(3.7)

Где суммарное время восстановления;