【愚公系列】软考高级-架构设计师 104-软件可靠性建模与管理

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🚀前言

软件可靠性建模与管理对于帮助团队提高软件系统的质量、稳定性和用户满意度具有重要作用。通过科学的建模方法和有效的管理策略，团队可以更好地发现和解决软件系统中的问题，持续改进软件系统的性能，提升竞争力和市场地位。因此，软件开发和运营团队应该重视可靠性建模与管理，将其纳入整个软件开发周期中，并不断优化和完善。

🚀一、软件可靠性建模与管理

🔎1.软件可靠性模型概述

软件可靠性模型是为预计或估算软件的可靠性而建立的可靠性框图和数学模型，用于分析和预测软件在实际运行中的可靠性表现。

🦋1.1 影响软件可靠性的主要因素

从技术的角度来看，影响软件可靠性的主要因素包括：

1. 运行环境
2. 软件规模
3. 软件内部结构
4. 软件的开发方法和开发环境
5. 软件的可靠性投入

🦋1.2 软件可靠性模型的组成部分

一个软件可靠性模型通常由以下几部分组成：

1. 模型假设:
   • 模型是对实际情况的简化或规范化，包含若干假设，例如测试选取代表实际运行剖面，不同软件失效独立发生等。
2. 性能度量:
   • 软件可靠性模型的输出量，如失效强度、残留缺陷数等。这些性能度量通常以数学表达式给出。
3. 参数估计方法:
   • 某些可靠性度量的实际值无法直接获得，例如残留缺陷数，需要通过一定的方法估计参数的值，从而间接确定可靠性度量的值。
4. 数据要求:
   • 一个软件可靠性模型要求一定的输入数据，即软件可靠性数据。

🦋1.3 共同假设

绝大多数的模型包含以下三个共同假设：

1. 代表性假设:
   • 可以用测试产生的软件可靠性数据预测运行阶段的软件可靠性行为。
2. 独立性假设:
   • 软件失效是独立发生于不同时刻，一个软件失效的发生不影响另一个软件失效的发生。
3. 相同性假设:
   • 所有软件失效的后果（等级）相同，即建模过程只考虑软件失效的具体发生时刻，不区分软件的失效严重等级。

🔎2.软件可靠性模型分类

以下是几种常见的软件可靠性模型：

1. 种子法模型:
   • 利用捕获-再捕获抽样技术估计程序中的错误数。通过在程序中预先有意“播种”一些设定的错误“种子”，根据测试出的原始错误数和发现的诱导错误的比例，来估计程序中残留的错误数。
2. 失效率类模型:
   • 用于研究程序的失效率。
3. 曲线拟合类模型:
   • 通过回归分析的方法研究软件的复杂性、程序中的缺陷数、失效率、失效间隔时间等。
4. 可靠性增长模型:
   • 用于预测软件在检错过程中的可靠性改进，利用增长系数描述软件的改进过程。
5. 程序结构分析模型:
   • 根据程序、子程序及其相互间的调用关系，形成一个可靠性分析网络。
6. 输入域分类模型:
   • 选取软件输入域中的某些样本“点”运行程序，根据这些样本点在“实际”使用环境中的使用概率及测试运行时的成功/失效率，推断软件的使用可靠性。
7. 执行路径分析方法模型:
   • 分析程序各逻辑路径的执行概率和程序中错误路径的执行概率，再综合出该软件的使用可靠性。
8. 非齐次泊松过程模型:
   • 以软件测试过程中单位时间的失效次数为独立泊松随机变量，预测在未来某使用时间点的累计失效数。
9. 马尔可夫过程模型:
   • 利用马尔可夫过程来分析和预测软件可靠性。
10. 贝叶斯模型:
    • 利用失效率的先验分布和当前的测试失效信息，评估软件的可靠性。

🔎3.软件可靠性管理概述

软件可靠性管理是软件工程管理的一部分，旨在全面提高和保证软件的可靠性。它将现代管理理论应用于软件生命周期中的可靠性保障活动。软件可靠性管理的内容涵盖软件工程各个阶段的可靠性活动，包括目标、计划、进度、任务和修正措施等。

🦋3.1 软件生命周期各阶段的可靠性设计任务

1. 需求分析阶段:
   • 确定可靠性目标: 明确软件的可靠性要求。
   • 分析影响因素: 识别可能影响软件可靠性的因素。
   • 确定验收标准: 制定软件验收的可靠性标准。
   • 制定框架: 设计软件的总体框架。
   • 制定文档编写规范: 确定文档编写的标准和规范。
   • 制定初步计划: 制订初步的项目计划。
   • 确定数据收集规范: 明确数据收集的标准和方法。
2. 概要设计阶段:
   • 确定可靠性度量: 确定用来评价软件可靠性的度量标准。
   • 制定详细验收方案: 制定详细的验收测试方案。
   • 可靠性设计: 设计能够满足可靠性要求的软件结构。
   • 收集数据: 收集有关可靠性的初步数据。
   • 调整计划: 根据收集到的数据调整计划。
   • 明确后续阶段详细计划: 规划后续阶段的详细工作。
   • 编制文档: 编写相关文档。
3. 详细设计阶段:
   • 可靠性设计: 进一步细化可靠性设计。
   • 预测: 预测软件的可靠性。
   • 调整计划: 根据预测结果调整计划。
   • 收集数据: 收集详细设计阶段的数据。
   • 明确后续阶段详细计划: 制定后续阶段的详细计划。
   • 编制文档: 编写详细设计文档。
4. 编码阶段:
   • 可靠性测试（单元）: 进行单元级别的可靠性测试。
   • 排错: 发现并修复编码中的错误。
   • 调整计划: 根据测试结果调整计划。
   • 收集数据: 收集编码阶段的数据。
   • 明确后续阶段详细计划: 制定后续阶段的详细计划。
   • 编制文档: 编写编码相关文档。
5. 测试阶段:
   • 可靠性测试（集成和系统）: 进行集成和系统级别的可靠性测试。
   • 排错: 发现并修复测试中的错误。
   • 可靠性建模: 建立软件可靠性模型。
   • 评价: 评估软件的可靠性。
   • 调整计划: 根据测试和评价结果调整计划。
   • 收集数据: 收集测试阶段的数据。
   • 明确后续阶段详细计划: 制定后续阶段的详细计划。
   • 编制文档: 编写测试相关文档。
6. 实施阶段:
   • 可靠性测试（验收）: 进行验收级别的可靠性测试。
   • 排错: 发现并修复验收中的错误。
   • 收集数据: 收集实施阶段的数据。
   • 调整模型: 根据实际情况调整可靠性模型。
   • 评价: 评估最终的软件可靠性。
   • 编制文档: 编写实施相关文档。

🔎4.软件可靠性设计概述

实践证明，在软件设计阶段采取措施进行可靠性控制，是保障软件可靠性最有效、最经济、最重要的手段。

🦋4.1 软件可靠性设计定义

可靠性设计是在常规的软件设计过程中，应用各种方法和技术，使程序设计在兼顾用户的功能和性能需求的同时，全面满足软件的可靠性要求。

🦋4.2 软件可靠性设计原则

1. 整体性:
   • 软件可靠性设计是软件设计的一部分，必须在软件的总体设计框架中使用，且不能与其他设计原则相冲突。
2. 目标导向:
   • 软件可靠性设计在满足提高软件质量要求的前提下，以提高和保障软件可靠性为最终目标。
3. 明确性:
   • 软件可靠性设计应确定具体的可靠性目标，不能无限扩大化，并且在优先级上排在功能度、用户需求和开发费用之后考虑。

🦋4.3 软件可靠性设计技术

1. 容错设计: 设计方法和技术，使软件即使在出现错误时也能继续运行，保证系统的可用性。
2. 检错设计: 设计方法和技术，能够及时发现和报告软件中的错误，从而尽早进行修复。
3. 降低复杂度设计: 通过简化软件结构和逻辑，减少软件出错的可能性，提高软件的可靠性。