浅析计算机软件可靠性设计

摘要：本文介绍了软件可靠性设计的基本概念,软件故障产生的机理,软件质量的可靠性参数,并且着重介绍了软件可靠性设计方法。

关键词：计算机软件；可靠性设计；机理；参数

随着科学技术的不断进步，软件可靠性成为我们关注的一个问题，软件系统规模越做越大越复杂，其可靠性越来越难保证。应用本身对系统运行的可靠性要求越来越高，在一些关键的应用领域，如航空、航天等，其可靠性要求尤为重要，在银行等服务性行业，其软件系统的可靠性也直接关系到自身的声誉和生存发展竞争能力。特别是软件可靠性比硬件可靠性更难保证，会严重影响整个系统的可靠性。在许多项目开发过程中，对可靠性没有提出明确的要求，开发商(部门)也不在可靠性方面花更多的精力，往往只注重速度、结果的正确性和用户界面的友好性等，而忽略了可靠性。在投入使用后才发现大量可靠性问题，增加了维护困难和工作量，严重时只有束之高阁，无法投入实际使用。本文仅就软件可靠性工程在软件开发过程中的应用谈谈自己的认识。

1．软件可靠性设计的基本概念

1.1 软件及软件故障。软件(也称程序)本质上是一种把一组离散输入变成一组离散输出的工具,它由一组编码语句组成,这些语句的功能基本上是以下功能之一:(1)计算一个表达式并将其结果存储在单元里;(2)决定下一步要执行哪个语句;(3)进行输入/输出控制。

软件产品与硬件产品一样。软件的可靠性工作也是贯穿于软件的整个寿命周期的。软件的寿命周期,是指从软件任务的提出一直到它完成使命,因陈旧而被废弃为止的整个时间历程,这个寿命周期包括了提出要求/规格说明、设计、实现、检验、维护等五个阶段,前四个阶段为开发期,维护阶段为使用期。

1.2 软件可靠性。关于软件可靠性的定义是什么。较多的人认为软件的可靠性与“概率统计的可靠性”的概念密切相关,软件的可靠性是软件在规定的条件下、规定的时间周期内执行所要求功能的能力。软件的可靠度是软件在规定的条件下、规定的时间内不引起系统故障的概率,该概率是系统输入与系统使用的函数。

2．软件质量的可靠性参数

2.1 系统平均不工作间隔时间(MTBSD或MTBD)。设d为软件正常工作总时间,d为系统由于软件故障而停止工作的次数,则定义TBSD=Tv/(d+1)。式中,TBSD—MTBSD；Tv—软件正常工作总时间(h)；d—系统由于软件故障而停止工作的次数。MTBSD反映了系统的稳定性。

2.2 系统不工作次数(一定时期内)。由于软件故障而停止工作,必须由操作者介入再启动才能继续工作的次数。

2.3 可用度A。设Tv为软件正常工作总时间,TD为由于软件故障使系统不工作的时间,则定义A=TV/(TV+TD)。它反映了系统的稳定性,亦可表达为A=TBD/(TBD+TDT)。式中,TBD—MTBD(h),TDT—平均不工作时间,以下简称MDT(h)。对一般生产用计算机系统,要求A≥99.8%；银行计算机系统,要求A>99.9%。

2.4 MTTR。它反映了出现软件缺陷后采取对策的效率。在一定程度上也反映了软件企业对社会服务的责任心。对于在线系统而言,MTT只要求不超过2天,变差系数应小于1。一般的MTTR也应小于7天,变差系数小于1。

2.5 平均不工作时间(MDT)。即由于软件故障,系统不工作的均值。对在线系统而言。MDT要求不超过10min一般的MDT30min。

2.6 初期故障。一般以软件交付使用后的三个月内为初期故障期。初期故障率的大小取决于软件设计水平、检查项日数、软件规模、软件调试彻底与否等因素。

2.7 偶然故障率。一般以软件交付给使用方四个月后为偶然故障期,偶然故障率以每1000h的故障数为单位,它反映了软件处于稳定状态下的质量。一般最少要求偶然故障率不超过1,即每千小时不到1个故障,亦即MTBF超过1000h。

2.8 使用方误用率。使用方不按照软件规范及说明等使用造成的错误叫使用方误用。在总使用次数中,使用方误用次数占的百分率叫使用方误用率。造成使用方误用的原因之一是使用方对说明理解不深,操作不熟练,但也有可能是说明没有讲得很清楚而引起误解。其他的原因还有软件系统的可操作性还应改进、对使用方的使用培训还要更深入等等。

2.9 用户提出补充要求数。这反映软件未能充分满足用户的需要,有时要求是特定用户的特定要求,生产方为了更好地为社会服务,应该尽力满足他们的要求。

2.10 处理能力。处理能力有各种指标。例如可用每小时平均处理多少文件、每项工作的反应时间多少秒等来表示,根据需要而定。在评价软件及系统的经济效益时需用这项指标。

3．软件可靠性设计方法

从软件可靠性的概念可知,软件的缺陷可以导致错误并造成系统的故障,因此,缺陷是一切错误的根源。为了提高软件的可靠性,最关键的还是力求减少软件中的缺陷。软件的缺陷来自软件寿命周期的各个阶段,因此应想方设法在寿命周期的各个阶段减少缺陷。缺陷在一定的环境条件下暴露,导致系统运行中出现错误。软件的错误概括地说可能由规范(要求/规格说明)、软件系统设计及编码过程产生。

3.1 要求/规格说明。只要在规格说明与用户要求说明之间存在误差,就会产生规范错误。

规范它不仅规定程序的要求,还规定所用的结构、研制及试验中需要的程序试验要求和文件,以及程序语言、输入和输出的基本要求。通过对这些方面作出适当的规定,就可以建立使产生错误的可能性最小、并保证错误能被发现和改正的程序生成的结构。

这种说明书是软件设计人员和用户间相互了解的基础,是软件设计人员进行程序设计、调试的基础和评价软件的依据。要求/规格说明书应具有以下性质:

（1)可测性:生产出来的软件产品应能根据要求/规格说明书的内容进行测试。（2)完整性:对软件要求的描述要完整无缺。（3)明确性:对软件的要求必须是明确的,不存在语义上的支义性。(4)一致性:要求说明书中的概念与规范化。(5)弹性:当软件的工作环境发生变化时,其功能说明也相应地扩充或压缩。

3.2 软件设计。软件系统是根据要求/规格说明(规范)设计的,通过设计将确定程序结构、测试点及限制等。为设计出可靠的软件,需要在考虑诸如机型、资源、语言、模型及数据结构等实际问题的基础上,采取一些有效的设计方法。