Методи та засоби аналізу надійності функціонування програмного забезпечення з урахуванням етапів життєвого циклу

Abstract

У дисертації вирішено науково-прикладну проблему створення моделей, методів та засобів аналізу надійності програмного забезпечення (ПЗ), що враховують його складність, архітектуру та етапи життєвого циклу. Розроблено модель надійності ПЗ з показником складності на основі неоднорідного пуассонового процесу, яка, на відміну від існуючих, враховує складність ПЗ і належить до класу узагальнених пуассонових моделей. Розроблено метод оцінювання показників надійності ПЗ, який базується на моделі надійності з показником складності та критерії достатності процесу тестування, що дає можливість більш достовірно оцінювати показники надійності ПЗ з урахуванням їх складності, але без урахування їх архітектури. Розроблено три моделі оцінювання показників надійності складних програмних систем, що використовують ланцюги Маркова вищого порядку – з дискретним часом; з неперервним часом; з неперервним часом та урахуванням відмов інтерфейсів модулів. Розроблено метод подання марковського процесу вищого порядку через еквівалентний процес першого порядку, що дає можливість звести роботу з ланцюгами Маркова вищого порядку до класичних ланцюгів Маркова. Розроблено узагальнений метод аналізу надійності ПЗ з урахуванням його складності, архітектури та процесів життєвого циклу. Розроблено програмний засіб прогнозування відмов ПЗ з використанням штучних нейронних мереж та досліджено вплив параметрів та архітектури нейронних мереж Елмана та RBF на ефективність прогнозування відмов ПЗ. В диссертации решена научно-прикладная проблема создания моделей, методов и средств анализа надежности программного обеспечения (ПО), учитывающие его сложность, архитектуру и этапы жизненного цикла. В первой главе проведен анализ современного состояния теории и практики анализа надежности ПО и тенденций их развития. Осуществлен сравнительный анализ подходов к трактовке свойства надежности программных и аппаратных средств, показаны наиболее существенные различия и задачи анализа их надежности. Осуществлен обзор и анализ моделей надежности ПО, при этом особое внимание уделено моделям на основе неоднородного пуассоновского процесса и моделям на основе компонентного подхода; показаны основные ограничения и недостатки существующих моделей и возможные пути их устранения. Показано, что существующие модели и методы анализа надежности ПО не учитывают его возрастающей сложности и не обеспечивают необходимый уровень точности оценки показателей его надежности. Во второй главе рассмотрена модель надежности ПО на основе неоднородного пуассоновского процесса, которая включает в качестве параметра динамический показатель сложности программного средства. Эта модель используется для оценки таких показателей надежности ПО, как общее количество ошибок в коде, параметр потока отказов, интенсивность отказов, вероятность безотказной работы и т.д., по результатам его тестирования. Исследованы зависимости между параметрами модели и установлены диапазоны показателя сложности ПО. Рассматриваемая модель надежности ПО, за счет введения динамического показателя сложности, относится к классу обобщенных моделей на основе неоднородного пуассоновского процесса и позволяет определять показатели надежности ПО с большей степенью достоверности по сравнению с известными моделями этого класса. Приведены результаты исследования влияния модели надежности ПО на оценку показателей надежности отказоустойчивой программно-аппаратной системы, и показано, что модель надежности с показателем сложности позволяет повысить достоверность оценки интенсивности отказов ПО на три порядка, и, соответственно, повысить достоверность оценки функции и коэффициента готовности программно-аппаратной системы. В третьей главе представлены разработанные модели и методы анализа сложных программных систем с использованием процессов Маркова высших порядков, позволяющие учесть взаимозависимость выполнения модулей ПО, и таким образом повысить достоверность оценки показателей его надежности. Описаны модели надежности ПО на основе цепей Маркова высшего порядка с дискретным и непрерывным временем, а также для случая неидеальной интеграции модулей. Показано преимущество использования цепей Маркова высшего порядка над моделями, использующими аппарат классических процессов Маркова. Разработан обобщенный метод анализа надежности программных систем, который включает использование различных моделей надежности в зависимости от сложности системы на различных этапах жизненного цикла. Четвертая глава посвящена средствам повышения эффективности разработки ПО с учетом требований к его надежности. Обоснованы критерий достаточности процесса тестирования ПО и усовершенствованная процедура прогнозирования количества ошибок ПО, которые дают возможность на этапе тестирования обоснованно принимать решения касательно достижения заданных показателей надежности и распределения ресурсов проекта по разработке ПО. Описаны новая модель функционирования ПО, которая учитывает его архитектуру и переменные программного кода, и методы автоматизированного формирования сценариев тестирования, которые позволяют повысить эффективность процесса тестирования ПО и достоверность оценки показателей его надежности. В пятой главе представлены разработанные программные средства оценки и прогнозирования показателей надежности ПО, пригодные для использования при разработке программных систем. Спроектировано и реализовано средство предварительной обработки данных об отказах ПО, интегрированное с системой JIRA. Разработано программное средство для эмпирического оценивания вероятностей переходов между модулями программной системы. Описана система оценивания надежности ПО с использованием архитектурных моделей. Создано программное средство прогнозирования отказов ПО на основе нейронных сетей, и проведено исследование влияния параметров и архитектуры нейронной сети на эффективность прогнозирования отказов ПО. The applied problem of creating models, methods and tools to analyze software reliability, taking into account its complexity, architecture and life cycle processes has been solved in this thesis. The nonhomogeneous Poisson process (NHPP) software reliability model with complexity index has been created. This model, in contrast to the existing ones, takes into account the complexity of the software and belongs to generalized NHPP models. The method of software reliability assessment has been developed on the basis of generalized NHPP model and the criteria of testing sufficiency. This method enables more accurate software reliability assessment considering software complexity, but excluding its architecture. To assess the reliability of complex software systems, three higher order Markov chains (HOMC) software reliability models have been created – discrete time; continuous time; as well as imperfect modules integration continuous time one. The method of a HOMC representation through an equivalent first order process has been proposed, thus enabling processing of HOMC as classical ones. The generalized method of software reliability analysis considering its complexity, architecture and life cycle processes has been elaborated. Software tool for software failures prediction using artificial neural networks has been developed. The influence of Elman and RBF nets parameters and architecture on software failures forecasting efficiency has been studied.