Причины отказа програмного обеспечения

1. Основные  понятия

     Решение любой задачи, выполнение любой функции, возложенной на ЭВМ, работающей в сети или локально, возможно при взаимодействии аппаратных и программных средств. Поэтому при анализе надежности выполнения ЭВМ заданных функций следует рассматривать единый комплекс аппаратных и программных средств.

     Программное обеспечение  (ПО) - это совокупность программ и сопровождающей документации, позволяющая использовать ЭВМ для решения задач. 

     По аналогии с терминами, принятыми для обозначения показателей надежности ТУ, под надежностью программного обеспечения (ПО) понимается свойство этого обеспечения выполнять заданные функции, сохраняя свои характеристики в установленных пределах при определенных условиях эксплуатации.  Надежность ПО определяется его безотказностью и восстанавливаемостью.  

    Безотказность (ПО) – это свойство сохранять работоспособность при использовании его для обработки информации в ИС. Безотказностью программного обеспечения оценивается вероятность его работы без отказов при определенных условиях внешней среды в течение заданного периода наблюдения.

      В приведенном определении под отказом ПО понимается недопустимое отклонение характеристик функционирования этого обеспечения от предъявляемых требований.

     Определенные условия внешней среды – это совокупность входных данных и состояние самой ИС. Заданный период наблюдения соответствует времени, необходимому для выполнения на ЭВМ решаемой задачи.

     Безотказность ПО может характеризоваться средним временем возникновения отказов при функционировании программы. При этом предполагается, что аппаратные средства ЭВМ находятся в исправном состоянии. С точки зрения надежности, принципиальное отличие ПО от аппаратных средств состоит в том, что программы не изнашиваются и их выход из строя из-за поломки невозможен. Следовательно, характеристики функционирования ПО зависят только от его качества, предопределяемого процессом разработки. Это означает, что безотказность ПО определяется его корректностью и зависит от наличия в нем ошибок, внесенных на этапе его создания. Кроме того, проявление ошибок ПО связано еще и с тем, что в некоторые моменты времени на обработку могут поступать ранее не встречавшиеся совокупности данных, которые программа не в состоянии корректно обработать. Поэтому входные данные в определенной мере влияют на функционирование ПО.

     В ряде случаев говорят об устойчивости функционирования ПО. Под этим термином понимается способность ПО ограничивать последствия собственных ошибок и неблагоприятных воздействий внешней среды или противостоять им. Устойчивость ПО обычно обеспечивается с помощью введения различных форм избыточности, позволяющих иметь дублирующие модули программ, альтернативные программы для одних и тех же задач, осуществлять контроль за процессом исполнения программ.

2. Причины отказа программного обеспечения  (ПО)

      Основными причинами, вызывающими нарушения нормального функционирования ПО, являются:

-        ошибки, скрытые в самой программе; 

-        искажение входной информации;

-        неверные действия пользователя;

-        неисправность аппаратных средств  ИС, на которой реализуется вычислительный процесс.

     Ошибки, скрытые в программе. При разработке сложного ПО возможно возникновение ошибок, которые не всегда удается обнаружить и ликвидировать в процессе отладки. В силу этого в программах остается некоторое количество скрытых ошибок. Они являются причиной неверного функционирования этих программ. Среди ошибок подобного рода можно выделить следующие характерные группы.

     Ошибки вычислений. Ошибки этой группы связаны с некорректной записью или программированием математических выражений, а также неверное преобразование типов переменных. Вследствие этого получаются неправильные результаты.

     Логические ошибки. Эта группа ошибок является причиной искажения алгоритма решения задачи. К ошибкам подобного рода можно отнести неверную передачу управления, неверное задание диапазона изменения параметра цикла, неверное условие и другие ошибки.

     Ошибки ввода-вывода. Эти ошибки связаны с неправильным управлением ввода-вывода, формированием выходных записей, определением размера записей и другими неправильно свершенными действиями.

      Ошибки манипулирования данными. К числу таких ошибок относятся: неверное определение числа элементов данных; неверные начальные значения, присвоенные данным; неверное указание длины операнда или имени переменной и другие ошибки.

    Ошибки совместимости связаны с отсутствием совместимости разрабатываемого или применяемого ПО с операционной системой или другими прикладными программами.

     Ошибки сопряжений. группа этих ошибок вызывает неверное взаимодействие ПО с другими программами или подпрограммами, с системными программами, устройствами ЭВМ или входными данными.

     Искажение входной информации. Указанная причина вызывает нарушение функционирования ПО, когда входные данные не попадают в допустимую область значения переменных. В этом случае возникает несоответствие между исходной информацией и возможностями программы.

     Неверные действия пользователя связаны с неправильной интерпретацией сообщений, с неправильными действиями пользователя при работе в диалоговом режиме. Часто эти ошибки являются следствием некачественной программной документацией.

     Неисправность аппаратных средств ИС. Эти неисправности оказывают определенное влияние на характеристики надежности ПО. Появление отказов или сбои в работе аппаратуры приводят к нарушению хода обработки информации и, как следствие, могут искажать как исходные данные, так и саму программу.

 Следствием  появления ошибок в программе  является ее отказ. 

3.Последствия и признаки возникновения ошибок в программе

     Последствия отказов ПО можно разделить на:

-  полное  прекращение выполнения функций  программы; 

-  кратковременное  нарушение хода обработки информации  в ИС.

 Степень серьезности  последствий отказов ПО оценивается соотношением между временем восстановления программы после отказа и динамическими характеристиками объектов, использующих результаты работы этой программы.

      Аварийное завершение работы прикладного ПО легко идентифицируется, так как операционная система выдает сообщения, содержащие аварийный код. Характерными причинами появления аварийного завершения являются ошибки при выполнении макрокоманды, неверное использование методов доступа, нарушение защиты памяти, нехватка ресурсов памяти, неверное использование макрокоманды, возникновение программных прерываний, для которых не указан обработчик, и другие причины. 

4.Аналитические модели надежности программ

Аналитические модели дают возможность рассчитывать количественные показатели надежности, основываясь на данных о поведении  программы в процессе тестирования (измеряющие и оценивающие модели).      Аналитические модели представлены двумя группами: динамические модели и статические. В динамических АСОД поведение ПС (появление отказов) рассматривается во времени. В статических моделях появление отказов не связывают со временем, а учитывают только зависимость количества ошибок от числа тестовых прогонов (по области ошибок) или зависимость количества ошибок от характеристики входных данных (по области данных).

     Для  использования динамических моделей  необходимо иметь данные о  появлении отказов во времени.  Если фиксируются интервалы каждого  отказа, то получается непрерывная  картина появления отказов во  времени (группа динамических  моделей с непрерывным временем). С другой стороны, может фиксироваться  только число отказов за произвольный  интервал времени. В этом случае  поведение АСОД может быть  представлено только в дискретных  точках (группа динамических моделей  с дискретным временем).

Модель Шумана, которая относится к динамическим моделям дискретного времени, собираются в процессе тестирования в течение фиксированных или случайных временных интервалов. Каждый интервал - это стадия, на котором выполняется последовательность тестов и  фиксируется некоторое число ошибок.

     Модель  Шумана может быть использована  при определенным образом организованной процедуре тестирования. Использование модели Шумана предполагает, что тестирование поводиться в несколько этапов. Каждый этап представляет собой выполнение на полном комплексе разработанных тестовых данных. Выявление ошибки регистрируется, но не исправляются.    По завершении этапа на основе собранных данных о поведении АСОД на очередном этапе тестирования может быть использована модель Шумана для расчета количественных показателей надежности. При использовании модели Шумана предполагается, что исходное количество ошибок в программе постоянно, и в процессе тестирования может уменьшаться по мере того, как ошибки выявляются и исправляются. 
 

Список  использованной литературы 

1.   Липаев В.В. Надежность программных средств. - М.: СИНТЕГ, 1998. 

2.   Барсуков  В.С., Водолазский В.В. Современные технологии безопасности. – М.: Нолидж, 2000. 

3.   Эдрион В., Брэнстэд М., Чернявский Дж. Валидация, верификация и тестирование программного обеспечения. // Computing Surveys, 1982.