（计算机科学与技术专业论文）网管软件可靠性工程框架及若干关键技术研究.pdf

北京邮电大学博士论文 网管软件可靠性工程框架及若干关键技术研究 摘要 为了保证网络正常、经济、可靠、安全的运行，近年来，作为网 管系统组成部分的网管软件的可靠性日益受到广泛的关注。网管软件 作为领域内应用软件，既具有自身的特色，也具有一般计算机软件的 特征。本文在归纳当前软件可靠性领域研究成果和网络管理软件工程 实践的基础上，提出了网管软件可靠性工程的框架和实施方法。并针 对当前网管软件存在的具体可靠性设计，提出了建模和分析技术。本 文的主要贡献如下： ( 1 ) 根据软件可靠性工程领域的研究成果，以w d m 网管软件为示 例系统，提出了在网管软件中开展可靠性工程的框架。内容涵盖网管 软件失效和失效严重程度类定义、软件可靠性模型选择、软件可靠性 指标分配、网管软件可靠性设计等方面，并结合网管软件的特点，提 出了具体的实施方法。 ( 2 ) 在当前网管软件可靠性设计的基础上，提出了一种分析网管 软件运行阶段模块可靠性的方法。该方法首先把网管系统中使用的定 时报活、模块冗余等可靠性措施组合为3 种主要运行场景；然后，运 用马尔科夫再生随机p e t r i 网对3 种场景进行了建模，定量分析了不 同运行场景对模块可靠性的影响，并应用模型得到了模块可用度等重 要的可靠性指标。结果表明，网管软件模块运行阶段的可靠性取决于 自身质量和运行场景两方面的因素，可通过配置场景针对性地进行网 管软件可靠性设计。 ( 3 ) 在当前网管软件可靠性设计的基础上，提出了一种分析网管 系统软件总线环境下通信可靠性的方法。该方法首先从环境因素和队 列行为两方面分析了软件总线环境下的消息传送过程；然后，运用基 于时间的p e t r i 网对消息传送过程进行了建模；最后使用约减方法和 矩阵几何方法对模型进行了定量分析，得到了消息传送成功率等重要 的可靠性指标。通过数字实例分析了环境因素和队列行为对通信可靠 性的影响。 ( 4 ) 在当前失效相关性研究的基础上，提出了一种结合失效相关 中文摘要 性和维护策略的软件可靠性模型。该模型根据非确定性修改维护策略 的特点和两次运行之间的六种状态转换方式，采用了包含成功运行、 失败运行和版本更新等三类点的马尔科夫更新过程，在离散时间上和 连续时间上分别建立了软件可靠性模型。在此基础上，将分层思想引 入了模型：在每一层上对相互依赖的软件运行进行建模，在层与层之 间对维护策略进行建模。最后应用上述模型得到了失效间隔时间分布 函数、可靠度、平均失效间隔时间、预测失效发生数和错误清除数等 重要的可靠性指标。经过模型比较与分析，验证了该模型与其它可靠 性模型的内在一致性，分析了错误延迟清除对失效相关性的影响。 关键词网络管理，软件可靠性，可靠性模型选择，可靠性指标分配， 运行场景，软件总线，失效相关性，维护策略 北京邮电大学博十论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r er e l i a b i l i t y e n g i n e e r i n gf r a m q , , w o r ka n ds o m qk e yt e c h n o l o g i e s r a m e w o r k a n0 m ek e y a b s t r a c t i no r d e rt o g u a r a n t e et h en o r m a l ，e c o n o m i c ，r e l i a b l e a n ds e c u r e o p e r a t i o no fn e t w o r k ，t h er e l i a b i l i t yo fn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r ea s t h ec o m p o n e n to fn e t w o r km a n a g e m e n th a sb e e ng a i n i n gw o r l dw i d e a t t e n t i o n a sad o m a i na p p l i c a t i o n ，n e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r eh a s c h a r a c t e r i s t i c so fi t s e l fa n dg e n e r i cs o f t w a r e i nt h i sp a p e qt h ef r a m e w o r k a n di m p l e m e n tm e t h o do fn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e r e l i a b i l i t y e n g i n e e r i n ga r ep r o p o s e db a s e do ns u m m a r i z e i n gt h er e s e a r c ho fs o f t w a r e r e l i a b i l i t ya n dn e t w o r km a n a g e m e n t m o r e o v e r ，s o m ec o n c r e t er e l i a b i l i t y d e s i g ne x i s t i n gi nc u r r e n tn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r ea r em o d e l e da n d a n a l y z e d t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho fs o f t w a r er e l i a b i l i t yd o m a i n ，t h e f r a m e w o r kp r o c e e d i n gr e l i a b i l i t y e n g i n e e r i n gi nn e t w o r km a n a g e m e n t s o f t w a r ei s p r o p o s e d ，g i v i n g ad e m o n s t r a t i o no fw d mn e t w o r k m a n a g e m e n ts o f t w a r e t h er e s e a r c h e sc o n t e n t si n c l u d et h ed e f i n i t i o no f f a i l u r ea n df a i l u r es e v e r i t yi nn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e ，t h es e l e c t i o n o fs o f t w a r er e l i a b i l i t ym o d e l ，t h ea l l o c a t i o no fs o f t w a r er e l i a b i l i t ya n dt h e s o f t w a r e r e l i a b i l i t yd e s i g ne t c m o r e o v e r ，t h ed e t a i l e d m e t h o d sa r e p r o p o s e d ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e ( 2 ) an e wm e t h o df o ra n a l y z i n gm o d u l er e l i a b i l i t y o fn e t w o r k m a n a g e m e n ts o f t w a r e i n o p e r a t i o n a lp h a s ei sp r o p o s e dt or e s o l v et h e p r o b l e me x i s t e di nt h ed o m a i no fc u r r e n tn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n f i r s t l y , s o m em e t h o d s ，e g p e r i o d i cs u r v i v a lr e p o r t s a n dm o d u l er e d u n d a n c y ，w h i c hi su s e di nn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e a r ea s s e m b l e di n t ot h r e em a j o rr u n - t i m es c e n a r i o s ；s e c o n d l y ，t h r e es c e n a r i o a r em o d e l e du s i n gm a r k o vr e g e n e r a t i v es t o c h a s t i cp e t r in e t s ( m r s p n ) ， a n dt h ee f f e c tw h i c hv a r i o u ss c e n a r i o i m p o s eo nm o d u l er e l i a b i l i t y i s a n a l y z e d f i n a l l y , s o m ei m p o r t a n tr e l i a b i l i t yi n d e x ，s u c h a sm o d u l e i i i 北京邮电大学博士论文a b s t r a c t a v a i l a b i l i t y , i sc o n c l u d e dw i t ha p p l y i n gt h em o d e l s n u m e r i c a le x a m p l e s s h o wt h a tm o d u l er e l i a b i l i t yd e p e n do nb o t hq u a l i t yi t s e l fa n dr u n - t i m e s c e n a r i o s s u i t a b l er u n t i m es c e n a r i oc a nb ea p p l i e di nv a r i o u sm o d u l e s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e ( 3 ) an e wm e t h o df o ra n a l y z i n gc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t yo fn e t w o r k m a n a g e m e n ts o f t w a r eu s i n g s o f t w a r eb u st e c h n o l o g yi s p r o p o s e dt o r e s o l v et h ep r o b l e me x i s t e di nt h ed o m a i no fc u r r e n tn e t w o r km a n a g e m e n t s o f t w a r er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n f i r s t l y , m e s s a g et r a n s m i s s i o np r o c e s su n d e r s o f t w a r eb u si ss u m m a r i z e df r o mt h ev i e w p o i n t so fe n v i r o n m e n ta n d q u e u e ；s e c o n d l y , t h i sp r o c e s s i sm o d e l e du s i n gt i m eb a s e dp e t r i n e t s ； f i n a l l y , t h em o d e li sa n a l y z e db yr e d u c t i o nm e t h o d sa n dm a t r i xg e o m e t r i c m e t h o d ，a n ds o m ei m p o r t a n tr e l i a b i l i t yi n d e x ，s u c ha ss u c c e s sp r o b a b i l i t y o fm e s s a g et r a n s m i s s i o n ，i sc o n c l u d e dw i t h a p p l y i n g t h em o d e l s n u m e r i c a le x a m p l e ss h o wt h a tc o m m u n i c a t i o n r e l i a b i l i t y o fn e t w o r k m a n a g e m e n ts o f t w a r eu s i n gs o f t w a r eb u st e c h n o l o g yd e p e n do nb o t h t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n ta n ds e r v i c ec a p a b i l i t yo fq u e u e m o d e lc a nb e a p p l i e dt os e a r c hf o rb o t t l e n e c ko fc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t ya n di m p r o v e r e l i a b i l i t yo fd e s i g na n dc o n f i g u r a t i o n ( 4 ) an e ws o f t w a r er e l i a b i l i t ym o d e l i n gm e t h o di nw h i c hm a i n t e n a n c e p o l i c ya n df a i l u r e c o r r e l a t i o ni sc o m b i n e di sp r o p o s e df o rr e s o l v i n gt h e p r o b l e me x i s t e di n f a i l u r ec o r r e l a t i o nr e s e a r c hi nt h ed o m a i no fc u r r e n t s o f t w a r e r e l i a b i l i t ym o d e l i n g a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fu n d e t e r m i n a t em a i n t e n a n c ep o l i c ya n ds i xm o d eo fs t a t ec o n v e r s i o n ，m a r k o v r e n e w a lp r o c e s so ft h r e ec l a s sp o i n t si n c l u d i n gs u c c e s s f u lr u n ，f a i l e dr u n a n dv e r s i o nu p d a t ei su s e dt oe s t a b l i s h t h es o f t w a r er e l i a b i l i t ym o d e l r e s p e c t i v e l yi nd i s c r e t et i m ea n di nc o n t i n u o u st i m e o nt h eb a s eo fi t ，l a y e r t h o u g h ti s i n t r o d u c e di n t ot h em o d e l ：m o d e li n gd e p e n d e n ts u c c e s s i v e s o f t w a r er u n sa te a c hl a y e ra n dm a i n t e n a n c ep o l i c yb e t w e e nt w ol a y e r s f i n a l l ys o m ei m p o r t a n tr e l i a b i l i t ym e a s u r e m e n ti n c l u d i n gt h ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n o ft h et i m et of a i l u r e ，s o f t w a r er e l i a b i l i t y , m e a nt i m eb e t w e e n f a i l u r e s ，e x p e c t e dn u m b e ro ff a i l u r e sd e t e c t e da n de x p e c t e dn u m b e ro f d e f e c t sr e m o v e da r ec o n c l u d e d b ya p p l y i n g t h i s m o d e l b ym o d e l s c o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，t h ei n t r i n s i cc o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ep r o p o s e d m o d e la n do t h e rs o f t w a r em o d e l si sv a l i d a t e d a n dt h ee f f e c tw h i c hd e l a y e d i v 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t d e f e c t sr e m o v a li m p o s eo nf a i l u r ec o r r e l a t i o ni sa n a l y z e da c c o r d i n g l y k e yw o r d sn e t w o r km a n a g e m e n t ，s o f t w a r er e l i a b i l i t y , r e l i a b i l i t y m o d e ls e l e c t i o n ，r e l i a b i l i t ya l l o c a t i o n ，r u n - t i m es c e n a r i o ，s o f t w a r eb u s ， f a i l u r ec o r r e l a t i o n ，m a i n t e n a n c ep o l i c y v 北京邮电大学博士学位论文缩略词表 英文缩写 艘 a p l b s c m m c o r b a c t m c d c n d p p d s p n e m c e m s e n h p p e s g s p n g u i l s t m b 师 m c m 咂 m m p p m o m m 咀 m r g p m r s p n m t b f m n e f n h p p n v p o s o s f o s l q a f 0 b d 缩略词表 英文全拼 a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s a p p l i c a t i o np 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t r in e t s m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s m e a nn m et of a i l u r e n e t w o r ke l e m e n tf u n c t i o n n o n h o m o g e n e o u sp o i s s o np r o c e s s n - v e r s i o np r o g r a m m i n g o p e r a t i o n a ls y s t e m o p e r a t i o ns y s t e mf u n c t i o n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n qa d a p t o rf u n c t i o n q u a s ib i r t h - a n d - d e a t h 中文 分析层次过程 应用程序接口 总线端处理模块 能力成熟度模型 通用对象请求代理体系 连续时间马尔科夫链 数据交换网 分布式处理平台 确定和随机p e t r i 网 嵌入的马尔科夫链 网元管理系统 加强的非齐次泊松过程 模块端处理模块 广义随机p e t r i 网 图形用户界面 l a p l a c e s t i e l t j e s 变换 管理应用功能元 马尔科夫链 中介功能 马尔科夫调制泊松过程 面向消息的中间件 马尔科夫过程 马尔科夫再生过程 马尔科夫再生随机p e t r i 网 平均失效间隔时间 平均失效时间 网元功能 非齐次泊松过程 多版本设计 运行系统 运行系统功能 开放系统互联 q 适配器功能 拟生灭过程 s b r a s d h s f s n m s s p n s r g m t h 仆i w d m w s f s c e n a r i o b a s e dr e l i a b i l i t ya n a l y s i s s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s e c u r i t yf u n c t i o n s u b o r d i n a t en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m s t o c h a s t i cp e t r in e t s s o f t w a r er e l i a b i l i t yg r o w t hm o d e l t e l c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k w a v ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g w o r ks t a t i o nf u n c t i o n 基于场景的可靠性分析 同步数字系列 安全功能元 子网管理系统 随机p e a i 网 软件可靠性增长模型 电信管理网 波分复用 工作站功能 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：羔塞日期：丝丑亟：2 立 关于论文使用授权的说明 学位论文本章完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期： z 佃7 厂2 0 翘：么：塑 北京邮电大学博士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着通信网的不断发展和完善，作为通信网络主要支撑系统之一的网管系统， 在通信网中发挥的作用日益增强，已成为通信网络运营不可缺少的组成部分。例 如，移动通信网网管系统已经承担了话务流量采集和分析、基站小区性能分析等 多项功能，并实现了基于这些分析的网络建设决策支持系统，已成为移动通信网 运维和管理必不可少的工具。由于网管系统在通信网中的重要性，网管系统的可 靠性也就日益受到各方的重视。通信网运营商在建设网管系统时，就明确提出网 管系统平均无故障时间等量化指标，给网管系统的可靠性提出了具体要求。从系 统体系结构上看，网管系统由网络、主机和软件三部分组成，其中网管软件是实 现网管管理功能的主要实体，其可靠性是网管系统整体可靠性的根本，日益受到 越来越多的关注l h 到。 软件可靠性( s o f t w a r er e l i a b i l i t y ) 是指软件产品在规定的时间和规定的条件 下保持无故障运行的能力【3 1 。作为定量描述和评估软件可靠性指标的基础和依据， 软件可靠性是提高可靠性、进行可靠性管理以及软件交付、销售和使用的共同标 准。软件可靠性工程自从上世纪7 0 年代起步以来，目前已有很多成熟的理论和方 法，如各种可靠性增长模型( s o f t w a r er e l i a b i l i t yg r o w t hm o d e l ，s r g m ) ，基于体系 结构的分析技术等等【们j 。本论文从网管软件的特点出发，运用软件可靠性领域的 研究方法和成果，从整体上提出网管软件开展可靠性工程的框架和内容。在此基 础上，就网管系统的配置情况和通信特点，提出几种切实可行的分析和评价网管 软件可靠性设计的方法。 1 2 本文的主要贡献 本文对网管软件的可靠性工程领域进行了系统的总结，并将研究的重点集中在 建立网管软件可靠性工程框架以及进行网管软件可靠性设计所需的一些关键技术 上，包括网管软件可靠性工程的基本内容，网管系统多种运行场景下的模块可靠 性、网管系统软件总线环境下的通信可靠性以及建模失效相关性和维护策略对软 件可靠性的影响等方面。 本文的主要贡献包括： 在建立网管软件可靠性工程框架方面，运用现有的软件可靠性研究成果， 北京邮电大学博上论文第一章绪论 结合网管系统的特点，以w d m 网管软件为例，提出了网管软件可靠性工 程的基本内容，包括网管软件失效和失效严重程度定义、可靠性模型的选 择方法，可靠性指标分配方法以及可靠性设计等。 夺在评估网管软件的模块可靠性方面，在当前网管软件可靠性设计基础上， 提出了一种分析网管软件运行阶段模块可靠性的方法。该方法引入了运行 场景的概念，把网管软件可靠性设计中经常使用的定时报活、模块冗余等 措施组合为运行场景；然后，运用马尔科夫再生随机p e t r i 网对运行场景 进行了建模，定量分析了不同运行场景对模块可靠性的影响，并应用模型 得到了模块可用度等重要的可靠性指标。实验表明，网管软件模块的运行 阶段可靠性取决于自身质量和运行场景两方面的因素，可通过配置场景针 对性地进行网管软件可靠性设计。 在评估网管软件的通信可靠性方面，在当前网管软件可靠性设计基础上， 提出了一种分析网管系统软件总线环境下通信可靠性的方法。该方法首先 把发送方模块，软件总线端功能实体，接受方模块的失效恢复行为概括为 软件总线环境因素；然后，运用基于时间的p e t r i 网对软件总线环境下的 消息传送过程进行了建模；最后使用约减方法和矩阵几何方法对模型进行 了定量分析，得到了消息传送成功率等重要的可靠性指标。实例表明，网 管系统软件总线环境下的通信可靠性主要取决于队列服务能力和环境因 素，可通过模型针对性地查找通信可靠性瓶颈并进行相应的可靠性设计。 在软件可靠性建模方面，在现有失效相关性研究的基础上，基于通常的测 试过程，提出一个结合维护策略和失效相关性的软件可靠性建模方法；该 方法根据非确定性修改维护策略的特点和两次运行之间的六种状态转换 方式，采用了包含成功运行、失败运行和版本更新等三类点的马尔科夫更 新过程，在离散时间上和连续时间上分别建立了软件可靠性模型。在此基 础上，将分层思想引入了模型：在每一层上对相互依赖的软件运行进行建 模，在层与层之间对维护策略进行建模。最后应用上述模型得到了失效间 隔时间分布函数、可靠度、平均失效间隔时间、预测失效发生数和错误清 除数等重要的可靠性指标。经过模型比较与分析，验证了该模型与其它可 靠性模型的内在一致性，分析了错误延迟清除对失效相关性的影响。 1 3 本文的结构和安排 本文后续部分安排如下： 第二章从软件可靠性和网络管理两方面给出全文的相关技术研究背景。软件可 2 北京邮电大学博士论文第一章绪论 靠性方面：从分析软件可靠性的概念出发，以软件可靠性增长模型、基于构件的 软件可靠性评估、软件可靠性设计为线索对当前的软件可靠性的相关研究领域做 了比较全面的归纳和总结；网络管理方面，从可靠性的角度总结了基于t m n 的网 管软件所具有的一些特点。 第三章主要建立网管软件可靠性工程的整体框架。首先，介绍了示例系统 w d m 网管系统；然后依次提出了失效和失效严重程度定义、可靠性模型的选择 方法，可靠性指标分配方法以及可靠性设计，概括了网管软件可靠性工程的基本 活动。 第四章主要进行网管系统运行阶段的模块可靠性建模和分析。首先，从网管系 统的软件结构出发，概括了网管系统中模块所处的3 种典型运行场景；其次，简 要介绍了马尔科夫再生随机p e t r i 网的分析方法；然后，运用马尔科夫再生随机p e t r i 网分别对3 种典型场景进行建模，并分析各种场景下的模块可靠性，最后，通过 数字实例论证了不同场景参数对模块可靠性的影响。 第五章主要分析网管系统软件总线环境下的通信可靠性问题。首先，简单描述 软件总线的结构和为增强通信可靠性采取的一些技术措施；其次，基于对环境因 素和队列行为的分析提出了软件总线环境下消息传送过程的p e t r i 网模型，并进行 了定量分析；最后，通过数字实例论证了不同环境和配置对通信可靠性的影响。 第六章集中讨论基于失效相关性和维护策略的软件可靠性建模问题。首先，引 入了两个建模工具：马尔科夫更新过程和维护策略；其次，在离散时间和连续时 间分别对软件测试过程进行建模的基础上，提出了综合失效相关性和维护策略的 软件可靠性模型；然后在所提模型的基础上，分析了失效间隔时间分布函数、可 靠度、平均失效间隔时间、预测失效发生数和错误清除数等重要的可靠性指标； 最后，与其他软件可靠性模型进行了4 个方面的比较，论证所提模型与其他软件 可靠性模型的关联性，并进行了必要的模型敏感度分析。 最后是结束语，对全文进行了总结，指出了目前在研究中还存在的一些问题 和不足，并给出了下一步可能的研究课题。 参考文献 【1 】孟洛明，亓峰现代网络管理技术【m 】北京：北京邮电大学出版社，1 9 9 9 ：1 1 - 1 4 【2 1 熊翱，孟洛明基于容错机制高可靠性网管系统的研究北京邮电大学学报，2 0 0 6 ， 2 9 ( 2 ) ：9 4 - 9 7 【3 】国家标准g b t1 1 4 5 7 ，软件工程术语国家技术监督局，1 9 8 9 【4 】4 m u s ajd s o f t w a r er e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g m n e w y o r k ：m c g r a wh i l l ，1 9 9 9 ：1 7 4 - 1 8 6 3 北京邮电大学博士论文第一章绪论 【5 】y a c o u b s , e ta l a s c e n a r i o - b a s e dr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa p p r o a c hf o rc o m p o n e n t - b a s e d s o f t w a r e i e e et r a n s o ur e l i a b i l i t y ，2 0 0 4 ，5 4 ( 3 ) ：4 6 7 - 4 7 5 【6 】d a iy u a n s h u n , x i em i n , k i m l e n gp o h m o d e l i n ga n da n a l y s i so fc o r r e l a t e ds o f a r ef a i l u r e s o fm u l t i p l et y p e s i e e et r a n s o nr e l i a b i l i t y ，2 0 0 5 ，5 4 ( 1 ) ：1 0 0 - 1 0 4 【7 】蔡开元，白成刚，钟小军构件软件系统的可靠性评估模型简介西安交通大学学报，2 0 0 3 ， 3 7 ( 6 ) ：5 51 - 5 5 4 【8 】g o k h a l es s ，l y um r as i m u l a t i o na p p r o a c h t os t r u c t u r e - b a s e ds 0 f c w a r e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s i e e et r a n s o i ls o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，3 1 ( 8 ) ：6 4 3 - 6 5 6 4 北京邮电大学博士论文 第二章相关领域综述 2 1 软件可靠性概述 第二章相关领域综述 早期软件开发的方式是手工作坊式的，到了6 0 年代末，由于各种大型软件的 出现，这种作坊式的开发方式不能满足系统开发的需要，于是就出现了所谓的软 件危机。软件危机包含了计算机软件开发中所遇到的一系列问题，于是诞生了软 件工程，而软件工程的首要目的就是获得质量满意的可靠的软件【l j 。但是直到今天， 许多状况依然没有有效改变1 2 】，依然存在很多需要关注的问题。对于大型复杂系统 来说，可靠性更是非常重要p j 。 2 1 1 软件可靠性定义及其度量 如1 1 所述，软件可靠性( s o f t w a r er e l i a b i l i t y ) 是指软件产品在规定的时间 和规定的条件下保持无故障运行的能力【4 】。要理解软件可靠性，就必须对其定义有 全面的理解。 软件运行的规定条件，一般是指对输入数据的要求和计算机当时的状态，即软 件运行的环境。软件失效时，需要根据规定的条件确定失效的原因是由于操作不 当，还是软件本身有问题，从而明确失效的责任在于用户还是开发者。如果失效 的原因不在于软件本身，而是由于操作不当所致，则表明这种失效不在目前软件 的可靠性范围内。只有那种由于软件本身的原因引起的失效才是软件可靠性需要 关注的问题。所以，规定的条件是判定软件失效的关键，同时也是准确给出软件 可靠性度量的前提。 规定的时间则包含了两个方面： 一是定义什么样的时间作为规定的时间。软件的可靠性体现在软件运行阶段， 这时软件中不可避免的存在一些未被测试人员发现的残存缺陷。尽管假设被发现 的缺陷或发生的软件故障与时间( 测试时间或运行时间) 相互独立1 5 j ，但随着软件 累积的运行时间不断延长，处理问题的范围相应地扩大，将导致软件出错概率的 增长。所以软件运行的时间应当是指软件系统投入运行后工作和挂起的累积时间， 系统被关闭或者说退出软件系统后的时间不包含在其中。但运行时间可以有不同 的表述，如小时、日、周还是次数等。到目前为止，出现了众多的软件失效模型， 各种模型对时间变量有着不同的要求。 5 北京邮电人学博士论文 第二章相关领域综述 二是如何规定时间区间，即在什么时间范围内，软件持续无失效地运行才是可 靠的。因此，具体到某一个软件的可靠性时，不但要说明时间变量的具体含义， 还需要制定出一个明确的时间范围，指出只有在该范围内能正确运行时，软件才 是可靠的。 通过明确指定的功能及其如何实现，可以确定导致软件失效的错误原因以及这 些错误的性质。m u s a 发现l 引，在一般情况下，性质无法确定的错误数小于所有错 误的5 ，如果性质无法确定的错误达到了一定的数量，如所有错误总数的1 0 2 0 ，将难以对软件可靠性进行评估。在这种情况下，必须重新刻画软件可靠性， 或进一步改进关于错误的定义并提高错误诊断技术1 6 j 。 由于软件可靠性表达的是一种能力，这种能力描述的是软件能j 下确地按要求运 行的可能性，而且随着运行时间的累积，这种可能性还将不断降低，所以软件可 靠性度量的指标只能从时间角度出发，用概率来表示。反过来说，可以通过概率 模型来获得软件可靠性的定量描述。 软件可靠性的指标主要包括可靠度函数r ( t ) 、失效分布函数f ( t ) 、失效密度函 数“t ) 、失效率函数入( t ) 和平均失效时间( m e a nt i m et of a i l u r e ，m t i t ) ，以及平 均失效问隔时间( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ，m t b f ) 等。 2 1 2 软件可靠性研究的内容 软件的可靠性与软件生命周期紧密相连，它存在于软件的整个生命周期中，尽 管软件工程中也把提高软件可靠性作为重要任务之一，但它主要是从软件生产和 质量管理角度来加以考虑的。而软件可靠性则需要更多地考虑如何从技术角度促 进软件可靠性的实际提高，以及如何更加有效、合理的评估软件的可靠性等。 软件可靠性研究的目的主要是设计、评价和度量软件的可靠性，以及对软件的 可靠性进行预测。从软件的生命周期来看，可以将软件的可靠性研究分为两个阶 段。在需求分析、设计和编码阶段，需要分析软件的固有复杂性和软件的实现过 程，将软件可靠性形成的过程抽象模型化，从而分析和研究决定可靠性的主要原 因，以便从工程管理和技术实现的角度对软件的可靠性加以控制和实现。而在软 件测试和维护阶段，则必须对软件的失效和恢复情况加以记录，再根据记录的数 据建立抽象模型，从而分析和掌握软件可靠性的高低及其变化趋势，同时对软件 可靠性的设计和实现加以验证。 另外，从技术和管理的角度来看，对软件可靠性的研究主要也可以分为两大部 分：一是对软件可靠性的分析、设计、实现、测试和评估等。其中可靠性分析包 括对软件可靠性的需求分析、指标分配，以及软件开发过程中有关软件可靠性的 6 北京邮电