系统架构师考试学习笔记第三篇——架构设计高级知识（11）软件可靠性基础知识

本章知识点：

第11课时主要学习软件可靠性基本概念、建模、管理、设计、测试和评价等内容。本课时内容侧重于概念知识,根据以往全国计算机技术与软件专业技术资格(水平)考试的出题规律,考查的知识点多来源于教材,扩展内容较少。根据考试大纲,本课时知识点会涉及单项选择题(约占2~3分),论文也会有涉及。本课时知识架构如图11.1所示。

一、软件可靠性基本概念

1.软件可靠性的定义

软件可靠性是指在规定的时间内,软件不引起系统失效的概率。该概率是系统输入和系统使用的函数,也是软件中存在的缺陷函数;系统输入将确定是否会遇到已存在的缺陷。

2.软件可靠性的定量描述

软件的可靠性是在软件使用条件、在规定时间内、系统的输入/输出、系统使用等变量构成的数学表达式,如图11.2所示。

3.可靠性的目标

软件可靠性是指用户对所使用的软件的性能满意程度的期望。可以用可靠度、平均失效时间和故障强度等来描述。

4.可靠性测试的意义与目的

        可靠性测试的意义是:
        (1)软件失效可能造成灾难性的后果。
        (2)软件的失效在整个计算机系统失效中的比例较高。
        (3)相比硬件可靠性技术,软件可靠性技术不成熟。
        (4)软件可靠性问题会造成软件费用增长。

（5)系统对软件的依赖性强，对生产活动和社会生活影响目益增大。

可靠性测试的目的如图11,3所示。

5.广义的可靠性测试与狭义的可靠性测试

（1)广义的可靠性测试是为了最终评价软件系统的可靠性而运用建模、统计、试验、分析和评价等一系列手段对软件系统实施的一种测试。
（2)狭义的可靠性测试指为了获取可靠性数据，按预先确定好的测试用例，在软件预期使用环境中，对软件实施的一种测试。

二、软件可靠性建模

（1)影响软件可靠性的因素包括：运行环境、软件规模、软件的内部结构、软件的开发方法和开发环境、软件的可靠性投入。
（2)软件可靠性模型的组成和特性，如图11.4所示。

（3)软件可靠性建模方法包括：种子法、失效率类、曲线拟合类、可靠性增长、程序结构分析、输入域分类、执行路径分析方法、非齐次泊松过程、马尔可夫过程、贝叶斯分析。

三、软件可靠性管理

软件可靠性管理的各阶段，如图11.5所示。

四、软件可靠性设计

        软件可靠性设计技术有：容错设计技术、检错技术、降低复杂度设计、系统配置技术。
（1)容错设计技术：恢复块设计、N版本程序设计、冗余设计。
        1)恢复块设计：选择一组操作作为容错设计单元，把普通的程序块变成恢复块。
        2)N版本程序设计：通过设计多个模块或不同版本，对相同初始条件和相同输入的操作结果，实行多数表决，防止其中某一软件模块／版本的故障提供错误的服务。
        3)冗余设计：在一套完整的软件系统之外，设计一种不同路径、不同算法或不同实现方式方法的模块或系统作为备份，在出现故障时可使用冗余部分进行替换。
（2)检错技术。
        1)检错技术代价低于容错技术和冗余技术，但是不能自动解决故障，需要人工干预。
        2)检错技术着重考虑检测对象、检测延时、实现方式、处理方式四个要素。
（3)降低复杂度设计。
降低复杂度设计思想是在保证实现软件功能基础上，简化软件结构、缩短程序代码长度、优化软件数据流向、降低软件复杂度、提高软件可靠性。

（4)系统配置技术：可以分为双机热备技术和服务器集群技术。
        1)双机热备技术。
        ·采用“心跳”方法保证主系统与备用系统的联系。
        ·根据两台服务器的工作方式分为双机热备模式（十台工作，一台后备）、双机互备模式（两台运行相对独立应用，互为后备）、双机双工模式（两台同时运行相同应用，互为后备）。
        2)服务器集群技术。
        集群内各节点服务器通过内部局域网相互通信，若某节点服务器发生故障，这台服务器运行的应用被另一节点服务器自动接管。