11-软件可靠性（基于第11小时）

软考-系统架构设计师 | 第3篇 架构设计高级知识 出题形式：单项选择题 + 论文题 分值占比：约 2-4 分（选择）

0. 考点分析

本小时专注于软件可靠性，包括基本概念、建模、管理、设计、测试和评价。

考试特点：

• 选择题 2-3 分（概念 + 可靠性设计技术）
• 论文题高频素材（软件可靠性设计、容错技术、测试方法）
• 案例题偶尔涉及

1. 核心知识点

1.1 软件可靠性的定义

• 定义：在规定的时间内，软件不引起系统失效的概率
• 关键点：
  • 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

1.2 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
• 度量指标：
  • 可靠度
  • 平均失效时间（MTTF）
  • 故障强度（故障率）

1.3 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
• 度量：可靠度、平均失效时间、故障强度

1.4 可靠性测试的意义与目的

5 大意义：

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日益增大

测试目的（教材图 11.3）：

• 验证软件可靠性水平是否达到预期目标
• 评估、预测软件可靠性
• 发现软件中的缺陷
• 为可靠性建模提供数据

1.5 广义的可靠性测试与狭义的可靠性测试

1.6 软件可靠性建模

影响软件可靠性的因素

1. 运行环境
2. 软件规模
3. 软件的内部结构
4. 软件的开发方法和开发环境
5. 软件的可靠性投入

建模方法（10 种）

可靠性模型的组成和特性

教材图 11.4 展示模型组成和特性。建模时需考虑：

• 模型假设的适用性
• 预测能力与质量
• 模型输出值能否满足可靠性评价需求
• 模型使用的简便性

1.7 软件可靠性管理

5 大阶段（教材图 11.5）：

1. 需求分析阶段：确定可靠性指标
2. 设计阶段：可靠性设计
3. 实现阶段：编码规范、代码审查
4. 测试阶段：可靠性测试
5. 运行阶段：可靠性评估与改进

1.8 软件可靠性设计（⭐⭐⭐ 核心重点）

4 大设计技术：

容错设计技术

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（含有备份/重试逻辑的块）

N 版本程序设计

• 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
• 防止某一软件模块/版本故障提供错误服务

冗余设计

• 在完整软件系统之外，设计不同路径、不同算法或不同实现方式的模块/系统作为备份
• 出现故障时使用冗余部分替换

检错技术（4 要素）

• 检错设计代价低于容错技术和冗余技术
• 不能自动解决故障，需要人工干预

降低复杂度设计

• 思想：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

系统配置技术

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
• 三种工作方式：

• 数据写入：Active 服务器 + Standby 服务器同时写入，保证即时同步

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

1.9 软件可靠性测试

5 大步骤：

1. 可靠性目标的确定
2. 运行剖面的开发
3. 测试用例的设计
4. 测试实施
5. 测试结果分析

定义软件运行剖面

• 为软件的使用行为建模
• 开发使用模型，明确需测试内容

测试用例设计

• 测试用例要反映实际使用情况
• 优先测试最重要和最频繁使用的功能
• 测试用例组成（教材图 11.6）：输入数据 + 测试步骤 + 预期结果

可靠性测试数据（4 类）

按时间定义分：

1. 失效时间数据
2. 失效间隔时间数据
3. 分组时间内的失效数
4. 分组时间的累积失效数

测试记录与测试报告

组成（教材图 11.7）：测试环境 + 测试数据 + 测试结果 + 失效分析

1.10 软件可靠性评价

评价过程：

1. 选择可靠性模型
2. 收集可靠性数据
3. 可靠性评估和预测

选择可靠性模型的 4 个方面

1. 模型假设的适用性
2. 预测的能力与质量
3. 模型输出值能否满足可靠性的评价需求
4. 模型使用的简便性

可靠性数据收集的办法

1. 尽可能早地确定可靠性模型
2. 数据收集计划要有较强的可操作性
3. 重视测试数据的分析和整理
4. 充分利用技术手段（数据库技术）来完成分析和统计

评估和预测

• 目的：评估软件系统可靠性状况、预测将来一段时间的可靠性水平
• 手段：以软件可靠性模型分析为主，以失效数据的图形分析法和试探性数据分析技术等为辅

2. 关键概念速查

3. 典型例题

例题 1（检错技术 4 要素）

题目：采用检错设计技术要着重考虑四个要素：检测对象、（ ）、实现方法和处理方式。

• A. 检测延时
• B. 测试结果
• C. 性能测试
• D. 功能测试

答案：A

解析：检错设计 4 要素 = 检测对象 + 检测延时 + 实现方式 + 处理方式。

例题 2（双机热备 vs 集群）

题目：（ ）是通常所说的 Active/Standby 方式，Active 服务器处于工作状态，Standby 服务器处于监控准备状态，服务器数据包括数据库数据同时往两台或多台服务器写入，保证数据的即时同步。

• A. 双机热备
• B. 双机互备
• C. 双机双工
• D. 服务器集群

答案：A

解析：Active/Standby = 一台工作一台后备 = 双机热备模式。

例题 3（容错设计辨析）

题目：关于 N 版本程序设计，下列说法正确的是：

• A. 设计一个模块的多个不同版本
• B. 对相同输入的结果实行多数表决
• C. 自动恢复故障模块
• D. 适用于所有类型的系统

答案：B

解析：N 版本程序设计 = 设计多个模块或不同版本 + 对相同初始条件和输入的结果多数表决。不能自动恢复，需要表决选择正确结果。

例题 4（可靠性建模方法）

题目：以下不属于软件可靠性建模方法的是：

• A. 种子法
• B. 失效率类
• C. 曲线拟合类
• D. 故障树分析法

答案：D

解析：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/NHPP/马尔可夫过程/贝叶斯分析，故障树分析法是硬件可靠性方法。

4. 高频考点

4.1 必须记住的核心要点

1. 可靠性定义：规定时间内不引起系统失效的概率
2. 三大度量指标：可靠度、平均失效时间（MTTF）、故障强度
3. 可靠性测试 5 大意义：灾难后果、高失效比例、技术不成熟、费用增长、社会影响
4. 可靠性设计 4 大技术：容错设计、检错技术、降低复杂度设计、系统配置技术
5. 容错设计 3 种：恢复块设计、N 版本程序设计（多数表决）、冗余设计
6. 检错技术 4 要素：检测对象、检测延时、实现方式、处理方式
7. 双机热备 3 模式：
   • 双机热备（一工一备）
   • 双机互备（两台独立应用，互为后备）
   • 双机双工（两台同时运行相同应用）
8. 集群 vs 双机：集群通过内部局域网通信，故障自动接管
9. 建模方法 10 种：种子/失效率/曲线拟合/可靠性增长/程序结构/输入域/执行路径/NHPP/马尔可夫/贝叶斯
10. 可靠性评价 3 步：选模型→收数据→评预测
11. 测试实施 5 步骤：目标→运行剖面→用例设计→实施→结果分析

4.2 易混淆对比