https://liangweidonggood.github.io/tags/%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E5%8F%AF%E9%9D%A0%E6%80%A7/Recent content in 软件可靠性 on Liangweidong's blogHugo -- gohugo.iozh-cnMon, 01 Jan 2024 00:00:00 +0000https://liangweidonggood.github.io/p/11-ruan-jian-ke-kao-xing/Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 +0000https://liangweidonggood.github.io/p/11-ruan-jian-ke-kao-xing/<h1 id="11-软件可靠性基于第11小时">11-软件可靠性（基于第11小时） </h1> <blockquote> <p>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）</p> </blockquote> <hr> <h2 id="0-考点分析">0. 考点分析 </h2><p>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。</p> <p><strong>考试特点</strong>：</p> <ul> <li>选择题 2-3 分（概念 + 可靠性设计技术）</li> <li>论文题高频素材（软件可靠性设计、容错技术、测试方法）</li> <li>案例题偶尔涉及</li> </ul> <h2 id="1-核心知识点">1. 核心知识点 </h2><h3 id="11-软件可靠性的定义">1.1 软件可靠性的定义 </h3><ul> <li><strong>定义</strong>：在规定的时间内，<strong>软件不引起系统失效的概率</strong></li> <li><strong>关键点</strong>： <ul> <li>该概率是系统输入和系统使用的函数</li> <li>也是软件中存在的缺陷函数</li> <li>系统输入将确定是否会遇到已存在的缺陷</li> </ul> </li> </ul> <h3 id="12-软件可靠性的定量描述">1.2 软件可靠性的定量描述 </h3><ul> <li>软件的可靠性是在<strong>软件使用条件</strong>、在<strong>规定时间内</strong>、<strong>系统的输入/输出</strong>、<strong>系统使用</strong>等变量构成的数学表达式</li> <li>度量指标： <ul> <li><strong>可靠度</strong></li> <li><strong>平均失效时间</strong>（MTTF）</li> <li><strong>故障强度</strong>（故障率）</li> </ul> </li> </ul> <h3 id="13-可靠性的目标">1.3 可靠性的目标 </h3><ul> <li>软件可靠性是指<strong>用户对所使用的软件的性能满意程度的期望</strong></li> <li>度量：可靠度、平均失效时间、故障强度</li> </ul> <h3 id="14-可靠性测试的意义与目的">1.4 可靠性测试的意义与目的 </h3><p><strong>5 大意义</strong>：</p> <ol> <li><strong>软件失效可能造成灾难性的后果</strong></li> <li>软件的失效在整个计算机系统失效中的比例较高</li> <li>相比硬件可靠性技术，软件可靠性技术<strong>不成熟</strong></li> <li>软件可靠性问题会造成软件费用增长</li> <li>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</li> </ol> <p><strong>测试目的</strong>（教材图 11.3）：</p> <ul> <li>验证软件可靠性水平是否达到预期目标</li> <li>评估、预测软件可靠性</li> <li>发现软件中的缺陷</li> <li>为可靠性建模提供数据</li> </ul> <h3 id="15-广义的可靠性测试与狭义的可靠性测试">1.5 广义的可靠性测试与狭义的可靠性测试 </h3><table> <thead> <tr> <th>维度</th> <th>广义可靠性测试</th> <th>狭义可靠性测试</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>定义</strong></td> <td>为最终评价软件系统可靠性而运用<strong>建模、统计、试验、分析和评价</strong>等一系列手段对软件系统实施的测试</td> <td>为获取可靠性数据，按预先确定好的测试用例，在软件预期使用环境中，对软件实施的测试</td> </tr> <tr> <td><strong>范围</strong></td> <td>全面评价</td> <td>单一执行</td> </tr> <tr> <td><strong>手段</strong></td> <td>建模+统计+试验+分析+评价</td> <td>按测试用例执行</td> </tr> </tbody> </table> <h3 id="16-软件可靠性建模">1.6 软件可靠性建模 </h3><h4 id="影响软件可靠性的因素">影响软件可靠性的因素 </h4><ol> <li><strong>运行环境</strong></li> <li><strong>软件规模</strong></li> <li><strong>软件的内部结构</strong></li> <li><strong>软件的开发方法和开发环境</strong></li> <li><strong>软件的可靠性投入</strong></li> </ol> <h4 id="建模方法10-种">建模方法（10 种） </h4><table> <thead> <tr> <th>类别</th> <th>方法</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>种子法</strong></td> <td>在软件中故意植入一些缺陷并估计</td> </tr> <tr> <td><strong>失效率类</strong></td> <td>基于失效率的模型</td> </tr> <tr> <td><strong>曲线拟合类</strong></td> <td>对历史数据进行曲线拟合</td> </tr> <tr> <td><strong>可靠性增长</strong></td> <td>跟踪软件随时间演变的可靠性增长</td> </tr> <tr> <td><strong>程序结构分析</strong></td> <td>基于代码结构分析</td> </tr> <tr> <td><strong>输入域分类</strong></td> <td>按输入空间分类</td> </tr> <tr> <td><strong>执行路径分析</strong></td> <td>基于代码执行路径</td> </tr> <tr> <td><strong>非齐次泊松过程</strong></td> <td>NHPP 模型（如 Musa 模型）</td> </tr> <tr> <td><strong>马尔可夫过程</strong></td> <td>基于状态转移</td> </tr> <tr> <td><strong>贝叶斯分析</strong></td> <td>利用先验信息</td> </tr> </tbody> </table> <h4 id="可靠性模型的组成和特性">可靠性模型的组成和特性 </h4><p>教材图 11.4 展示模型组成和特性。建模时需考虑：</p> <ul> <li>模型假设的适用性</li> <li>预测能力与质量</li> <li>模型输出值能否满足可靠性评价需求</li> <li>模型使用的简便性</li> </ul> <h3 id="17-软件可靠性管理">1.7 软件可靠性管理 </h3><p><strong>5 大阶段</strong>（教材图 11.5）：</p> <ol> <li><strong>需求分析阶段</strong>：确定可靠性指标</li> <li><strong>设计阶段</strong>：可靠性设计</li> <li><strong>实现阶段</strong>：编码规范、代码审查</li> <li><strong>测试阶段</strong>：可靠性测试</li> <li><strong>运行阶段</strong>：可靠性评估与改进</li> </ol> <h3 id="18-软件可靠性设计-核心重点">1.8 软件可靠性设计（⭐⭐⭐ 核心重点） </h3><p><strong>4 大设计技术</strong>：</p> <table> <thead> <tr> <th>技术</th> <th>关键点</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>容错设计</strong></td> <td>恢复块设计、N 版本程序设计、冗余设计</td> </tr> <tr> <td><strong>检错技术</strong></td> <td>代价低，需人工干预</td> </tr> <tr> <td><strong>降低复杂度设计</strong></td> <td>简化结构、缩短代码、优化数据流</td> </tr> <tr> <td><strong>系统配置技术</strong></td> <td>双机热备、服务器集群</td> </tr> </tbody> </table> <h4 id="容错设计技术">容错设计技术 </h4><h5 id="恢复块设计">恢复块设计 </h5><ul> <li>选择一组操作作为容错设计单元</li> <li>把普通的程序块变成<strong>恢复块</strong>（含有备份/重试逻辑的块）</li> </ul> <h5 id="n-版本程序设计">N 版本程序设计 </h5><ul> <li>设计<strong>多个模块或不同版本</strong></li> <li>对相同初始条件和相同输入的操作结果实行<strong>多数表决</strong></li> <li>防止某一软件模块/版本故障提供错误服务</li> </ul> <h5 id="冗余设计">冗余设计 </h5><ul> <li>在完整软件系统之外，设计<strong>不同路径、不同算法或不同实现方式</strong>的模块/系统作为<strong>备份</strong></li> <li>出现故障时使用冗余部分替换</li> </ul> <h4 id="检错技术4-要素">检错技术（4 要素） </h4><table> <thead> <tr> <th>要素</th> <th>说明</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>检测对象</strong></td> <td>检测的目标</td> </tr> <tr> <td><strong>检测延时</strong></td> <td>从故障发生到被检测出来的时间</td> </tr> <tr> <td><strong>实现方式</strong></td> <td>检测的具体方法</td> </tr> <tr> <td><strong>处理方式</strong></td> <td>检测到故障后如何处理</td> </tr> </tbody> </table> <ul> <li>检错设计<strong>代价低于容错技术和冗余技术</strong></li> <li><strong>不能自动解决故障，需要人工干预</strong></li> </ul> <h4 id="降低复杂度设计">降低复杂度设计 </h4><ul> <li>思想：在保证实现软件功能基础上，<strong>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</strong></li> </ul> <h4 id="系统配置技术">系统配置技术 </h4><h5 id="双机热备技术">双机热备技术 </h5><ul> <li>采用&quot;<strong>心跳</strong>&ldquo;方法保证主系统与备用系统的联系</li> <li>三种工作方式：</li> </ul> <table> <thead> <tr> <th>模式</th> <th>工作方式</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>双机热备</strong></td> <td>一台工作，一台后备</td> </tr> <tr> <td><strong>双机互备</strong></td> <td>两台运行相对独立应用，互为后备</td> </tr> <tr> <td><strong>双机双工</strong></td> <td>两台同时运行相同应用，互为后备</td> </tr> </tbody> </table> <ul> <li>数据写入：Active 服务器 + Standby 服务器同时写入，保证即时同步</li> </ul> <h5 id="服务器集群技术">服务器集群技术 </h5><ul> <li>集群内各节点服务器通过<strong>内部局域网</strong>相互通信</li> <li>若某节点服务器发生故障，这台服务器运行的<strong>应用被另一节点服务器自动接管</strong></li> </ul> <h3 id="19-软件可靠性测试">1.9 软件可靠性测试 </h3><p><strong>5 大步骤</strong>：</p> <ol> <li>可靠性目标的确定</li> <li>运行剖面的开发</li> <li>测试用例的设计</li> <li>测试实施</li> <li>测试结果分析</li> </ol> <h4 id="定义软件运行剖面">定义软件运行剖面 </h4><ul> <li>为软件的使用行为建模</li> <li>开发使用模型，明确需测试内容</li> </ul> <h4 id="测试用例设计">测试用例设计 </h4><ul> <li>测试用例要<strong>反映实际使用情况</strong></li> <li>优先测试<strong>最重要和最频繁使用</strong>的功能</li> <li>测试用例组成（教材图 11.6）：输入数据 + 测试步骤 + 预期结果</li> </ul> <h4 id="可靠性测试数据4-类">可靠性测试数据（4 类） </h4><p>按时间定义分：</p> <ol> <li><strong>失效时间数据</strong></li> <li><strong>失效间隔时间数据</strong></li> <li><strong>分组时间内的失效数</strong></li> <li><strong>分组时间的累积失效数</strong></li> </ol> <h4 id="测试记录与测试报告">测试记录与测试报告 </h4><p>组成（教材图 11.7）：测试环境 + 测试数据 + 测试结果 + 失效分析</p> <h3 id="110-软件可靠性评价">1.10 软件可靠性评价 </h3><p><strong>评价过程</strong>：</p> <ol> <li>选择可靠性模型</li> <li>收集可靠性数据</li> <li>可靠性评估和预测</li> </ol> <h4 id="选择可靠性模型的-4-个方面">选择可靠性模型的 4 个方面 </h4><ol> <li><strong>模型假设的适用性</strong></li> <li><strong>预测的能力与质量</strong></li> <li><strong>模型输出值能否满足可靠性的评价需求</strong></li> <li><strong>模型使用的简便性</strong></li> </ol> <h4 id="可靠性数据收集的办法">可靠性数据收集的办法 </h4><ol> <li>尽可能早地确定可靠性模型</li> <li>数据收集计划要有较强的可操作性</li> <li>重视测试数据的分析和整理</li> <li>充分利用技术手段（数据库技术）来完成分析和统计</li> </ol> <h4 id="评估和预测">评估和预测 </h4><ul> <li>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</li> <li>手段：以<strong>软件可靠性模型分析为主</strong>，以<strong>失效数据的图形分析法和试探性数据分析技术</strong>等为辅</li> </ul> <h2 id="2-关键概念速查">2. 关键概念速查 </h2><table> <thead> <tr> <th>概念</th> <th>定义/说明</th> <th>常见考点</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>软件可靠性</td> <td>规定时间内软件不引起系统失效的概率</td> <td>定义</td> </tr> <tr> <td>可靠度</td> <td>软件不引起系统失效的概率</td> <td>三大度量指标</td> </tr> <tr> <td>MTTF</td> <td>平均失效时间</td> <td>三大度量指标</td> </tr> <tr> <td>故障强度</td> <td>单位时间内故障数</td> <td>三大度量指标</td> </tr> <tr> <td>恢复块设计</td> <td>选择一组操作作为容错设计单元</td> <td>容错技术</td> </tr> <tr> <td>N 版本程序设计</td> <td>多版本多数表决</td> <td>容错技术</td> </tr> <tr> <td>冗余设计</td> <td>不同路径/算法/实现方式作备份</td> <td>容错技术</td> </tr> <tr> <td>检错技术 4 要素</td> <td>检测对象/检测延时/实现方式/处理方式</td> <td>必考</td> </tr> <tr> <td>双机热备</td> <td>一台工作一台后备</td> <td>3 种模式</td> </tr> <tr> <td>双机互备</td> <td>两台独立应用互为后备</td> <td>3 种模式</td> </tr> <tr> <td>双机双工</td> <td>两台同时运行相同应用</td> <td>3 种模式</td> </tr> <tr> <td>服务器集群</td> <td>通过内部局域网互连，故障自动接管</td> <td>vs 双机热备</td> </tr> <tr> <td>可靠性建模方法</td> <td>种子法/失效率类/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</td> <td>10 种方法</td> </tr> <tr> <td>可靠性测试 5 步骤</td> <td>目标/运行剖面/用例/实施/分析</td> <td>顺序</td> </tr> </tbody> </table> <h2 id="3-典型例题">3. 典型例题 </h2><h3 id="例题-1检错技术-4-要素">例题 1（检错技术 4 要素） </h3><p><strong>题目</strong>：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。</p> <ul> <li>A. 检测延时</li> <li>B. 测试结果</li> <li>C. 性能测试</li> <li>D. 功能测试</li> </ul> <p><strong>答案</strong>：A</p> <p><strong>解析</strong>：检错设计 4 要素 = 检测对象 + <strong>检测延时</strong> + 实现方式 + 处理方式。</p> <hr> <h3 id="例题-2双机热备-vs-集群">例题 2（双机热备 vs 集群） </h3><p><strong>题目</strong>：（ ）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。</p> <ul> <li>A. 双机热备</li> <li>B. 双机互备</li> <li>C. 双机双工</li> <li>D. 服务器集群</li> </ul> <p><strong>答案</strong>：A</p> <p><strong>解析</strong>：Active/Standby = 一台工作一台后备 = <strong>双机热备模式</strong>。</p> <hr> <h3 id="例题-3容错设计辨析">例题 3（容错设计辨析） </h3><p><strong>题目</strong>：关于 N 版本程序设计，下列说法正确的是：</p> <ul> <li>A. 设计一个模块的多个不同版本</li> <li>B. 对相同输入的结果实行多数表决</li> <li>C. 自动恢复故障模块</li> <li>D. 适用于所有类型的系统</li> </ul> <p><strong>答案</strong>：B</p> <p><strong>解析</strong>：N 版本程序设计 = 设计<strong>多个模块或不同版本</strong> + 对相同初始条件和输入的结果<strong>多数表决</strong>。不能自动恢复，需要表决选择正确结果。</p> <hr> <h3 id="例题-4可靠性建模方法">例题 4（可靠性建模方法） </h3><p><strong>题目</strong>：以下不属于软件可靠性建模方法的是：</p> <ul> <li>A. 种子法</li> <li>B. 失效率类</li> <li>C. 曲线拟合类</li> <li>D. 故障树分析法</li> </ul> <p><strong>答案</strong>：D</p> <p><strong>解析</strong>：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，<strong>故障树分析法</strong>是硬件可靠性方法。</p> <h2 id="4-高频考点">4. 高频考点 </h2><h3 id="41-必须记住的核心要点">4.1 必须记住的核心要点 </h3><ol> <li><strong>可靠性定义</strong>：规定时间内不引起系统失效的<strong>概率</strong></li> <li><strong>三大度量指标</strong>：可靠度、平均失效时间（MTTF）、故障强度</li> <li><strong>可靠性测试 5 大意义</strong>：灾难后果、高失效比例、技术不成熟、费用增长、社会影响</li> <li><strong>可靠性设计 4 大技术</strong>：容错设计、检错技术、降低复杂度设计、系统配置技术</li> <li><strong>容错设计 3 种</strong>：恢复块设计、N 版本程序设计（多数表决）、冗余设计</li> <li><strong>检错技术 4 要素</strong>：检测对象、检测延时、实现方式、处理方式</li> <li><strong>双机热备 3 模式</strong>： <ul> <li>双机热备（一工一备）</li> <li>双机互备（两台独立应用，互为后备）</li> <li>双机双工（两台同时运行相同应用）</li> </ul> </li> <li><strong>集群 vs 双机</strong>：集群通过<strong>内部局域网</strong>通信，故障自动接管</li> <li><strong>建模方法 10 种</strong>：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</li> <li><strong>可靠性评价 3 步</strong>：选模型→收数据→评预测</li> <li><strong>测试实施 5 步骤</strong>：目标→运行剖面→用例设计→实施→结果分析</li> </ol> <h3 id="42-易混淆对比">4.2 易混淆对比 </h3><table> <thead> <tr> <th>对比项</th> <th>区别</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>容错 vs 检错</td> <td>容错<strong>自动</strong>处理错误，检错<strong>需人工干预</strong></td> </tr> <tr> <td>容错 vs 冗余</td> <td>容错是处理错误的策略，冗余是备份的<strong>实现方式</strong></td> </tr> <tr> <td>恢复块 vs N 版本</td> <td>恢复块是<strong>重试</strong>，N 版本是<strong>多版本表决</strong></td> </tr> <tr> <td>双机热备 vs 双机互备</td> <td>热备是<strong>相同应用</strong>（一工一备），互备是<strong>不同应用</strong>互为备份</td> </tr> <tr> <td>双机热备 vs 双机双工</td> <td>热备是<strong>一工一备</strong>，双工是<strong>两台同时工作</strong>（互为后备）</td> </tr> <tr> <td>集群 vs 双机</td> <td>集群是<strong>多节点</strong>，通过 LAN 通信，<strong>自动接管</strong></td> </tr> <tr> <td>广义 vs 狭义可靠性测试</td> <td>广义包含<strong>建模+统计+试验+分析+评价</strong>，狭义只按用例执行</td> </tr> <tr> <td>性能 vs 可靠性</td> <td>性能是响应能力，可靠性是<strong>无故障运行</strong>能力</td> </tr> <tr> <td>鲁棒性 vs 容错</td> <td>鲁棒性是<strong>不产生影响</strong>，容错是<strong>自行修正</strong></td> </tr> </tbody> </table>