Моделі, методи та інструментальні засоби розробки багатоверсійного програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

“ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ЗАСОБИ РОЗРОБКИ БАГАТОВЕРСІЙНОГО ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-УПРАВЛЯЮЧИХ СИСТЕМ КРИТИЧНОГО ЗАСТОСУВАННЯ

05.13.06 - автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології

ВОЛКОВИЙ АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Харченко Вячеслав Сергійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідуючий кафедрою комп'ютерних систем і мереж.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Фурман Ілля Олександрович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, завідуючий кафедрою автоматизації та комп'ютерних технологій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Виноградська Світлана Василівна, Державний науково-технічний центр ядерної та радіаційної безпеки, начальник лабораторії відділу аналізу безпеки управляючих та інформаційних систем АЕС

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки, кафедра електронних обчислювальних машин, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “20” жовтня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий “16” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.О. Латкін

АНОТАЦІЯ

Волковий А. В. Моделі, методи та інструментальні засоби розробки багатоверсійного програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2006.

Дисертація присвячена розробці методів та моделей, що дозволяють комплексно вирішувати задачу вибору видів і об'єму диверсності для програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування з урахуванням вимог нормативних документів і специфікації проекту.

Науковими результатами є: метод формування профілів багатоверсійного ПЗ, який дозволяє автоматизувати процес визначення множини вимог для розробки та верифікації ПЗ; модель життєвого циклу багатоверсійного ПЗ, яка враховує види диверсності, кількість версій на кожному етапі; метод оцінки надійності багатоверсійного ПЗ, який за рахунок використання спеціальних метрик дозволяє розраховувати показники надійності на різних етапах життєвого циклу; метод розробки багатоверсійного ПЗ, що базується на поетапному виборі багатоверсійної технології і дозволяє скоротити витрати на розробку при забезпеченні необхідного рівня надійності. Використання цих методів та інструментальних засобів, що створені для їх підтримки, під час розробки багатоверсійного ПЗ дозволяє знизити ризик невиявлених дефектів та забезпечити підвищення надійності ІУС за рахунок відмовостійкості багатоверсійного ПЗ.

Ключові слова: інформаційно-управляюча система, програмне забезпечення, відмовостійкість, надійність, надлишковість, багатоверсійність, диверсність.

АННОТАЦИЯ

Волковой А. В. Модели, методы и инструментальные средства разработки многоверсионного программного обеспечения информационно-управляющих систем критического применения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена разработке методов и моделей, которые позволяют комплексно решать задачу выбора видов и объема диверсности для программного обеспечения информационно-управляющих систем (ИУС) критического применения с учетом требований нормативных документов и спецификации проекта.

Многоверсионный подход к разработке программного обеспечения является одним из направлений повышения надежности и безопасности информационно управляющих систем критического применения за счет избыточности, которая вносится во время создания и позволяет за счет разнообразия (диверсности) уменьшать количество необнаруженных дефектов при разработке и повысить отказоустойчивость конечного многоверсионного программного продукта (МВПО).

Однако, несовершенство методов, которые ранее использовались при разработке МВПО, не позволяет эффективно решать задачу выбора технологий разработки с целью обеспечения необходимых характеристик ПО и ИУС при минимизации дополнительных расходов, связанных с избыточностью.

В работе проанализированы требования к надежности ПО и ИУС комплексов критического применения, предъявляемые нормативными документами различных уровней. Уточнена классификация требований к ПО как части ИУС и к процессам их разработки. Для решения задачи определения множества требований к ПО, создаваемому с использованием многоверсионного подхода, предложен метод формирования профилей МВПО, базирующийся на операциях классификации, выбора и гармонизации элементов нормативной и технической документации. Данный метод позволяет автоматизировать процесс определения множества требований для разработки и верификации многоверсионного ПО и тем самым обеспечивает полноту задания и выполнения требований.

Опираясь на результаты решения задачи формирования нормативного профиля, сформулированы требования к специальной модели жизненного цикла, которая должна учитывать особенности многоверсионного процесса разработки (количество версий, разнообразие проектных решений и их совместимость). Систематизированы виды диверсности, применяемые в программной инженерии. Разработана модель ЖЦ МВПО, которая учитывает виды диверсности, число версий на каждом этапе и позволяет сформировать множество технологий для создания ПО с требуемыми характеристиками.

Дальнейшие исследования были направлены на анализ процессов, влияющих на формирование множества дефектов программного продукта, результатом которых стал метод оценки надежности МВПО, который использует специальные метрик, учитывающие дефекты программных версий по признакам совпадения и времени внесения. Предложенный метод включает совокупность правил, операций и последовательность действий, позволяющих проводить анализ уровня разнообразия версий на различных этапах жизненного цикла и находить показатели надежности многоверсионных программных продуктов и ИУС как функцию от значений метрик диверсности и характеристик надежности версий входящих в МВПО.

С целью обеспечения полноты анализа возможных технологий и возможности выбора одного из наиболее рациональных вариантов создания ПО с использованием многоверсионного подхода предложен метод разработки МВПО, который основан на поэтапном выборе многоверсионной технологии с учетом профиля программного проекта и ограничений по видам диверсности и позволяет сократить затраты на разработку при обеспечении требуемого уровня надежности. Согласно этому методу выбор осуществляется поэтапно на основе укрупненных интервальных оценок характеристик разрабатываемого ПО и дерева возможных вариантов реализации этапов ЖЦ МВПО.

Разработаны инструментальные средства, которые образуют основу информационной технологии поддержки процессов создания ПО с использованием версионной избыточности (продуктно-процессной диверсности). Эта информационная технология позволяет комплексно решать все задачи, связанные с многоверсионным проектированием и в конечном итоге снизить риски невыявленных дефектов и обеспечить повышение надежности ИУС.

Ключевые слова: информационно-управляющая система, программное обеспечение, отказоустойчивость, надежность, избыточность, многоверсионность, диверсность.

ABSTRACT

Volkoviy A. V. Models, methods and tools for development of multi-version software of critical information control system. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.13.06 - Automatized control systems and advanced information technologies. - National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2006.

Dissertation is devoted to development of methods and models which allow deciding the problem of selection of types and volume of diversity for software of critical information control system, taking into account the requirements of regulations and project specification.

Scientific results are: method of making profiles of multi-version software, which allows automatizing determination of set of requirements for software development and verification; multi-version software life cycle model, based on operations of versions generation and treatment, which allows forming the set of technologies for creation software with the required characteristics; the method of multi-version software reliability evaluation, which due to using special metrics taking into account time of software defects bringing and coincidence of defects in different versions allows calculating software reliability indexes on different stages of life cycle; method of multi-version software development, based on the stage-by-stage multi-version technology choice, which allows reducing project costs with providing the required level of reliability.

Deployment of these methods and proper tools during development of multi-version software allows reducing risk of undetected faults and increasing information control system reliability by means of software fault tolerance.

Keywords: information control system, multi-version software, fault tolerance, reliability, redundancy, N-version programming, diversity.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Для ефективного вирішення задач управління складними технічними об'єктами використовуються інформаційно-управляючі системи (ІУС), основною компонентою яких є програмне забезпечення (ПЗ). Існує тенденція зростання ролі ПЗ в реалізації функцій систем, а як наслідок збільшення залежності властивостей ІУС від характеристик ПЗ. Сукупність властивостей, що обумовлюють придатність програмного забезпечення задовольняти певні потреби відповідно до призначення, називають якістю ПЗ. Стандартизовані моделі якості ПЗ полегшують оцінку його характеристик, а накопичений і реалізований в методах і технологіях досвід забезпечення якості дає можливість вибору різних засобів її підвищення. Не зважаючи на існуючі розробки в програмній інженерії проблема якості ПЗ і, в першу чергу, надійності залишається не вирішеною повною мірою. Доказом тому є статистичні дані, згідно з якими кожна п'ята відмова устаткування АЕС та кожна п'ята аварія ракетно-космічних комплексів спричинені ІУС, а 6 з 7 відмов бортових ІУС відбувається унаслідок дефектів ПЗ.

Підходи до забезпечення якості ПЗ в загальному вигляді можна поділити на два напрями:

1) вдосконалення процесів розробки та інтенсифікація тестування для виключення або зниження кількості залишкових дефектів;

2) застосування надлишковості в процесах і створюваних програмних продуктах, з метою виявлення при розробці та парирування при експлуатації дефектів окремих версій і зниження ризику відмови ІУС.

Основним напрямом забезпечення якості ПЗ за рахунок надлишковості є багатоверсійний підхід, що базувався на N-версійному програмуванні, тобто на незалежному створенні декількох версій програм з однаковою функціональністю для інтенсифікації виявлення дефектів та зменшення їх кінцевої кількості. Різноманітність версій (багатоверсійність, диверсність), що входять до складу програмного продукту, дозволяє парирувати дефекти ПЗ, що виявляються під час функціонування ІУС. Ступінь різноманітності визначається рівнем і способом диверсифікації процесів розробки ПЗ та ІУС в цілому.

Використання даного підходу доцільно в тих випадках, коли інші методи не дозволяють забезпечити необхідний рівень показників надійності та безпеки і гарантувати відсутність дефектів зважаючи на складність програмних засобів і обмеженість проектних ресурсів. При цьому вибір між використанням відмовостійкої архітектури з надлишковими програмними компонентами і методиками підвищення надійності за рахунок додаткових зусиль по верифікації ПЗ (або їх поєднаному використанні з урахуванням усієї множини обмежень) є досить складним завданням.

Слід підкреслити також, що для ІУС критичного застосування (КЗ), до яких належать інформаційно-управляючі системи атомних електростанцій, космічних і авіаційних систем, медичного устаткування тощо, дотримання принципу різноманітності при їх реалізації часто регламентується нормативними документами (національними та міжнародними стандартами, галузевими нормами і правилами).

Хоча принцип різноманітності все частіше використовується на практиці, у тому числі і для розробки бізнес-критичних систем, наприклад, Web-служб, проекти багатоверсійних програмних засобів є унікальними, а результати їх використання через нестачу статистичних даних не дозволяють встановити сталі закономірності між видами різноманітності, що використовуються, і характеристиками якості ПЗ та систем, що розробляються.

Теоретичні та прикладні аспекти використання принципу багатоверсійності при створенні надійного і безпечного ПЗ та ІУС розроблялися Авіженісом (Avizienis A.), Лапрі (Laprie J.-C.), Ренделлом (Randell B.), Пуллум (Pullum L.), Літлвудом (Littlewood B.), Стріджіні (Strigini L.), Ястребенецьким М.О. та іншими. Ряд досліджень, пов'язаних з розробкою теорії багатоверсійних систем та впровадження спеціальних інформаційних технологій для критичних застосувань виконані професором Харченком В.С. і його учнями: В.Г. Литвиненком, В.В. Скляром, І.В. Піскачовою, О.М. Тарасюк, В.І. Токаревим.

Проте, не зважаючи на наявні наукові та практичні результати, в області багатоверсійного проектування ПЗ та ІУС існує ряд невирішених проблем, особливо актуальних для критичних застосувань, що пов'язані з відсутністю:

формалізованих моделей життєвого циклу багатоверсійного ПЗ та технологій його створення;

методів оцінки надійності багатоверсійних програмних засобів в процесі їх розробки для прийняття рішень управління;

методів і інструментальних засобів вибору технології розробки відповідно до необхідних характеристик ПЗ і ІУС в цілому.

Таким чином, актуальність дисертаційних досліджень обумовлена недосконалістю існуючих методів та інструментальних засобів підтримки прийняття рішень при розробці програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування, до яких висуваються вимоги щодо реалізації принципу різноманітності та забезпечення високої надійності функціонування.

Таким чином актуальною науковою задачею є розробка моделей, методів та інструментальних засобів створення програмного забезпечення ІУС критичного застосування з використанням процесно-продуктної диверсності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися відповідно до державних планів НДР, програм і договорів, що виконувалися в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського та в інших організаціях:

“Розробка науково-методичних основ і інформаційних технологій оцінки і забезпечення відмовостійкості і безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів, інших комплексів критичного застосування” (Національний Аерокосмічний університет ім. Н.Е. Жуковського “ХАІ”, ДР № 0103U004093, 2003-2005);

“Інтегроване інструментальне середовище підтримки експертизи і незалежної верифікації ПЗ систем критичного застосування” (Сертцентр АСУ Держцентрякості ДКЯРУ, наказ № 69 від 12.07.2002);

“Розробка галузевих нормативних вимог до якості програмного забезпечення і програмно-технічних комплексів критичного призначення для ракетно-космічної техніки, гармонізованих з нормативною базою Європейської кооперації по стандартизації космічної діяльності (ECSS)” (Сертцентр АСУ Держцентрякості ДКЯРУ, НКАУ, тема “Якість”, договір №87-СЦ/03, 2003-2006);

“Розробка науково-методичного забезпечення відмовобезпеки цифрових систем контролю та керування АЕС при використанні програмованих ВІС”, шифр “Надійність-Д” (НПВМП “АСУ ХАІ”, Д2/2002, ДР № 0104U003502, 2003-2004);

“Розробка моделей і методів оцінки надійності систем керування й обробки інформації телекомунікаційних мереж”, шифр “Натиск” (Полтавський військовий інститут зв'язку, Міністерство оборони України, інв.№179-Н, 2002-2004).

Роль автора у цих науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає у розробці моделей, методів і інструментальних засобів створення нормативних профілів та вибору варіантів реалізації багатоверсійних проектів, оцінки багатоверсійних процесів та продуктів для різних типів автоматизованих систем та критичного ПЗ.

Мета та задачі досліджень. Метою дослідження є зменшення ризику невиявлених дефектів і підвищення надійності програмного забезпечення ІУС критичного застосування за рахунок надлишковості та різноманітності продуктів і процесів розробки.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі.

1. Аналіз технологій розробки і методів забезпечення якості і надійності ПЗ інформаційно-управляючих систем критичного застосування.

2. Розробка процедур формування профілів багатоверсійного програмного забезпечення, які враховують вимоги і особливості ПЗ для конкретних додатків.

3. Систематизація видів диверсності і розробка моделей життєвого циклу багатоверсійного ПЗ.

4. Аналіз процесів внесення і розповсюдження дефектів ПЗ, обґрунтування показників і розробка методу оцінки багатоверсійного ПЗ.

5. Розробка методу формування і вибору багатоверсійних технологій створення ПЗ.

6. Розробка інструментальних засобів підтримки процесів формування профілів і створення ПЗ з використанням версійної надлишковості.

7. Практичне впровадження розроблених моделей, методів і інструментальних засобів при створенні ІУС критичного застосування.

Об'єкт дослідження - процеси розробки програмного забезпечення та інформаційно-управляючих систем критичного застосування з використанням багатоверсійних технологій.

Предмет дослідження - моделі, методи і інструментальні засоби розробки і оцінки багатоверсійного ПЗ ІУС критичного застосування.

Методи дослідження. В основу методології досліджень були покладені принципи системного аналізу. При вирішенні наукових задач використовувались наступні методи: методи теорії графів і множин - при розробці моделі життєвого циклу бгатоверсійного ПЗ, а також при дослідженні процесів внесення дефектів в ПЗ під час розробки; методи метрико-імовірнісного аналізу надійності ПЗ - при розробці метода оцінки надійності багатоверсійного ПЗ; методи експертного оцінювання - при розробці метода формування профілів багатоверсійного ПЗ та методики вибору багатоверсійної технології.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено модель життєвого циклу багатоверсійного ПЗ, що базується на операціях генерації та обробки версій та на відміну від відомих враховує види диверсності, кількість версій на кожному етапі і дозволяє визначити множину можливих технологій створення програмного забезпечення з необхідними характеристиками.

2. Вдосконалено метод оцінки надійності багатоверсійного ПЗ, який за рахунок використання спеціальних метрик, що враховують дефекти програмних версій за ознаками збігу та часу внесення, дозволяє розраховувати показники надійності на різних етапах життєвого циклу.

3. Вдосконалено метод розробки багатоверсійного ПЗ, що базується на поетапному виборі багатоверсійної технології з урахуванням профілю програмного проекту та обмежень по видах диверсності і дозволяє скоротити витрати на розробку при забезпеченні необхідного рівня надійності.

4. Отримав подальший розвиток метод формування профілів багатоверсійного ПЗ, заснований на операціях класифікації, вибору та гармонізації елементів нормативної та технічної документації, що дозволяє автоматизувати процес визначення множини вимог для розробки та верифікації ПЗ.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень та запропонованих методів розроблена інформаційна технологія підтримки процесів створення багатоверсійного ПЗ, що включає інженерні методики, алгоритми та програмні засоби:

формування профілів та моделей життєвого циклу багатоверсійного ПЗ;

вибору багатоверсійної технології;

оцінювання рівня різноманітності версій та показників надійності багатоверсійного ПЗ.

Використання цих методів та інформаційної технології під час розробки багатоверсійного ПЗ дозволяє знизити ризик невиявлених дефектів на 15-25%. Залежно від значень метрик диверсності по етапах розробки застосування запропонованих методів та засобів забезпечує підвищення надійності за показником зменшення ймовірності відмови на 10-20%.

Результати досліджень можуть бути використані при розробці ПЗ и ІУС критичних та бізнес-критичних систем, до яких висуваються вимоги щодо використання принципу різноманітності та підвищеної стійкості до різних типів відмов (апаратних, програмних засобів та зовнішніх впливів).

Результати досліджень впроваджені в: Сертифікаційному центрі АСУ Держцентрякості Державного комітету ядерного регулювання України при розробці інтегрованої інструментальної системи “SAVExpert System” і проектів галузевих нормативних документів, що регламентують вимоги до ПЗ та розробляються на замовлення Національного космічного агентства України (акт впровадження від 18.03.2004); НТ СКБ “Полісвіт” при розробці системи підтримки багатоверсійних проектів та використані в процесі розробки ПЗ систем літака АН-70 (акт впровадження від 17.03.2004); Конструкторському бюро “АСУ” ЗАТ “Радій” при визначенні та виборі варіантів реалізації інформаційно-управляючих систем АЕС та їх ПЗ (акт впровадження від 23.11.2005); навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” при вивченні дисциплін “Надійність, контроль і діагностика ЕОМ” та “Методи дослідження й моделювання комп'ютерних систем і мереж” (акт впровадження від 24.04.2004).

Обґрунтованість наукових положень і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:

коректним використанням апарату теорії множин та теорії графів, системного аналізу та теорії ймовірностей при побудові моделей та розробці методик формування профілів, оцінки та розробки багатоверсійного ПЗ;

обґрунтованістю прийнятих припущень та вихідних даних, що використовувались при створенні моделей внесення та розповсюдження дефектів, методики оцінки багатоверсійного ПЗ;

результатами їхнього практичного впровадження в інструментальних засобах та методиках підтримки процесів формування нормативних профілів та створення ПЗ з використанням версійної надлишковості, що знайшли практичне застосування при розробці ІУС критичного застосування;

зведенням аналітичних залежностей для оцінки надійності багатоверсійного ПЗ до відомих і апробованих на практиці залежностей для одноверсійного ПЗ (без використання версійної надлишковості).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових моделей, методів і інструментальних засобів, що забезпечили вирішення поставлених у дисертації задач. Всі основні наукові положення, результати, висновки і рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Роботи [3, 7, 14] були опубліковані без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: класифікація видів версійної надлишковості [1, 12], модель сумісності видів різноманітності [1], методика оцінки витрат при використанні версійної надлишковості [6, 11], модель внесення та розповсюдження дефектів при створенні програмного забезпечення [2], структура та процедури формування загального нормативного профілю [8], а також процедури формування субпрофілів для проектів ПЗ [13, 18], метрики диверсності для трьохверсійного ПЗ та метод оцінювання різноманітності багатоверсійних програмних засобів [5], інформаційна модель та алгоритми обчислення показників різноманітності [20], методика розрахунку показників надійності для багатоверсійних програмних засобів з використанням метрик диверсності [17, 19], процедури контролю багатоверсійних процесів розробки [10, 16], модель життєвого циклу та методика вибору технології створення багатоверсійного ПЗ [4, 9], а також метод автоматизації процесу формування моделей ЖЦ [15].

Апробація результатів дисертації. Наукові положення та висновки дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на постійно діючому науково-технічному семінарі “Критичні комп'ютерні технології та системи” кафедри “Комп'ютерні системи та мережі” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” у 2003-2005 рр., а також на конференціях: Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, НАКУ “ХАІ”, 2001-2003 рр.); Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні та електронні технології” (м. Одеса, ОНПУ, 2002 та 2003 рр.); 2nd International Conference on Information Systems Technology and its Applications - ISTA'2003 (м. Харків, НТУ “ХПІ”, 2003 р.); 1st International Conference “Advanced Computer Systems and Application”); Міжнародна конференція “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2003-2004 рр.); Міжнародний симпозіум “Виміри, важливі для безпеки в реакторах” (м. Москва, 2003р.); Міжнародна наукова конференція “Молода наука Харківщини-2004”; Науково-практична конференція “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, 2004р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в двадцяти друкованих працях, серед яких вісім статей в наукових виданнях, що включені до переліку фахових видань ВАК України (5 статей в наукових журналах, 3 статті в збірках наукових праць), три доповіді та вісім тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій, а також свідоцтво про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації складає 252 сторінки, у тому числі: 40 рисунків, з яких 1 на окремій сторінці, 12 таблиць, з яких 4 на 5 окремих сторінках, список з 114 використаних літературних джерел на 12 сторінках, 4 додатки на 94 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

багатоверсійний програмний інформаційний верифікація

Вступ дисертаційної роботи містить: обґрунтування актуальності теми і наукових задач; інформацію про її зв'язок з науковими програмами; мету і задачі досліджень; об'єкт, предмет і методи досліджень; характеристику наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також особистого внеску здобувача; дані щодо реалізації, апробації і публікації результатів.

У першому розділі проведено аналіз вимог до надійності ПЗ і ІУС комплексів критичного застосування, що висуваються нормативними документами різних рівнів. На прикладах з різних галузей показано, що ПЗ є одним з найбільш імовірних джерел відмов інформаційно-управляючих систем. Уточнена класифікація вимог до ПЗ як частини ІУС і до процесів їх розробки.

Проведено аналіз методів забезпечення надійності ПЗ, а також вибір і обґрунтування показників надійності, що використовуються для його оцінки при розробці ІУС АЕС, аерокосмічних комплексів, медичних, військових і інших систем. За результатами проведеного аналізу зроблені наступні висновки:

багатоверсійний підхід є сучасним і затребуваним принципом забезпечення якості і надійності ПЗ. Для його розвитку потрібен збір і ретельний аналіз інформації про дефекти ПЗ і формалізація процедур прийняття рішень - від профілювання до інтеграції ІУС;

багатоверсійний підхід базується на принципі різноманітності процесів і продуктів, що обумовлює, з одного боку, необхідність розробки спеціальних методів проектування ПЗ, а з іншого боку, - спеціальних методів і засобів оцінки рівня диверсності і результатів внесення версійної надлишковості, від яких залежить вибір ефективної технології створення високонадійного ПЗ;

оцінка показників якості багатоверсійних процесів і продуктів повинна бути спрямована на визначення рівня реальної різноманітності і аналіз його зміни в процесі розробки;

для вирішення складних задач багатоверсійного проектування ПЗ необхідно забезпечити методичну та інструментальну підтримку прийняття рішень, спрямованих на визначення об'єму, послідовності застосування і видів диверсності.

Сформульована загальна наукова задача дисертаційного дослідження, яка розбивається на ряд часткових взаємопов'язаних задач.

У другому розділі проводиться аналіз задач профілювання ПЗ і пропонується метод формування нормативних профілів багатоверсійного програмного забезпечення (БВПЗ). Цей метод включає набір процедур скринінгу, що дозволяють поетапно формувати профілеутворюючу базу (фаза ₁), загальний нормативний профіль (фаза ₂) та нормативний профіль проекту (фаза ₃). Кожна скринінг-процедура містить операції спеціалізації і узагальнення, що виконують перетворення інформації в рамках кожної фази (таблиця 1).

Особливості багатоверсійного проектування ПЗ враховані у спеціальному розділі нормативного профілю - субпрофілі диверсності, що включає вимоги до: обґрунтованості та умов застосування диверсності; методів забезпечення диверсності; процедур і методик оцінки диверсності та наслідків її використання.

Таблиця 1. Процедури методу профілювання

Номер фази i	Вхідна інформація	Управляюча інформація	Операція I	Вихідна інформація
			Спеціалізація	Узагальнення
1, частина 1	Стандарти в програмній інженерії	Тип предметної області НП	Класифікаційний аналіз стандартів	Отримання груп стандартів	Початкова ПУБ
1, частина 2	Початкова ПУБ	Тип предметної області НП, типова структура НП	Виділення частин (диз'юнктів) стандартів для НП	Розміщення частин стандартів за розділами НП	Препарована ПУБ
2	Препарована ПУБ	Тип предметної області НП, структура НП	Виділення елементів частин стандартів за сформульованими ознаками	Уточнення структури НП, об'єднання і гармонізація виділених елементів	Загальний НП
3, частина 1	Загальний НП, проектна документація	Тип та призначення проекту ПЗ (ПТК)	Виділення елементів загального НП відповідно до характеристик проекту	Об'єднання виділених елементів загального НП, їх об'єднання і гармонізація з вимогами специфікації	НП проекту
3, частина 2	НП проекту	Тип вимог, призначення профілю (субпрофілю)	Виділення вимог за типами	Об'єднання виділених елементів	Субпрофіль - профіль диверсності

Запропонований метод формування профілів дозволяє автоматизувати процес визначення множини вимог для розробки і верифікації багатоверсійного ПЗ і тим самим забезпечує повноту завдання і виконання вимог.

Спираючись на результати вирішення задачі формування нормативного профілю, сформульовані вимоги до спеціальної моделі життєвого циклу (ЖЦ) багатоверсійного ПЗ. Її розробка обумовлена необхідністю планування, обліку і управління надлишковістю і різноманітністю процесів життєвого циклу багатоверсійного програмного забезпечення. Запропонована модель визначає (рис. 1):

1) перелік і порядок етапів розробки (зміст етапів представляється детально у вигляді процесів і робіт відповідно до ISO/IEC 12207);

2) число версій, що подаються на вхід та є результатами кожного з етапів

3) спосіб внесення диверсності у версії, що розробляються на кожному етапі, а також спосіб обробки версій, одержаних в результаті робіт кожного етапу.

Формалізоване представлення моделі ЖЦ багатоверсійного ПЗ виглядає як:

,

де - етап життєвого циклу (n - кількість етапів), - операції внесення версійної надлишковості, - операції обробки розроблених на етапі версій,

- кількість створюваних на етапі версій.

Операції - визначаються видами версійної надлишковості і разом з операціями створюють базис (можливих в рамках ЖЦ) багатоверсійних технологій MVT розробки ПЗ, що складаються з елементів (процедури внесення різноманітності на єтапі) та (процедури обробки версій):

.

Проведена систематизація видів версійної надлишковості, що є основою для елементів багатоверсійної технології - диверсних проектних рішень (таблиця 2). Однією з основних особливостей ЖЦ багатоверсійного ПЗ є сумісність видів диверсності. Сумісність видів диверсності в рамках етапу і між сусідніми етапами життєвого циклу задається спеціальними матрицями , що дозволяють формалізувати процес визначення послідовності застосування надлишковості в ході розробки (= 0 (1), якщо види диверсності l та m несумісні (сумісні)).

Одержана модель життєвого циклу багатоверсійного ПЗ дозволяє сформувати множину технологій для створення ПЗ з необхідними характеристиками, визначеними нормативним профілем проекту.

Таблиця 2. Види диверсності на етапах ЖЦ ПЗ (фрагмент матриці)

Вид диверсності	Этапи ЖЦ ПЗ
	Розробка вимог (1)	Проектування (2)	Кодування та відлагодження (3)	Інтеграція (4)	Експлуатація (5)
Різноманітність виконавців (I)	I.1.a. Різні команди аналітиків, експертів, що проводять верифікацію	I.2.a. Різні команди проектувальників, експертів з верифікації тощо.	I.3.a. Різні команди програмістів, інженерів, що виконують тестування та верифікацію	I.4.a Різні команди інтеграторів, експертів з верифікації та верифікації	I.5.a Різні команди підтримки та супроводу
Різноманітність мов і нотацій (II)	II.1.a. Різні нотацій (IDEF, UML тощо)	II.2.a. Різні нотації, використовувані при проектуванні (UML, Booch и т.д.)	II.3.a. Різні мови програмування II.3.b. Різні способи представлення результатів тестування
Різноманітність інструментів розробки (III)	III.1.a Різні інструментальні засоби автоматизації процесу формалізації вимог, побудови моделей, тощо.	III.2.a. Різні засоби побудови і верифікації моделей етапу проектування	III.3.a. Різні середовища і платформи розробки III.3.b. Різні бібліотеки функцій і компонентів III.3.c. Різні компілятори.	III.4.a Різні засоби підтримки процесу інтеграції	III.5.a Різні засоби підтримки процесу перевірки і обслуговування

Третій розділ присвячений розробці методу оцінки надійності БВПЗ.

Проведено аналіз процесів, що впливають на формування множини дефектів програмного продукту і розроблена модель внесення і розповсюдження дефектів по етапах ЖЦ. Процеси внесення і породження раніше внесеними дефектами формують множину дефектів i-го етапу з підмножин внесених і прийнятих . У свою чергу, процеси усунення і передачі дефектів розбивають множину на непересічні підмножини дефектів, що усуваються і передаються на наступний етап .

Ця модель описує, за допомогою спеціальних метрик, залежності показників, що характеризують кількість дефектів на кожному етапі як функцію передачі дефектів, значення якої залежить від кількості дефектів попереднього етапу:

.

Значення метрик - коефіцієнтів моделі внесення і розповсюдження дефектів - визначаються виходячи з результатів верифікації та оцінки процесів розробки. При цьому можливе використання методів засіву, а також аналізу дефектів за типами (частка дефектів кожного типу в множині визначається їх профілем і відповідною таксономією).

Модель процесів внесення і розповсюдження дефектів, що є частиною методу оцінки багатоверсійного ПЗ, дозволяє аналізувати вплив дефектів окремих етапів на якість кінцевого продукту через показники кількості дефектів.

Для дефектів багатоверсійного програмного забезпечення на кожному з етапів ЖЦ використовується відома класифікація за ознаками збігу і можливості спричинити відмови із загальної причини. Перетин множин дефектів версій, що розробляються незалежно в рамках ЖЦ БВПЗ, утворює наступні підмножини:

відносні ( - дефекти, специфічні для версії , тобто дефекти, що виявляються на певному наборі вхідних даних тільки в одній версії);

групові, що розрізнюються ( - дефекти, що викликають різні помилки, при однакових вхідних даних для версій і );

групові, що не розрізнюються ( - дефекти, що викликають однакові помилки, при однакових вхідних даних для версій і );

абсолютні, що розрізнюються ( - дефекти, що викликають різні помилки, при однакових вхідних даних для всіх версій);

абсолютні, що не розрізнюються ().

На основі даної класифікації запропоновані метрики диверсності, що дозволяють оцінювати різноманітність версій за даними про кількість дефектів кожного типу. Параметри для розрахунку метрик наведені в таблиці 3.

Метриками диверсності є коефіцієнти, що обчислюються як відношення між кількостями елементів множин і підмножин дефектів різних типів (вказані у таблиці 3 на перетині стовпців і рядків, що визначають аргументи).

Вибір метрик диверсності для оцінки різноманітності версій і розрахунку показників надійності проводиться залежно від доступності початкових даних, кількості версій і архітектури ІУС, в якій використовується БВПЗ. Також обов'язковим є аналіз структурної схеми надійності БВПЗ, оскільки можливості парирування відмов за рахунок різноманітності залежать від схеми використання версій.

Імовірність безвідмовної роботи трьохверсійних ПЗ, побудованих за схемами багатоверсійного мажоритування (БВМ) та БВМ з контролем і адаптацією (БВМ-МК), розраховується за формулами:

, ,

де - імовірність безвідмовної роботи i-ї версії, - частка групових дефектів, що розрізнюються, i-ї версії, - частка групових дефектів, що не розрізнюються, i-ї версії, - частка абсолютних дефектів i-ї версії.

Таблиця 3. Метрики диверсності для аналізу багатоверсійного ПЗ

Найменування показника (параметра для метрик)

Загальна кількість дефектів БВПЗ

Сумарна кількість дефектів версії

Кількість відносних дефектів версії

Кількість абсолютних дефектів БВПЗ, що розрізнюються

Кількість абсолютних дефектів, що не розрізнюються

Кількість групових дефектів, що розрізнюються

Кількість групових дефектів, що не розрізнюються

Загальна кількість відносних дефектів усіх версій

Сумарна кількість абсолютних дефектів

Сумарна кількість дефектів усіх версій БВПЗ

Сумарна кількість групових дефектів, що розрізнюються

Сумарна кіл. групових дефектів, що не розрізнюються

Аргу-менти

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Розглянуті варіанти трьохверсійних ПЗ мають різні можливості зі зменшення ризику прояву дефектів і як наслідок різні значення імовірності безвідмовної роботи при однакових значеннях метрик і параметрах моделі надійності версій.

Запропоновані метрики диверсності дозволяють виразити зниження частки невиявлених дефектів за рахунок різноманітності на будь-якому з етапів розробки.

Таким чином, запропонований метод включає сукупність правил, операцій і послідовність дій, що дозволяють проводити аналіз рівня різноманітності версій на різних етапах життєвого циклу і знаходити показники надійності багатоверсійних програмних продуктів і ІУС як функцію від значень метрик диверсності та характеристик надійності версій, що входять до багатоверсійного ПЗ.

У четвертому розділі пропонується метод розробки багатоверсійного ПЗ, заснований на ітераційній процедурі вибору багатоверсійної технології (БВТ).

Вибір здійснюється на основі укрупнених інтервальних оцінок характеристик ПЗ і дерева можливих варіантів реалізації етапів ЖЦ БВПЗ. Після закінчення чергового етапу та аналізу одержаних результатів проводиться уточнення оцінок в дереві вибору для вузлів, розташованих нижче за вузол поточного стану проекту. Основними критеріями вибору технологій розробки багатоверсійного ПЗ ІУС критичного застосування є надійність і витрати (вартість проекту).

Виходячи з цього, задача вибору технології для різних проектів може формулюватися в двох варіантах:

1) одержати максимальну надійність при заданому обмеженні на вартість (час, ресурси та інше);

2) досягти необхідного рівня надійності при мінімізації витрат.

Приклад графа рішень і значень відповідних характеристик багатоверсійного ПЗ, одержуваних на проміжних етапах.

Запропонований метод розробки БВПЗ, забезпечує повноту аналізу можливих технологій і дозволяє знаходити один з кращих варіантів. Слід зазначити, що процедура вибору не виключає створення одноверсійних програмних засобів, якщо характеристики проекту задовольнятимуть вимоги нормативного профілю.

Для вирішення завдання впровадження розроблених моделей і методів на практиці розроблені інструментальні засоби підтримки багатоверсійного проектування. Ці засоби діляться на три групи, що утворюють ядро інструментальної системи: засоби профілювання і формування моделі ЖЦ багатоверсійного ПЗ; засоби оцінки БВПЗ; засоби вибору БВТ і підтримки прийняття проектних рішень.

Інструментальні засоби реалізовані й упроваджені у вигляді: підсистем інтегрованого інструментального середовища підтримки експертизи і незалежної верифікації критичного ПЗ для ІУС АЕС і бортових систем; утиліти оцінки різноманітності БВПЗ, яка дозволяє накопичувати дані про виявлені дефекти і розраховувати метрики диверсності в процесі розробки і експертизи ПЗ. Розробка цих засобів проводилась з використанням принципів об'єктно-орієнованого підходу. Сукупність розроблених інструментальних засобів, методів і моделей утворюють основу інформаційної технології підтримки процесів створення ПЗ з використанням версійної надлишковості (процесно-продуктної диверсності).

ВИСНОВКИ

В роботі вирішена актуальна наукова задача розробки моделей, методів та інструментальних засобів створення програмного забезпечення ІУС критичного застосування з використанням процесно-продуктної диверсності.

Одержані нові наукові положення, що дозволяють здійснювати вибір видів і об'єму диверсності для програмних проектів з урахуванням вимог нормативних документів і специфікації проекту. Вони розвивають теорію багатоверсійних систем щодо розробки багатоверсійних технологій створення та оцінки надійності відмовостійкого програмного забезпечення та ІУС.

Вперше розроблена модель життєвого циклу багатоверсійного ПЗ, що базується на операціях генерації і обробки версій. Модель враховує види диверсності і їх сумісність по етапах, число версій створюваних на кожному етапі. Використання даної моделі дозволяє сформувати множену технологій для створення ПЗ з необхідними характеристиками.

Вдосконалено метод оцінки надійності багатоверсійного ПЗ, який включає дві моделі дефектів: модель внесення і розповсюдження дефектів, що дозволяє аналізувати і кількісно оцінювати процеси формування множини дефектів ПЗ, і модель дефектів багатоверсійного програмного забезпечення, що дозволяє за допомогою метрик диверсності оцінювати різноманітність версій за ознакою збігу дефектів різних версій. Кількісні дані про дефекти і метрики диверсності дозволяють розраховувати показники надійності багатоверсійного ПЗ з використанням існуючих моделей надійності ПЗ для визначення характеристик окремих версій.

Вдосконалено метод розробки БВПЗ, який заснований на поетапному виборі багатоверсійної технології. Основою для вибору технології є профіль програмного проекту, відповідно до вимог якого створюється модель ЖЦ БВПЗ. З урахуванням проектних обмежень і варіанту постановки задачі вибору технології відбувається поетапне оцінювання одержаних результатів і уточнення використовуваних видів версійної надлишковості. Такий поетапний аналіз дозволяє скоротити витрати на розробку при забезпеченні необхідного рівня надійності.

Одержав подальший розвиток метод формування профілів багатоверсійного ПЗ, що базується на операціях класифікації, вибору і гармонізації елементів нормативної і технічної документації. Використовуючи нормативні документи і технічні вимоги до проекту цей метод дозволяє одержати узгоджену множину вимог до характеристик програмного проекту і виділити підмножину вимог, що стосуються необхідності та можливості застосування багатоверсійних технологій. Таким чином, метод формування профілів багатоверсійного ПЗ дозволяє автоматизувати процес визначення множини вимог для розробки і верифікації ПЗ.

Подальші дослідження доцільно направити на деталізацію моделей якості і процесів розробки багатоверсійного ПЗ, методів оцінки, що спираються на статистичну інформацію про виконані проекти, а також підвищення точності алгоритму вибору технології. Слід розглянути можливість інтеграції розроблених інструментальних засобів з програмними пакетами, що використовуються в програмній інженерії, зокрема з системами планування робіт, тестування ПЗ, управління конфігурацією і контролю версій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Волковой А.В., Харченко В.С. Выбор многоверсионных технологий разработки критических программных средств с учетом совместимости видов версионной избыточности // Технология приборостроения. - 2001. - №1-2. - С. 198-202.

2. Харченко В.С., Волковой А.В. Модели внесения и распространения дефектов при разработке программного обеспечения // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2003. - №3. - С. 13-17.

3. Волковой А.В. Метод оценки многоверсионных программных средств с использованием метрик диверсности // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - №2 - С. 143-147.

4. Волковой А.В., Скляр В.В., Харченко В.С. Метод формирования моделей многоверсионного жизненного цикла для программных проектов // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2004. - №2. - С. 40-44.

5. Харченко В.С., Тарасюк О.М., Волковой А.В., Белый Ю.А. Применение динамических радиальных метрических диаграмм для управления многоверсионными программными проектами // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2005. - № 2. - С. 63-68.

6. Волковой А.В., Скляр В.В. , Харченко В.С. Исследование зависимости “надёжность-стоимость” при использовании многоверсионных технологий разработки программных средств // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2002. - Вип. 35. - С. 182-186.

7. Волковой A.В. Diversity as a means to improve software reliability // Вестник НТУ “ХПИ”. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2003. - Вип. 6. - С. 145-148.

8. Харченко В.С., Конорев Б.М., Чертков Г.Н., Волковой А.В. Скрининг-технология формирования нормативных профилей для программного обеспечения компьютерных систем аэрокосмических комплексов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 2003. - Вып. 20. - С. 160-167.

9. Волковой А.В., Харченко В.С. Постановка задачи выбора многоверсионных технологий разработки критических программных средств // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2001): Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2001. - С. 174.

10. Бабич В.В., Волковой А.В. Контроль и анализ процесса разработки программного обеспечения // Міжнародна науково-технічна конференція “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2002): Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2002. - С. 151.

11. Волковой А.В., Скляр В.В. Выбор технологии разработки программного обеспечения по критерию надёжность-стоимость // Міжнародна науково-технічна конференція “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2002): Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2002. - С. 158.

12. Волковой А.В., Харченко В.С. Многоверсионные технологии проектирования критического ПО: классификация, принципы реализации и выбора // Труды Третьей международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ-2002). - Одесса, 2002. - С. 100.

13. Kharchenko V.S., Konorev B.M., Tarasyuk O.M., Volkoviy A.V. Techniques and Tools of Safety-Related Software Requirements Profiling and Assessment // Proceedings of 1st international conference “Advanced Computer Systems and Networks” (ACSN-2003). - Lviv (Ukraine), 2003. - P. 95-97.

14. Волковой А.В. Влияние характеристик версий на надежность и стоимость многоверсионных программных средств // Труды Четвертой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ-2003). - Одесса, 2003. - С. 108.

15. Бабич В.В., Волковой А.В. Автоматизация процесса разработки моделей жизненного цикла многоверсионных программных средств // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2003): Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2003. - С. 190.

16. Фурманов А.А., Волковой А.В. Методика проведения эксперимента по многоверсионному программированию и оценка его результатов // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2003): Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2003. - С. 232.

17. Шевчук Е.А., Волковой А.В. Разработка базы данных метрик многоверсионного программного обеспечения // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2003): Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2003. - С. 236.

...