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第十三章 系统的可靠性
13.1 软件可靠性
目前，硬件可靠性测试技术和评估手段日趋成熟，已经得到了业界的认可。
软件可靠性模型的研究多集中在 开发阶段、测试阶段、评估阶段 的可靠性模型。
13.1.2 软件可靠性的定义
可靠性（Reliability）是指产品在 规定的条件下 和 规定的时间内 完成规定功能 的 能力。
按照产品可靠性的形成，分为 固有可靠性、使用可靠性。
固有可靠性是通过 设计、制造 赋予产品的 可靠性。
使用可靠性 既受设计、制造 的 影响，又受使用条件的影响。
软件与硬件 从可靠性角度来看，主要有4个不同点：
1、复杂性，软件内部的逻辑高度复杂，硬件则相对简单。
2、物理退化，一个正确的软件任何时刻均可靠，一个正确的硬件、元器件、系统 则可能在某个时刻失效。
3、唯一性，软件是唯一的，软件复制不改变软件本身，硬件不可能完全相同，概率方法在硬件可靠性领域取得巨大成功。
4、版本更新快，软件版本更新较快，也给软件可靠性评估带来较大的难度。
1983年，美国IEEE 对“软件可靠性”做出了更明确的定义。
1989年，我国国家标准 GB/T-11457也采用了这个定义。
定义：在规定的条件下，在规定的时间内，软件不引起系统失效的概率。
依然沿用了“产品可靠性”的定义。
1、规定的时间
由于软件运行的环境与程序路径选取的随机性，软件的失效为随机事件，所以运行时间属于随机变量。
2、规定的条件
不同的环境条件下的可靠性是不同的，计算机的配置情况、对输入的要求。
有了明确规定的环境条件，还可以有效地判断软件失效的责任在用户方还是开发放。
3、所要求的功能
软件可靠性还与规定的任务和功能有关。
要准确度量软件系统的可靠性，必须先明确它的任务和功能。
4、“软件可靠性”定义具有如下特点：
1. 用内在的“缺陷” 和 外在的“失效”关系来描述可靠性。
2. 定义使人们对软件可靠性进行量化评估成为可能。
3. 用概率的方法描述可靠性是比较科学的。
13.1.3 软件可靠性的定量描述
软件的可靠性可以基于 使用条件、规定时间、系统输入、系统使用、软件缺陷 等变量构建的数学表达式。
1、规定时间：自然时间、运行时间、执行时间。
使用执行时间来度量软件的可靠性最为准确。
2、失效率：把软件从运行开始，到某一时刻t 为止，出现失效的概率用 F(t)表示。
F(0)=0，即软件运行初始时刻失效概率为0。
F(t)在时间域(0,+无穷大）上是单调递增的。
F(+无穷大)=1，即失效概率在运行时间不断增长时 趋向于1，这也意味着任何软件都存在缺陷。
3、可靠度：在规定的条件下，规定的时间内 不发生失效的概率。
公式略。
4、失效强度（Failure Intensity）单位时间 软件系统出现失效的概率。
公式略。
5、失效率（Failure Rate）又称 风险函数（Hazard Function），也可以称为条件失效强度。
就是当软件在 0~t 时刻内 没有发生失效的条件下，t时刻 软件系统的失效强度。
公式略。
6、可靠度 与 失效率 之间的换算。
略。
7、平均失效时间（Mean Time to Failure，MTTF）就是软件运行后，到下一次出现失效的平均时间。更直观地表明一个软件的可靠度。
公式略。
需要对 软件可靠度 这个反映软件可靠性的肚量指标作下列补充说明：
1. 需指明它与其他软件的界限。
2. 软件失效必须明确定义。
3. 必须假设硬件无故障（失效）和软件有关变量输入正确。
5. 必须指明时间基准：自然时间（日历时间）、运行时间、执行时间（CPU 时间）、其他时间基准。
6. 通常以概率度量，也可以模糊数学中的可能性加以度量。
7. 在时间域上进行，是一种动态度量，也可以是在数据域上，表示成功执行一个回合的概率。
软件回合是软件运行最小的、不可分的执行单位。
8. 有时将软件运行环境简单地理解为软件运行剖面（Operational Profile）。
运行剖面定义了关于软件可靠性描述中的“规定条件”，测试环境、测试数据 等一系列问题。
13.1.4 可靠性目标
使用 失效强度 表示软件缺陷对软件运行的影响程度。
不仅取决于软件失效发生的概率，还和软件失效的严重程度有很大关系。引出另外一个概念——失效严重程度类（Failure Severity Class）。
失效严重程度类 就是对用户具有相同程度影响的失效集合。
对失效严重程度的分级 可以按照不同的标准进行，对成本影响、对系统能力的影响 等。
对成本的影响 可能包括失效引起的 额外运行成本、修复和恢复成本、现有潜在的业务机会的损失 等。
对系统能力的影响 常常表现为 关键数据的损失、系统异常退出、系统崩溃、导致用户操作无效 等。
可靠性目标 是指客户对软件性能满意程度的期望。通常用 可靠度、故障强度、平均失效时间（MTTF）等指标来描述。
建立定量的可靠性指标 需要对 可靠性、交付时间、成本 进行平衡。
13.1.5 可靠性测试的意义
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。
80%和软件有关。
结构太复杂了，一个较简单的程序，其所有路径数量可能是一个天文数字。
3、相比硬件可靠性技术，软件可靠性技术很不成熟。
4、软件可靠性问题是造成费用增长的主要原因之一。
5、系统对于软件的依赖性越来越强。
13.1.6 广义的可靠性测试与侠义的可靠性测试
广义的软件可靠性测试 是指 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。
侠义的软件可靠性测试 是指 为了获取可靠性数据，按预先确定的测试用例，在软件的预期使用环境中，对软件实施的一种测试。
也叫“软件可靠性试验（Software Reliability Test）”，它是面向缺陷的测试，以用户将要使用的方式来测试软件，所获得的测试数据与软件的实际运行数据比较接近。
可靠性测试是对软件产品的可靠性 进行调查、分析、评价 的一种手段。
对检测出来的 失效的分布、原因、后果 进行分析，并给出纠正建议。
总的来说，可靠性测试的目的可归纳为以下三个方面：
1、发现软件系统在 需求、设计、编码、测试、实施 等方面的 各种缺陷。
2、为软件的 使用、维护 提供可靠性数据。
3、确认软件是否达到可靠性的定量要求。