МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Титов Алексей Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Анализ надежности программного обеспечения (ПО) систем обработки информации - сложная комплексная проблема, решение которой базируется на методах, получивших развитие в последние сорок лет. Эти методы опираются как на фундаментальные результаты теории надежности технических систем, так и на специальные модели процессов исправления программных ошибок. В настоящее время можно вполне обоснованно говорить о существовании теории надежности программного обеспечения. Вместе с тем, необходимы дополнительные исследования, направленные на реализацию системного подхода к анализу надежности программного обеспечения на этапах тестирования, опытной эксплуатации и сопровождения.

В частности, требуют решения следующие проблемы: анализ и оценка снижения интенсивности отказов в результате исправления программных ошибок и изменения условий эксплуатации компонентов системы обработки информации; использование статистических данных об отказах программного обеспечения в изменившихся условиях его эксплуатации и после исправления отдельных ошибок; учет влияния особенностей эксплуатации копий программного обеспечения на интенсивность отказов системы обработки информации; объединение статистических данных о программных сбоях при эксплуатации копий программного обеспечения в различных условиях на этапе сопровождения при редких сбоях.

Приведенные положения подтверждают актуальность исследований, направленных на устранение пробелов в теории надежности программного обеспечения и в ее реализации на практике.

Цель работы - обоснование мероприятий по повышению надежности автоматизированных систем обработки информации на основе разработки и реализации новых математико-статистических моделей и методов оценки характеристик надежности специального программного обеспечения на этапах его тестирования, опытной эксплуатации и сопровождения.

Задачи исследования:

провести анализ требований к качеству программного обеспечения систем обработки информации, определить основные характеристики качества и надежности специализированного программного обеспечения, оценка и анализ которых позволяет обосновать мероприятия по повышению надежности автоматизированных систем обработки информации;

разработать метод оценки характеристик надежности программного обеспечения для этапа тестирования систем обработки информации, позволяющий оценивать время, необходимое для завершения тестирования;

построить модель оценки надежности программного обеспечения системы обработки информации на этапе опытной эксплуатации, обосновывающую использование статистических данных об отказах программного обеспечения в изменившихся условиях его эксплуатации и после исправления отдельных ошибок;

разработать методику оценки характеристик надежности программного обеспечения, предоставляющую возможность учитывать влияние особенностей эксплуатации копий программного обеспечения на интенсивность отказов системы обработки информации;

разработать методику оценки надежности программного обеспечения при редких отказах, характерных для этапа сопровождения систем обработки информации;

апробировать и верифицировать разработанные модели и методы оценки надежности программного обеспечения в системе обработки персональных данных Федерального медико-биологического агентства.

Методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались методы системного анализа, методы теории программирования, методы математического и имитационного моделирования, методы математической статистики, методы дескриптивной статистики, дисперсионного анализа.

Объект исследования - процесс функционирования автоматизированной системы обработки информации.

Предмет исследования - математико-статистические модели, методы и методики оценки надежности специализированного программного обеспечения автоматизированных систем обработки информации.

Новые научные результаты, полученные лично автором и выдвигаемые для публичной защиты:

1. 1. Комбинированный метод оценки характеристик надежности программного обеспечения систем обработки информации на этапе тестирования.

   2. Байесовская модель надежности программного обеспечения, основанная на реализации повторных вероятностных распределений количества отказов программного обеспечения на последовательных интервалах времени различной длины и сопряженных распределений среднего количества отказов на этих интервалах.

   3. Методика определения вероятностных характеристик отказов программного обеспечения на этапе опытной эксплуатации, предусматривающая построение последовательности интервалов времени и оптимальных, с точки зрения минимизации байесовского риска, вероятностных распределений среднего числа отказов, средней интенсивности отказов на построенных интервалах и среднего времени между отказами для текущего состояния программного обеспечения..

   4. Методика объединения статистических данных о функционировании программного обеспечения модулей системы обработки информации с редкими отказами при сопровождении программных систем.

   Научная новизна работы состоит в следующем:

   1. 4. 1. Предложен комбинированный метод оценки характеристик надежности программного обеспечения на этапе тестирования. В отличие от стандартного метода позволяет получить более точную оценку параметров модели надежности, за счет внесения и выявления искусственных ошибок в тексте программы. Метод позволяет оценить время, необходимое для завершения тестирования.

         2. Предложена байесовская модель оценки надежности программного обеспечения и методика определения вероятностных характеристик отказов программного обеспечения на этапе опытной эксплуатации. В отличие от известных подходов к байесовскому оцениванию надежности, для подсчета количества отказов используется последовательность интервалов времени различной длительности и повторные вероятностные распределения числа отказов на интервалах. Используемый подход позволяет исключить дополнительные модельные допущения о зависимости параметров вероятностного распределения интенсивности отказов от времени. Оценивается влияние особенностей эксплуатации копий программного обеспечения на интенсивность отказов системы обработки информации. Обеспечивается использование статистических данных об отказах программного обеспечения в изменившихся условиях его эксплуатации и после исправления отдельных ошибок.

         3. Предложена методика объединения статистических данных о функционировании программного обеспечения модулей системы обработки информации с редкими отказами на этапе сопровождения. Применение методики позволяет установить влияние условий эксплуатации на интенсивность отказов и получить более точные оценки характеристик надежности на этапе сопровождения.

         Разработанные модели, методы и методики предоставляют решение актуальной научно-технической задачи обоснования мероприятий по повышению надежности автоматизированных систем обработки информации на основе разработки и реализации новых математико-статистических моделей и методов оценки характеристик надежности специального программного обеспечения на этапах его тестирования, опытной эксплуатации и сопровождения.

         Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и результатов диссертации обеспечивается за счет всестороннего анализа состояния исследований в данной области, подтверждается корректностью предложенных решений, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на всероссийских и международных научных конференциях, положительными итогами практического использования результатов диссертации в различных отечественных организациях.

         Практическая ценность исследования заключается в разработке, апробации и верификации моделей, методов и методик анализа надежности специализированного программного обеспечения систем обработки информации. Комбинированный метод оценки характеристик надежности программного обеспечения на этапе тестирования позволяет получить более точную оценку параметров модели надежности, за счет внесения и выявления искусственных ошибок в тексте программы. Точность прогноза среднего времени наработки на отказ для текущего состояния программного обеспечения по данным экспериментальных исследований улучшена на 20%. Предложенный метод позволяет оценивать время, необходимое для завершения тестирования программного обеспечения, для требуемого уровня надежности ПО.

         Использование разработанных байесовской модели оценки надежности программного обеспечения и методики определения вероятностных характеристик отказов программного обеспечения на этапе опытной эксплуатации позволяет количественно оценить влияние таких особенностей эксплуатации копий программного обеспечения, как квалификация пользователей, характеристики аппаратного обеспечения, частоту запросов данных, на интенсивность отказов системы обработки информации. Полученные оценки позволили обосновать мероприятия, направленные на повышение надежности автоматизированной системы обработки информации.

         Применение предложенного алгоритма объединения статистических данных о функционировании программного обеспечения модулей системы обработки информации с редкими отказами на этапе сопровождения позволяет установить влияние условий эксплуатации на интенсивность отказов и повысить точность оценок характеристик надежности (по данным экспериментальных исследований на 15-20%).

         Реализация результатов работы. Разработанный автором комбинированный метод оценки характеристик надежности программного обеспечения на этапе тестирования использован при отладке Системы защиты персональных данных Федерального медико-биологического агентства Российской Федерации (ФМБА России). Реализация указанного метода позволила сократить сроки тестирования системы на 10% по сравнению с плановыми.

         Байесовская модель оценки надежности программного обеспечения и методика определения вероятностных характеристик отказов программного обеспечения, представленные в диссертационной работе использованы на этапе опытной эксплуатации системы «Документооборот» ФГУП «Научно- исследовательский центр информационных технологий экстремальных проблем». Применение указанных разработок позволило обосновать мероприятия по повышению надежности системы.

         Байесовская модель оценки надежности программного обеспечения и методика определения вероятностных характеристик отказов программного обеспечения использованы в учебном процессе кафедры мониторинга и прогнозирования информационных угроз Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики позволило при подготовке магистров по направлению 090900 - Информационная безопасность по магистерской программе: Моделирование и прогнозирование информационных угроз. Реализация теоретических положений диссертации позволила повысить проблемность обучения и его направленность на формирование профессиональных компетенций выпускников.

         Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них - 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ. Основные положения, результаты исследований и выводы, содержащиеся в диссертационной работе, обсуждались в широком кругу специалистов, ученых и разработчиков систем обработки информации в ФГУП «Научно-исследовательский центр информационных технологий экстремальных проблем», на Международной научной школе «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах» (МАБР-2010), Санкт-

         Петербург, 6-10 июля, 2010 г.; на Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД- 2009), Санкт-Петербург 21-23 октября 2009 г., на научной сессии МИФИ-2008, Москва, 2008.

         Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 143 наименований. Текст диссертации изложен на 145 страницах, включая 34 таблицы и 29 рисунков.

         Похожие диссертации на МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

         

         Тензорный метод анализа надежности программного обеспечения систем управления и обработки информацииЗолотухин Вячеслав Викторович

         

         Процедуры и модели оценки качества и выбора прикладного программного обеспечения систем обработки информацииАнтошина Ирина Валерьевна

         

         Модели и методы оптимизации структуры иерархических систем обработки информацииГубко, Михаил Владимирович

         

         Математические модели и методы для автоматизированных систем обработки структурированной информацииЗимакова Мария Вячеславовна

         

         Метод и модели управления транзакциями в распределенных системах обработки информацииНдикумагенге Жереми

         

         Методы и модели обработки и представления информации в распределенных образовательных системахМонахов Михаил Юрьевич

         

         Модель и метод анализа динамических характеристик системы защиты информации при автоматизированной обработке данныхПтицын Алексей Владимирович

         Модели, методы и алгоритмы управления и обработки информации адаптивными реконфигурируемыми модулями в телеметрических системахГоворухина, Татьяна Николаевна

         

         Метод, модели и алгоритмы обработки информации при регистрации и принятии решений об аварийных процессах в системах электропитанияКозырев Антон Александрович

         

         Программно-алгоритмическое обеспечение сжатия и восстановления сигналов в системах обработки информации при значительных ограничениях на ресурсы : На примере обработки кардиосигналаАнтошкин Сергей Александрович