不完美排错下NHPP类软件可靠性过程研究

作     者：张策 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：博士

导师姓名：崔刚

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：非齐次泊松过程 不完美排错 软件可靠性增长模型 构件软件可靠性 可靠性过程 

摘      要：信息技术的快速发展使得软件系统渗透到人类生产生活的方方面面,所发挥的作用越来越大。软件系统业务功能属性和非功能属性紧密相关,一直得到了持续的关注。作为软件系统最为重要的非功能质量属性之一,以可靠性为核心的相关研究一直得到研究人员的重视,并不断持续深入。由于可靠性经常被定义为时间的函数,且受多种随机因素影响,因而基于可变失效强度的非齐次泊松过程NHPP(Non-Homogeneous Poisson Process)进行软件可靠性建模及相关过程研究是重要研究方向。在软件生命周期中,测试阶段是提高软件可靠性的重要时间部分,由于测试环境的随机性和不确定因素的影响,软件排错呈现不完美特点,但现有研究中进行了较多的完美性假设,偏离实际,这样测试阶段可靠性的研究中要考虑到不完美情况。为了更加贴近真实测试过程,本文从研究考虑不完美排错的SRGM(Software Reliability Growth Model)入手,建立单一黑盒形式软件测试过程中考虑不完美排错时的统一的SRGM框架,并提出涵盖测试工作量的软件最优发布策略;进而将研究拓展到考虑内部组成结构的构件软件在集成测试过程中考虑故障检测与修复等随机子过程的情况,建立考虑不完美排错等实际情形的可靠性过程分析模型。不完美排错是对单一黑盒形式的软件在测试或运行阶段中实际排错情况的描述,存在多种形式,现有不完美排错研究考虑的并不充分。本文首先从故障排除的不完全性上、新故障引入以及考虑到测试工作量角度建立统一的不完美排错SRGM框架,框架中明确描述了故障检测、修复与引入的定量关系。此外,框架模型具有较强的柔性,支持根据实际情况进行多个参变量函数的设定。在此基础上给出了变化形式基本相符的故障检测率函数和初值不为零的测试工作量函数,进而建立了能够描述实际多种情形的具体的SRGM:SRGM-GTEID。由于从故障检测与修复的内在逻辑上形式化地建立了测试过程的定量关系模型,给出的SRGM更加符合实际测试环境,可较好描述测试过程中可靠性的增长。软件测试的主要目的是不断检测与修复故障,提高可靠性,实现预期目标下最优发布软件。本文提出考虑到不完美排错时SRGM相关的软件最优发布策略。在不完美排错SRGM框架基础上,建立了具有先增后降S型变化趋势的失效率的SRGM:IDTEDM。从软件全生命周期角度,建立考虑不完美排错的成本模型,进而提出考虑发布时达到预期可靠性的最优发布模型。成本模型中定量地给出了测试成本初值,避免了主观设定带来的不确定性。测试花费的实际值ATC可能会超过所求得的期望值ETC,存在成本严重超支的风险,基于此,建立了涵盖成本风险分析与调控的最优发布模型。这样,在考虑到不完美排错、全生命周期成本构成和测试成本超支风险管控的基础上,建立了最优发布时间求解算法ORP-BEVRA。不完美排错SRGM相关的最优发布策略主要考虑到了实际的不完美排错和可能存在的实际成本超支情况,更加靠近实际的测试过程,为成本—可靠性最优控制与最优发布提供重要的决策参考支持。相比于单一形式的黑盒软件,构件软件考虑到内部的组成结构,其可靠性过程研究更为深入。现有构件软件集成测试过程中对排错过程进行了简化,忽略了不完美排错现象,对测试环境的变化缺乏考虑。针对这些不足,本文提出考虑不完美排错与变动点CP(Change-Point)的构件软件可靠性过程分析方法。建立了考虑不完美排错时的构件软件测试队列模型,模型中的故障修复与检测存在着明确的反馈现象。在此基础上,量化分析了变动点前后故障修复情况,并将不完美排错情况考虑进去,形式化推导出了构件软件测试过程中累积检测与修复的故障数量表达式,刻画出考虑不完美排错与变动点时故障的动态变化情况,可度量出构件软件测试中可靠性的提高情况。此外,给出了变动点在提高故障移除率增长上的定理,证明了测试环境改进使得变动点的出现能够提高测试效率。数值算例验证了所提出模型的有效性。当前构件软件研究中认为被检测到不同严重程度的故障所经历的检修过程均相同,该假设并不符合实际情况。为此,本文提出了考虑修复延迟与不完美排错的构件软件可靠性过程分析方法。在所建立的考虑排错延迟与不完美排错的构件软件测试队列模型中明确引入故障分配过程,使得不同类型的故障所经历的修复环节并不相同。首先对考虑修复延迟时的构件软件测试过程进行统一定量分析,进而分别对严重故障与一般故障的修复过程进行分析,并将不完美排错现象引入到故障修复中。这样,建立了考虑修复延迟与不完美排错的构件软件可靠性分析模型,刻画了累积检测与修复的故障数量情况。由于考虑到更多的实际细节,所提出的模型更加靠近实际的不完美测试过程。模型的有效性经实际的数值算例进行了验证。