基于故障注入技術(shù)和加速壽命試驗(yàn)原理的高可靠軟件可靠性評估技術(shù)研究

陳榮興

摘要：對于高可靠軟件的可靠性評估一般有兩種方法，一種是選擇在小樣本失效數(shù)據(jù)情況下能夠準(zhǔn)確進(jìn)行軟件可靠性評估的模型，另一種方法是基于故障注入技術(shù)和加速壽命試驗(yàn)原理，短時(shí)間內(nèi)獲得待評估軟件更多的失效數(shù)據(jù)。該文主要對基于故障注入技術(shù)和加速壽命試驗(yàn)原理的軟件可靠性評估技術(shù)進(jìn)行研究，介紹了故障注入原理和技術(shù)分類、加速壽命試驗(yàn)原理和模型，并結(jié)合兩者分析了可靠性評估技術(shù)的可行性，提出了需要解決的問題和對應(yīng)的解決思路。

關(guān)鍵詞：故障注入；加速壽命試驗(yàn)；可靠性評估；高可靠軟件

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0265-02

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性越來越受到人們的關(guān)注。在一些關(guān)鍵領(lǐng)域，如高鐵、航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)的失效會導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至喪失生命。如何獲取系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，如可靠度、平均失效時(shí)間（MTTF）、失效率等，顯得尤為重要。

1 背景

關(guān)于軟件可靠性評估的研究始于1956年，Weiss對于失效服從泊松分布的復(fù)雜系統(tǒng)提出了估計(jì)可靠性增長的方法，1972年Jelinski和Moranda提出了著名的軟件可靠性評估J-M模型，自此開始，軟件可靠性模型研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們在已有軟件可靠性模型的基礎(chǔ)之上根據(jù)不同軟件的特性不斷提出新的模型和方法[1]。對于一般軟件來說，在一段運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，往往可以得到足夠的失效數(shù)據(jù)，但對于一些高可靠軟件來說，一般得不到充足的失效數(shù)據(jù)。高可靠軟件大多功能單一，開發(fā)過程中引入了可靠性設(shè)計(jì)，且前期的軟件測試也比較充分，因此可靠性測試階段一般很少會發(fā)生失效。如果選擇了不合適的模型，由于失效數(shù)據(jù)較少，模型的評估結(jié)果一般會有較大偏差?；诠收献⑷爰夹g(shù)和加速壽命試驗(yàn)原理的可靠性評估技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取待評估軟件更多的失效數(shù)據(jù)。

2 故障注入

2.1 故障注入原理

故障注入用一般用于驗(yàn)證，使用確定性的或隨機(jī)的方法，在被驗(yàn)證的系統(tǒng)中人工制造故障，即用人工故障代替自然產(chǎn)生的物理故障，以縮短驗(yàn)證的周期。它按照選定的故障類型，用人工的方法產(chǎn)生故障，再將其施加于目標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上以加速它出錯，相應(yīng)的故障響應(yīng)信息被及時(shí)收集和分析，最終的試驗(yàn)結(jié)果將提供給有關(guān)人員。

2.2 故障注入技術(shù)分類

根據(jù)注入對象是否為真實(shí)系統(tǒng)，可以將其分為基于模擬的方法以及基于原型的故障注入，如圖1所示[2]。對于基于模擬的故障注入方法，根據(jù)系統(tǒng)的層級進(jìn)行劃分，可以分為晶體管級、邏輯級和功能級?；谠偷墓收献⑷敕椒ǜ鶕?jù)其具體實(shí)施手段的不同，可以分為硬件實(shí)施、軟件實(shí)施和物理實(shí)施，每種實(shí)施方法又對應(yīng)不同的實(shí)施工具。

3 加速壽命試驗(yàn)

3.1 加速壽命試驗(yàn)原理

加速壽命試驗(yàn)的基本原理是在不改變產(chǎn)品的失效機(jī)理，不增加新的失效因素的前提下，提高試驗(yàn)應(yīng)力，加速產(chǎn)品的失效過程，促使產(chǎn)品在短期內(nèi)失效，再根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用加速壽命曲線或加速壽命方程推算出正常應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命。試驗(yàn)應(yīng)力包括機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、電應(yīng)力等。根據(jù)應(yīng)力施加方式，試驗(yàn)類型可以分為：恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。

3.2 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

加速壽命試驗(yàn)主要需要考慮應(yīng)力集、工作負(fù)載、試驗(yàn)對象和結(jié)果集等四個(gè)因素。用于加速壽命試驗(yàn)的模型（AT）可以用以下四元組來描述：

其中，S、W、T、R分別為應(yīng)力集、工作負(fù)載、試驗(yàn)對象和結(jié)果集，S與W構(gòu)成AT的輸入域，R為AT的直接測量值。

加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D 2所示。從應(yīng)力集選取，從工作負(fù)載選取， 同時(shí)施加于試驗(yàn)對象，試驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果寫回結(jié)果集，構(gòu)成一組加速壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

4 基于故障注入技術(shù)和加速壽命試驗(yàn)原理的高可靠軟件評估技術(shù)所面臨的問題與挑戰(zhàn)

結(jié)合故障注入技術(shù)的特點(diǎn)，以及加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)要求，對高可靠性軟件進(jìn)行可靠性評估有以下問題需要解決。

1） 壽命試驗(yàn)類型的選擇

由于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法操作簡單，數(shù)據(jù)處理模型成熟，精度較高，在實(shí)際中被廣泛采用。而將加速壽命試驗(yàn)原理應(yīng)用于軟件的評估尚處于初步階段，采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)可以降低試驗(yàn)的難度。隨著技術(shù)研究地不斷深入，可以進(jìn)行恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)等。

2） 應(yīng)力的構(gòu)建

以嵌入式應(yīng)用軟件為例，嵌入式平臺的氣候環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械環(huán)境應(yīng)力、生物及化學(xué)環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力及輻射應(yīng)力等各種環(huán)境應(yīng)力匯集而成的導(dǎo)致其失效的作用力之一。各應(yīng)力的綜合作用，導(dǎo)致待評估軟件的運(yùn)行環(huán)境產(chǎn)生故障。因此，我們可以選取故障及其相關(guān)屬性來構(gòu)建應(yīng)力，例如故障的數(shù)量[3]、危害度和故障發(fā)生頻率等。

3） 應(yīng)力水平的確定

應(yīng)力水平是應(yīng)力所處的某個(gè)級別，加速壽命試驗(yàn)需要分別在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)并獲取失效數(shù)據(jù)。加速應(yīng)力水平的確定將涉及三個(gè)參數(shù)：最低應(yīng)力水平、最高應(yīng)力水平和加速應(yīng)力水平的數(shù)量。一般來說，應(yīng)力水平數(shù)量越多，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)越多，統(tǒng)計(jì)分析的精度越高。然而，試驗(yàn)次數(shù)會相應(yīng)增多，試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)成本也會上升。在確定了最低應(yīng)力水平、最高應(yīng)力水平和加速應(yīng)力水平的數(shù)量之后，可以用某種應(yīng)力間隔劃分算法來獲取當(dāng)中的應(yīng)力水平，如等間隔劃分法。

4） 加速應(yīng)力的施加

加速應(yīng)力的施加是通過故障注入技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。以嵌入式應(yīng)用軟件為例，故障注入的對象包括嵌入式平臺的專用硬件層、系統(tǒng)軟件層?？紤]到可靠性評估的要求和注入的成本，一般以軟件實(shí)施的故障注入方式進(jìn)行動態(tài)注入。

5） 加速壽命試驗(yàn)的停止時(shí)間

為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，同時(shí)又不降低統(tǒng)計(jì)分析的精度，一般在組成恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的每組壽命試驗(yàn)中采用定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)。根據(jù)GB-T2689.1-1981，每個(gè)應(yīng)力水平下的樣品數(shù)量不少于10只，特殊產(chǎn)品不少于5只。 對一般產(chǎn)品的截尾試驗(yàn)要求是否同樣適用于軟件，還需要進(jìn)一步地驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

基于故障注入技術(shù)和加速壽命試驗(yàn)原理的軟件可靠性評估技術(shù)方法，能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取更多的失效數(shù)據(jù)，為高可靠軟件的可靠性評估提供一種實(shí)踐方法。同時(shí)，將加速壽命試驗(yàn)應(yīng)用于軟件的相關(guān)理論和技術(shù)都非常匱乏，可以圍繞其展開大量的研究工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸民燕. 軟件可靠性工程[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2011： 282-296.

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[3] 靳昂， 江建慧， 樓俊鋼. 基于加速壽命試驗(yàn)的Web服務(wù)器測評[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 2010（S1）：229-236.