軟件可靠性綜述

徐振洋 謝萍 武孟

針對(duì)大型復(fù)雜軟件可靠性低、重大任務(wù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)軟件故障的問(wèn)題，從軟件的全生命周期角度研究軟件可靠性設(shè)計(jì)方法，從軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件冗余設(shè)計(jì)、軟件健壯性設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試設(shè)計(jì)、軟件可讀性設(shè)計(jì)、軟件重用設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、軟件錯(cuò)誤恢復(fù)設(shè)計(jì)等方面研究軟件可靠性設(shè)計(jì)方法，涵蓋了軟件需求、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、測(cè)試設(shè)計(jì)等不同階段，最后以實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

軟件是各個(gè)系統(tǒng)的必要組成部分，也是各系統(tǒng)的核心功能所在，隨著SDN/NFV的出現(xiàn)，軟件的地位和作用越來(lái)越突出。同時(shí)軟件直接面向各級(jí)各類運(yùn)維人員，是網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行狀態(tài)的呈現(xiàn)者，為大型任務(wù)網(wǎng)可靠高效運(yùn)行保駕護(hù)航，為重大任務(wù)的順利完成提供技術(shù)支撐，因此研制高可靠性高質(zhì)量的軟件勢(shì)在必行，研究軟件可靠性設(shè)計(jì)是非常有意義的課題。本文從軟件生命周期的角度，研究軟件可靠性的各個(gè)環(huán)節(jié)，從軟件需求、軟件體系架構(gòu)、軟件界面、軟件測(cè)試等方面進(jìn)行研究。

軟件可靠性設(shè)計(jì)

從軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件冗余設(shè)計(jì)、軟件健壯性設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試設(shè)計(jì)、軟件可讀性設(shè)計(jì)和軟件重用設(shè)計(jì)方面進(jìn)行詳細(xì)研究。

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)主要從軟件體系設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、服務(wù)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

①體系化設(shè)計(jì)：軟件系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，可靠性高的軟件要求采用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，層與層之間單向依賴，減少?gòu)?fù)雜性，提高可靠性，是否進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)注的重點(diǎn)；

②模塊化設(shè)計(jì)：是否采用層次結(jié)構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，是否進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)是否高內(nèi)聚、低耦合，模塊之間接口是否清晰明確簡(jiǎn)潔，上述都是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)；為降低軟件的復(fù)雜度，采用層級(jí)結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合的思想，將軟件分層，層與層之間只存在單向德依賴關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分解為若干個(gè)功能獨(dú)立的模塊。各模塊相互交互，實(shí)現(xiàn)軟件的相關(guān)功能。但是，隨著軟件模塊的數(shù)量增加，軟件模塊間的信息交互勢(shì)必大幅增多，增加了軟件的復(fù)雜度。因此，軟件模塊的劃分需要考慮軟件模塊的功能單一性（即軟件模塊盡量?。┖蛙浖K間信息交互少的原則。

③服務(wù)化設(shè)計(jì)：將獨(dú)立功能的軟件模塊進(jìn)行了服務(wù)化封裝，服務(wù)之間的通信是否簡(jiǎn)單明確，服務(wù)是否進(jìn)行了注冊(cè)、發(fā)布、共享，該項(xiàng)目的服務(wù)是全新設(shè)計(jì)還是基于已有項(xiàng)目的設(shè)計(jì)；是否最大限度重用了服務(wù)庫(kù)中的服務(wù)，重用服務(wù)占整個(gè)軟件項(xiàng)目服務(wù)設(shè)計(jì)的百分比是多少；因?yàn)槌墒斓娜霂?kù)服務(wù)，均已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試部署使用，其可靠性比較高，直接應(yīng)用于新項(xiàng)目中既可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，又可以提高可靠性。

軟件冗余設(shè)計(jì)

①主備熱備設(shè)計(jì)：對(duì)于可靠性要求極高的軟件，如航天系統(tǒng)相關(guān)軟件，一定要采用主備熱備、雙機(jī)熱備模式，確保系統(tǒng)故障時(shí)的零切換和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)備份。

②重要模塊備份設(shè)計(jì)：針對(duì)系統(tǒng)功能強(qiáng)大復(fù)雜，軟件模塊眾多的系統(tǒng)的，要重點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵硬件、關(guān)鍵模塊備份模式，冷熱備份根據(jù)實(shí)際需求選擇。

③信息冗余設(shè)計(jì)：針對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)是重要的信息存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)庫(kù)的選型，選擇達(dá)夢(mèng)、金倉(cāng)國(guó)產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)和讀取。

軟件健壯性設(shè)計(jì)

軟件健壯性設(shè)計(jì)包括界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和軟件操作防護(hù)設(shè)計(jì)：

①在界面設(shè)計(jì)中：對(duì)輸入數(shù)據(jù)的有效性及合理性進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)輸入范圍設(shè)計(jì)。

②數(shù)據(jù)健壯性設(shè)計(jì)：對(duì)輸入數(shù)據(jù)的格式和存儲(chǔ)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

③軟件誤刪除防護(hù)設(shè)計(jì)：針對(duì)軟件的刪除設(shè)計(jì)做防范操作，首先進(jìn)行刪除提示和確認(rèn)操作設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)刪除的數(shù)據(jù)做短時(shí)間備份存儲(chǔ)，以便出現(xiàn)誤操作刪除時(shí)進(jìn)行撤銷和數(shù)據(jù)恢復(fù)操作。

軟件測(cè)試設(shè)計(jì)

在軟件測(cè)試設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注如下方法：

①需求階段：是否有詳盡的需求說(shuō)明和設(shè)計(jì)文檔（重點(diǎn)關(guān)注是否與用戶進(jìn)行透徹溝通交流），需求不透徹的話，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)翻盤代價(jià)甚大。

②概要和詳細(xì)階段：進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件模塊劃分設(shè)計(jì)，軟件流程設(shè)計(jì)和函數(shù)設(shè)計(jì)，能指導(dǎo)軟件編碼；

③測(cè)試階段：設(shè)計(jì)測(cè)試用例、測(cè)試策略，黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試，進(jìn)行軟件正常運(yùn)行，超負(fù)荷運(yùn)行檢測(cè)并采取手段。

軟件可讀性設(shè)計(jì)

軟件編程風(fēng)格是否統(tǒng)一、合理，對(duì)增加軟件代碼可讀性、提高軟件可靠性、便于軟件的維護(hù)等方面有重要影響。要求每一個(gè)軟件模塊標(biāo)準(zhǔn)功能、作用、包含函數(shù)。要求軟件代碼注釋率不低于15 %。

針對(duì)不同的編程語(yǔ)言分別制定了相應(yīng)的編程規(guī)范，建立了專門編程規(guī)范執(zhí)行制度來(lái)約束編碼人員按編程規(guī)范編寫(xiě)代碼。統(tǒng)一、合理的軟件編程風(fēng)格在一定程度上減少了軟件的問(wèn)題，方便軟件問(wèn)題的排查和后期維護(hù)。

軟件重用設(shè)計(jì)

軟件重用的所有資料都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，按照規(guī)定要求錄入的，被證明是合格、準(zhǔn)確和可靠的。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

隨著業(yè)務(wù)的多樣化、網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，數(shù)據(jù)種類越來(lái)越多，除了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之外，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，傳統(tǒng)的oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存在存取速度慢、存取效率低的弊端越來(lái)越難以滿足要求。由于待存儲(chǔ)流量信息巨大，因此采用分級(jí)分布式的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)，每級(jí)數(shù)據(jù)中心的核心存儲(chǔ)平臺(tái)采用HADOOP平臺(tái)的HDFS分布式存儲(chǔ)集群，具有分布式存取、容災(zāi)性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和存儲(chǔ)資源有限，從系統(tǒng)可靠性的角度出發(fā)構(gòu)建分布式NameNode集群，根據(jù)集群的負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和安全訪問(wèn)，從而保證云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心的安全和負(fù)載平衡。

軟件錯(cuò)誤恢復(fù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過(guò)程中由于軟件運(yùn)行環(huán)境故障、人員操作異常、軟件自身錯(cuò)誤等原因造成軟件出錯(cuò)故障。如何在軟件發(fā)生錯(cuò)誤后盡快的恢復(fù)過(guò)來(lái)、繼續(xù)正常運(yùn)行是軟件可靠性設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。

①日志機(jī)制：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用日志管理設(shè)計(jì)，提供安全日志、操作日志、登錄日志等各種日志的實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)備份功能，在軟件發(fā)生故障后，可以查看日志記錄查找故障原因，快速恢復(fù)軟件。

②狀態(tài)恢復(fù)機(jī)制：系統(tǒng)總部級(jí)網(wǎng)管中心軟件采用主備雙機(jī)熱備備份，在主用發(fā)生故障后，備用能迅速啟用，狀態(tài)轉(zhuǎn)化為主用。

③數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制：系統(tǒng)軟件采取自動(dòng)保存、數(shù)據(jù)備份等手段，確保軟件發(fā)生故障后，網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性，提高軟件的可靠性。

實(shí)例驗(yàn)證

以某平臺(tái)網(wǎng)管軟件為例，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證。

該軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)廠商多個(gè)型號(hào)設(shè)備的統(tǒng)一管理，具有軟件規(guī)模大、前后臺(tái)交互信息量大、頻繁存取數(shù)據(jù)、適合各級(jí)各類操作人員、可視化易操作的特點(diǎn)。

①首先進(jìn)行軟件需求設(shè)計(jì)，詳細(xì)分解細(xì)化需求，提取出軟件功能（五大功能）、性能（7項(xiàng)性能指標(biāo)）、接口（SNMPv2/ SNMPv3/TELNET/SSH/SYSLOG/NETFLOW）、運(yùn)行環(huán)境（中標(biāo)麒麟服務(wù)器和客戶端操作系統(tǒng)、達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)）要求。

②進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，分析得知，需要基于B/S軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，檢索軟件重用庫(kù)，獲取B/S軟件架構(gòu)相關(guān)指導(dǎo)手冊(cè)，軟件源代碼，同時(shí)基于重用庫(kù)中的軟件界面集成框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，大量節(jié)省時(shí)間，同時(shí)軟件架構(gòu)的可靠性和可用性都是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的。

③進(jìn)行軟件模塊化、服務(wù)化設(shè)計(jì)，根據(jù)需求中規(guī)定的五大功能，詳細(xì)分解為高內(nèi)聚、松耦合的軟件模塊，每個(gè)軟件模塊盡量完成獨(dú)立的軟件功能，同時(shí)基于標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行服務(wù)化封裝，服務(wù)化模塊之間基于標(biāo)準(zhǔn)的消息進(jìn)行信息傳輸。

④進(jìn)行軟件界面設(shè)計(jì)，基于軟件重用庫(kù)中的軟件界面集成框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了增加軟件界面的可視化，減少?gòu)?fù)雜性和操作盲目性，在每一個(gè)界面元中都丟界面元素的名稱、含義數(shù)據(jù)輸入范圍）進(jìn)行tip框提示，同時(shí)采用能用下拉列表框盡量用下拉列表框的設(shè)計(jì)思路，減少用戶輸入。

⑤軟件測(cè)試設(shè)計(jì)，進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)、合格性測(cè)試設(shè)計(jì)、集成測(cè)試設(shè)計(jì)，同時(shí)從軟件安裝、卸載、運(yùn)行負(fù)荷、安全性、可靠性等方面也設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試用例，針對(duì)每一個(gè)測(cè)試用例，都從測(cè)試用例設(shè)計(jì)和編寫(xiě)要從正常值、邊界值、異常值等多個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì)。測(cè)試前要確定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，設(shè)計(jì)測(cè)試用例要盡可能遍歷所有的測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試要盡可能詳盡，測(cè)試要強(qiáng)化輸入，正常值、邊界值、異常值都要測(cè)試，盡可能多的發(fā)現(xiàn)軟件錯(cuò)誤剔除軟件錯(cuò)誤。

⑥容錯(cuò)設(shè)計(jì)：針對(duì)軟件刪除，進(jìn)行刪除確認(rèn)提示，同時(shí)提供一個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)刪除備份手段；在軟件服務(wù)器方面，采取主備備份機(jī)制，主備軟件同時(shí)熱備運(yùn)行，任何一方出現(xiàn)問(wèn)題都可以即時(shí)接管。

通過(guò)上述的軟件可靠性設(shè)計(jì)，相比于未采取本文論述的系列可靠性手段，大大提高了該軟件的可靠性，縮短了研制周期。

軟件在各系統(tǒng)中的占比越來(lái)越大，地位越來(lái)越重要，核心功能越來(lái)越突出。因此做好軟件首先要對(duì)軟件各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)。只有在軟件生命周期的每一個(gè)環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)充分重視和嚴(yán)格執(zhí)行軟件可靠性設(shè)計(jì)的規(guī)定要求，充分收集并利用各測(cè)試階段的可靠性數(shù)據(jù)，才能設(shè)計(jì)出高可靠性的軟件。

隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)，軟件定義一切的理念和技術(shù)深入發(fā)展，軟件越來(lái)越成為整個(gè)系統(tǒng)的靈魂所在，因此其可靠與否直接影響整個(gè)系統(tǒng)，所以有必要深入研究軟件定義網(wǎng)絡(luò)后的新型軟件可靠性。