軟件可靠性模型選擇的ＳＲＭＳ算法

摘要：在軟件可靠性評估中經常用到軟件可靠性模型。如何對每一特定用例進行可靠性模型的選擇一直是可靠性領域研究人員的興趣之一。文獻中已有的軟件可靠性模型的選擇方法和工具因為使用了受限的模型選擇標準而得不到廣泛的應用。該文根據軟件開發生命周期（SDLC）的階段對可靠性模型進行了分類，對可靠性模型的選擇提出一系列新的標準，在此基礎上提出了一種新的模型選擇算法并對其進行舉例說明。

關鍵詞：軟件可靠性模型；模型分類；模型選擇標準；模型選擇方法

中圖分類號：TP312文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)29-0374-03

SRMS Algorithm for Software Reliability Model Selection

DING Xiao-guang， ZHANG Gui-yong

(College of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Posts Telecommunications，Nanjing 210003，China)

Abstract: Software Reliability Models are often used in software reliability estimation. Selection of Software Reliability Models for particular case has been the interest for the researchers in the field of reliability.Tools and techniques in the literature can not be broadly used due to the limited number of model selection criteria they adopt.In the paper， we have classified software reliability models by following Software Development Life Cycle(SDLC) phase， we’ve proposed a number of criteria for the selection of software reliability model， and in the end a new algorithm based on these criteria is provided .

Key words: soft reliability model; model classification; model selection criteria; model selection technique

1 引言

軟件可靠性模型的定義為：在特定環境下，特定時間內，軟件操作不發生失效的概率。對其有狹義和廣義的不同理解，主要包括以下幾個度量：軟件可靠度，軟件失效強度和軟件平均失效時間MTTF（Mean Time To Failure）[1-2]?？煽啃阅Ｐ褪菍浖煽啃赃M行預測，控制和評估的一種有力的工具。軟件可靠性模型的工作起始于上世紀70年代，自從1972年研發人員提出了第一個軟件可靠性模型為止，現存的模型已超過上百種并且在逐年遞加，但是沒有哪一種模型被證實具有普適性。即使一些目前被廣泛應用的模型對某些特定的數據集來說也并不一定是最優的，同樣對于一特定測試用例來說，我們事先也不知道選用哪種模型更加的合適。

對各種模型而言，并不存在一個在進行模型選擇時普適性最好的標準。以前大部分的選擇方法在進行模型選擇時都是根據數據顯示的趨勢為標準的，例如U圖法等[1]。

本文的目的在于提出一種可以使模型選擇更加有效的新方法，該方法適用SDLC的不同階段及

現存其他各種可靠性模型。

通過對面目前廣泛使用的30多個模型進行的研究，本文提出了一系列軟件可靠性模型選擇的新標準。在此標準基礎上，提出了一種在軟件可靠性模型選擇過程中具有很好普適性的新算法。

2 軟件可靠性模型的分類

本文對軟件可靠性模型分為以下6類：

2.1 早期預測模型

這類模型使用軟件開發過程中從需求到測試的各個階段的特征來預測軟件在實際操作過程中的行為。

2.2 軟件可靠性增長模型（SRGM模型）

這類模型利用軟件測試過程中的失效行為來預測軟件在實際操作過程中的行為。因此該類模型利用失效數據信息和從失效數據中觀測的趨勢來進行可靠性預測。SRGM模型可進一步歸為Concave模型和S形模型[2]。

2.3 基于結構模型

此類模型以軟件的體系結構為重點，它通過對軟件的不同模塊進行混合的方式進行可靠性估計[6]。該類模型可進一步歸為基于狀態的模型，基于路徑的模型和附加模型[1] 。

2.4 基于輸入域模型

此類模型使用軟件輸入域的屬性對正常運行的測試用例進行正確概率的評估。

2.5 混合黑盒模型

該類模型混合了基于輸入域模型和可靠性增長模型(SRGM)的特征。

2.6 混合白盒模型

該類模型使用了黑盒模型和白盒模型的一些特定特征。

3 軟件可靠性模型選擇的標準

通過對30多種已發表模型的研究，我們得出了在軟件可靠性模型選擇過程中起關鍵作用的9條標準，具體闡述如下：

3.1 生命周期階段

由于在SDLC的不同階段均需要用到軟件可靠性模型，因此決定在某一階段使用何種模型的問題就變得非常重要，這也正突顯出軟件可靠性模型選擇標準的重要性。

3.2 用戶想得到的輸出

另外一個重要的標準就是用戶要求能夠從選擇的模型中得到他們想要的理想輸出。在實際軟件工程項目中，完全理想的輸出結果是不現實的，只有理想的模型才可以提供這樣的輸出。

3.3 模型需求的輸入

如果模型需要的數據得不到滿足，那么這個模型就沒法用了?？偟膩碚f，該標準不如3.2中的標準那樣重要。但是在有些階段（尤其是在軟件設計階段），該標準就變得更加重要。

3.4 根據數據顯示的趨勢

在這條標準中，我們將收集到的失效數據曲線和模型曲線進行比較。如果兩條曲線擬合的較好，那么使用該模型得到較準確結果的可能性也就較大，并且在理論上，在模型預測的初期，由于測試的范圍較小，導致了預測的結果不是十分理想，隨著測試范圍的擴大，模型的預測效果應該越解決實際。

3.5 根據數據對假設的檢驗

我們必須對模型中的一些假設進行考慮，但并非任一模型的所有假設都需要這樣。同樣，我們也必須對那些可利用已有數據對其假設進行檢驗的模型進行思考，既然100%的檢驗不太可能實現，那么也可以挑選那些具有較高假設檢驗值的假設條件進行考慮。

3.6 測試過程

基于結構的軟件可靠性模型考慮了測試期間使用的測試方法。

3.7 開發過程

開發過程同樣也可視為軟件可靠性模型選擇中的一個因素。它包括錯誤的報告和使用的方法等。

3.8 項目的性質

項目的性質包括應用軟件的可終止性，大小等。同樣也要考慮不同的結構類型，例如容錯系統等[2-3]。

3.9 項目的結構

模型選擇過程中最后一個標準就是項目的結構信息，此信息會告訴我們不同模塊直接的關系和結構，該標準特別適用于基于構件的應用軟件中。

4 算法

基于上述9個不同的標準，本文提出了SRMS（Software Reliability Model Seletion）算法。我們對不同的模型分配不同的點數，最后選取具有最高點數的模型作為最佳模型。

軟件可靠性模型選擇的過程如圖1所示。

4.1 SRMS模型選擇算法

步驟1：在這一步中，我們要確定當前是SDLC周期中的哪一階段，在這之后，還要確定哪些模型適用于該階段。

步驟2：在步驟1之后，首要的問題是如何確定“決定性標準”，該標準一旦確定就有助于降低待選模型的數目?！皼Q定性標準”是指在一特定階段的所有待選模型中需要首先考慮的標準。

步驟3：在這一步，我們要用到那些適用于本階段中的其他“非決定性標準”標準。首先，對它們分配重要性權值，權值反映的是它所對應的標準在SDLC階段的重要性程度，我們將此權值稱為標準權值。在某些特定階段，標準權值都是按照相同大小分配給在此階段中適用的每一可靠性模型的。

步驟4：對每一標準對應的適用模型根據它符合標準的程度分配一個權值，我們將之稱為適應性權值，其變化范圍為0—1，如果模型完全符合標準，那么權值為1，反之則為0，0與1之間的值也可根據模型對標準的滿足程度予以選取。

步驟5：將標準各自對應的適用性權值和標準權值相乘，最后把相乘的結果求和相加，其最終結果即為待選模型的總點數。

步驟6：選取具有最高點數的模型，用它進行可靠性評估。

4.2 舉例說明

本例用來解釋本文所述算法的工作步驟，例子中并沒有對模型的“好”和“壞”進行分類，只是虛構了兩個模型來說明本例。

步驟1：假設我們現在處在SDLC的設計階段，在此階段中模型的選擇過程如圖2所示。

這步之后，只剩下那些適用于本階段的其他模型了：

1) 早期預測模型（黑盒模型）

2) 基于結構模型（白盒模型）

步驟2：此階段中的決定性標準是項目結構。如果項目是基于構件的，那么就應該選用基于結構的模型?；诤诤袦y試的測試方法已被證實不能充分的利用以構件聯合方式建立起來的現代系統行為。因此，現在只剩下基于結構模型可以供我們選擇了[1，7]。

步驟3：本階段剩余的其他可適用標準如下：

1) 模型需求的輸入

2) 用戶想得到的輸出

3) 依據數據對假設的檢驗

4) 項目的性質

5) 測試過程（如果歷史數據可得）

對這一階段分配的標準權值如下：

依據數據對假設的檢驗=4

項目性質=3

測試過程=3

項目性質=3

用戶想得到的輸出=1

（一般來說，所有基于結構的模型都會提供相似的輸出）

步驟4：在這步中我們為每個待選模型分配適用性權值。我們利用兩個虛構模型A和B來說明是如何來分配適用性權值的。

對A模型分配如下適用性權值：

模型需求的輸入=0.50

用戶想得到的輸出=0.50

根據數據對假設的檢驗=0.33

項目性質=1.0（項目是異類類型的，該模型同時考慮異類模型）

測試過程=0.0

同理，對B模型分配適用性權值如下：

模型需求的輸入=0.75（獲得所需數據的3/4）

用戶想得到的輸出=0.66（模型可提供用戶理想輸出數據的2/3）

根據數據對假設的檢驗=0.25（四條假設中只有一條滿足）

項目性質=0（項目是異類類型的，但是本模型并不考慮異類模型）

測試過程=1.0

步驟5：將各自的標準權值和適應性權值相乘

模型A

4*0.33=1.32（根據數據對假設的檢驗）

3*1.0=3.0（項目性質）

3*0.0=0.0（測試過程）

2*0.50=1.00（模型需求的輸入）

1*0.50=0.50（用戶想得到的輸出）

模型B

4*0.25=1.0（根據數據對假設的檢驗）

3*0.0=0.0（項目性質）

3*1.0=3.0（測試過程）

2*0.75=1.5（模型需求的輸入）

1*0.66=0.66（用戶想得到的輸出）

現在對各模型的總點數計算如下：

模型A：1.32+3.0+0.0+1.0+0.50=5.82

模型B：1.0+0.0+3.0+1.50+0.66=6.16

步驟6： 由步驟5可知模型A的總點數比模型B的小，所以我們選取B作為軟件可靠性評估的模型。

5 總結和展望

本文中，我們考慮了軟件可靠性模型選擇的問題，文章對一些常用的軟件可靠性模型進行了分類，對模型選擇中使用到的不同標準進行了討論并提出了自己的9條標準，在此標準的基礎上提出了一種新的更具普適性的算法。

在本文提出的標準上可以進一步提出其他模型。未來工作的重點是如何針對軟件可靠性模型的選擇標準提出更加有效的算法，使用軟件可靠性模型的選擇變得更加容易，有效！

參考文獻：

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[6] 黃錫滋.軟件的可靠性和安全性[M].北京:科學出版社，1993.

[7] Gokhale S S，Lyu M R，Trivvedi K S.Reliability Simulation of Component-Based Software System[C]//proceedings of the Ninth International Symposium on Software Reliability Engineering(ISSRE’98)，Paderborn，Germany，November04-07，1998:192-201.