測(cè)試工程的可靠性模型和指標(biāo)第二部分：軟件故障與硬件故障的區(qū)別

軟件故障的性質(zhì)與硬件故障不同。盡管軟件和硬件都可能遇到確定性故障和隨機(jī)故障，但它們的故障有不同的根本原因、不同的故障模式以及不同的預(yù)測(cè)、預(yù)防和修復(fù)機(jī)制。根據(jù)軟件和硬件之間的相互依賴程度及其對(duì)我們系統(tǒng)的影響，考慮以下因素可能會(huì)有所幫助：

1. 失敗的根本原因

· 硬件：硬件故障本質(zhì)上是物理故障，由組件性能下降、制造缺陷或環(huán)境因素引起。這些故障通常是隨機(jī)且不可預(yù)測(cè)的。因此，硬件可靠性模型側(cè)重于物理故障機(jī)制，如疲勞、腐蝕和材料缺陷。

· 軟件：軟件故障通常源于邏輯錯(cuò)誤、代碼缺陷或與環(huán)境的不可預(yù)見(jiàn)的交互。這些故障可能是系統(tǒng)性的，可以追溯到特定的代碼行或設(shè)計(jì)缺陷。因此，軟件可靠性模型不考慮隨時(shí)間推移的物理性能下降。

2. 故障模式

· 硬件：硬件故障通常表現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的行為。組件可能在其使用壽命的早期(早期失效)或后期磨損時(shí)更容易發(fā)生故障。

· 軟件：軟件故障隨時(shí)間的變化非常復(fù)雜，通常取決于代碼的演變等。無(wú)論軟件運(yùn)行了多長(zhǎng)時(shí)間，代碼中的錯(cuò)誤在修復(fù)之前都會(huì)一直存在。

3. 故障預(yù)測(cè)、預(yù)防和修復(fù)

· 硬件：使用 MTBF 的硬件可靠性模型通常側(cè)重于預(yù)測(cè)故障間隔的平均時(shí)間和規(guī)劃預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃。此類模型分析相同組件的歷史故障數(shù)據(jù)。維修通常涉及組件的物理更換。

· 軟件： Musa-Okumoto 和 Jelinski-Moranda 等軟件可靠性模型專注于根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)剩余缺陷的數(shù)量。這些模型考慮代碼復(fù)雜性和缺陷發(fā)現(xiàn)率，以指導(dǎo)測(cè)試工作并識(shí)別可能存在錯(cuò)誤的區(qū)域。修復(fù)通常涉及調(diào)試和修補(bǔ)，而不是物理替換。

4. 相互依賴和互動(dòng)失敗

· 軟件和硬件之間的相互依賴程度因系統(tǒng)、領(lǐng)域和應(yīng)用程序而異。軟件和硬件之間的緊密耦合可能導(dǎo)致交互失敗。軟件可能會(huì)因硬件而失敗，反之亦然。

下表總結(jié)了主要區(qū)別：

通過(guò)了解硬件和軟件故障的不同特征，我們可能能夠在必要時(shí)利用定制的可靠性模型來(lái)深入了解系統(tǒng)的行為。這樣，我們就可以實(shí)施有針對(duì)性的預(yù)防和緩解策略，以構(gòu)建更可靠的系統(tǒng)。

代碼復(fù)雜度

代碼復(fù)雜度評(píng)估代碼庫(kù)的理解和維護(hù)難度。復(fù)雜度越高，隱藏錯(cuò)誤的可能性就越大。通過(guò)測(cè)量代碼復(fù)雜度，開(kāi)發(fā)人員可以確定測(cè)試工作的優(yōu)先級(jí)，并將重點(diǎn)放在可能存在更高缺陷密度的領(lǐng)域。以下工具可以自動(dòng)分析代碼結(jié)構(gòu)并識(shí)別潛在問(wèn)題，例如代碼重復(fù)、長(zhǎng)函數(shù)和高圈復(fù)雜度：

· SonarQube：一個(gè)提供代碼質(zhì)量分析的綜合平臺(tái)，包括代碼復(fù)雜性指標(biāo)

· Fortify：提供針對(duì)安全漏洞和代碼復(fù)雜性的靜態(tài)代碼分析

· CppDepend(適用于 C++)：分析 C++ 代碼庫(kù)的代碼依賴關(guān)系和指標(biāo)

· PMD：用于識(shí)別常見(jiàn)編碼缺陷和復(fù)雜性指標(biāo)的開(kāi)源工具

缺陷密度

缺陷密度表明了代碼中錯(cuò)誤的普遍性。它以每單位代碼(通常是代碼行 (LOC))發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量來(lái)計(jì)算。缺陷密度越低，軟件產(chǎn)品越可靠。

可靠性增長(zhǎng)模型

可靠性增長(zhǎng)模型可幫助開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)估算達(dá)到所需可靠性水平所需的測(cè)試工作量，并確保軟件順利發(fā)布。這些模型可以預(yù)測(cè)測(cè)試過(guò)程中軟件可靠性的提高，從而深入了解測(cè)試策略的有效性并指導(dǎo)資源分配。它們是數(shù)學(xué)模型，用于通過(guò)分析缺陷或故障及其消除的歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)和提高系統(tǒng)隨時(shí)間推移的可靠性。一些模型表現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的特征。其他模型表現(xiàn)出冪律增長(zhǎng)的特征，而有些模型同時(shí)表現(xiàn)出指數(shù)和冪律增長(zhǎng)。這種區(qū)別主要基于關(guān)于故障檢測(cè)率如何隨時(shí)間變化與剩余故障數(shù)量關(guān)系的基本假設(shè)。

雖然對(duì)可靠性增長(zhǎng)模型的詳細(xì)分析超出了本文的范圍，但我將提供一個(gè)可能有助于進(jìn)一步研究的分類。傳統(tǒng)增長(zhǎng)模型包括常用和基礎(chǔ)模型，而貝葉斯方法則代表了一種獨(dú)特的方法。高級(jí)增長(zhǎng)模型包括更復(fù)雜的模型，這些模型包含額外的因素或假設(shè)。請(qǐng)注意，該列表僅供參考，并非詳盡無(wú)遺。

傳統(tǒng)增長(zhǎng)模式

武佐-奧庫(kù)本模型

它假設(shè)故障檢測(cè)和消除采用對(duì)數(shù)泊松過(guò)程，其中隨時(shí)間觀察到的故障數(shù)量遵循初始故障數(shù)量的對(duì)數(shù)函數(shù)。

Jelinski-Moranda 模型

它假設(shè)故障強(qiáng)度隨時(shí)間恒定，并基于錯(cuò)誤播種的概念。它假定軟件故障發(fā)生的速率與系統(tǒng)中剩余故障的數(shù)量成正比。

Goel-Okumoto 模型

它假設(shè)故障檢測(cè)率會(huì)隨著故障的檢測(cè)和修復(fù)而呈指數(shù)下降。它還假設(shè)故障檢測(cè)采用非齊次泊松過(guò)程。

非齊次泊松過(guò)程 ( NHPP ) 模型

他們假設(shè)故障檢測(cè)率與時(shí)間相關(guān)，并遵循非齊次泊松過(guò)程。這些模型可以更靈活地捕捉故障檢測(cè)率隨時(shí)間的變化。

貝葉斯方法

沃爾和弗格森模型

該模型將歷史數(shù)據(jù)與專家判斷相結(jié)合，以隨時(shí)更新可靠性估計(jì)。該模型考慮了缺陷發(fā)現(xiàn)和缺陷糾正工作對(duì)可靠性增長(zhǎng)的影響。

高級(jí)增長(zhǎng)模型

杜安模型

該模型假設(shè)系統(tǒng)的累計(jì) MTBF 隨著累計(jì)測(cè)試時(shí)間的冪律函數(shù)而增加。這被稱為 Duane 假設(shè)，它反映了隨著測(cè)試和調(diào)試的進(jìn)行，系統(tǒng)的可靠性改善速度有多快。

庫(kù)蒂尼奧模型

它基于 Duane 模型，延伸到瞬時(shí)故障率的概念。該比率涉及測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量和采取的糾正措施數(shù)量。該模型提供了可靠性增長(zhǎng)的更動(dòng)態(tài)表示。

Gooitzen 模型

它采用了不完美調(diào)試的概念，即并非所有故障都能在測(cè)試過(guò)程中被檢測(cè)和修復(fù)。該模型通過(guò)考慮不完美調(diào)試，更真實(shí)地表示了故障檢測(cè)和移除過(guò)程。

利特爾伍德模型

它承認(rèn)，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障后，導(dǎo)致這些故障的根本故障就會(huì)得到修復(fù)。因此，系統(tǒng)的可靠性應(yīng)該會(huì)隨著時(shí)間的推移而提高。該模型還考慮了當(dāng)軟件修復(fù)引入更多錯(cuò)誤時(shí)可靠性出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的可能性。

瑞利模型

瑞利概率分布是威布爾分布的一個(gè)特例。該模型考慮了缺陷率隨時(shí)間的變化，尤其是在開(kāi)發(fā)階段。它根據(jù)觀察到的數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)將發(fā)生的缺陷數(shù)量進(jìn)行估計(jì)。

選擇正確的模型

沒(méi)有單一的“最佳”可靠性增長(zhǎng)模型。理想的選擇取決于具體項(xiàng)目的特點(diǎn)和可用數(shù)據(jù)。以下是一些需要考慮的因素。

· 具體目標(biāo)： 確定可靠性增長(zhǎng)分析的具體目標(biāo)和目的。無(wú)論目標(biāo)是優(yōu)化測(cè)試策略、有效分配資源還是提高整體系統(tǒng)可靠性，都應(yīng)選擇符合預(yù)期結(jié)果的模型。

· 系統(tǒng)性質(zhì)：了解被分析系統(tǒng)的特征，包括其復(fù)雜性、組件和故障機(jī)制。某些模型可能更適合特定類型的系統(tǒng)，例如軟件、硬件或具有多個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)。

· 開(kāi)發(fā)階段：考慮系統(tǒng)所處的開(kāi)發(fā)階段。早期開(kāi)發(fā)可能受益于提供基本見(jiàn)解的簡(jiǎn)單模型，而后期開(kāi)發(fā)可能需要更復(fù)雜的模型來(lái)捕捉復(fù)雜的可靠性增長(zhǎng)行為。

· 可用數(shù)據(jù)：評(píng)估過(guò)去故障、故障檢測(cè)和排除的數(shù)據(jù)的可用性和質(zhì)量。如果數(shù)據(jù)有限或不可靠，則需要大量歷史數(shù)據(jù)的模型可能不適用。

· 復(fù)雜性容忍度：評(píng)估所涉及利益相關(guān)者的復(fù)雜性容忍度。某些模型可能需要高級(jí)統(tǒng)計(jì)知識(shí)或計(jì)算資源，這對(duì)于所有利益相關(guān)者來(lái)說(shuō)可能都不可行或不切實(shí)際。

· 假設(shè)和限制：了解每個(gè)可靠性增長(zhǎng)模型的基本假設(shè)和限制。選擇一個(gè)假設(shè)與系統(tǒng)特征和可用數(shù)據(jù)相符的模型。

· 預(yù)測(cè)能力：評(píng)估模型根據(jù)過(guò)去數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)可靠性水平的預(yù)測(cè)能力。

· 靈活性和適應(yīng)性：考慮模型對(duì)不同增長(zhǎng)模式和場(chǎng)景的靈活性和適應(yīng)性。能夠適應(yīng)故障檢測(cè)率、增長(zhǎng)行為和系統(tǒng)復(fù)雜性變化的模型更加通用，適用于各種環(huán)境。

· 資源需求：評(píng)估與實(shí)施和使用模型相關(guān)的資源需求，包括計(jì)算資源、時(shí)間和專業(yè)知識(shí)。選擇與組織可用資源和能力相符的模型。

· 驗(yàn)證與確認(rèn)：通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證或與其他已建立模型進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的有效性和可靠性。經(jīng)過(guò)與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)的模型更值得信賴和可靠。

· 監(jiān)管要求：考慮可能影響可靠性增長(zhǎng)模型選擇的任何監(jiān)管要求或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。某些行業(yè)可能有需要遵守的可靠性分析具體指導(dǎo)方針或建議。

· 利益相關(guān)者的意見(jiàn)：尋求相關(guān)利益相關(guān)者的意見(jiàn)和反饋，包括工程師、經(jīng)理和領(lǐng)域?qū)＜遥源_保所選模型滿足所有相關(guān)方的需求和期望。

總結(jié)

在本文中，我們探討了大量的可靠性模型和指標(biāo)。從簡(jiǎn)單優(yōu)雅的 MTTR 到細(xì)致入微的 NHPP 模型，每種工具都提供了系統(tǒng)健康的獨(dú)特視角。

關(guān)鍵點(diǎn)是什么?沒(méi)有單一的“明星”指標(biāo)或模型可以保證系統(tǒng)的可靠性。相反，我們應(yīng)該仔細(xì)選擇和組合適合特定系統(tǒng)的正確工具。

通過(guò)了解各種模型和指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)和局限性，并將它們與系統(tǒng)特性相結(jié)合，您可以制定全面的可靠性評(píng)估計(jì)劃。這種量身定制的方法可以讓我們識(shí)別潛在的弱點(diǎn)并確定改進(jìn)工作的優(yōu)先順序。