軟件可靠性與安全性分析、評(píng)估方法及建議

軟件可靠性與安全性分析、評(píng)估方法及建議一、背景介紹隨著產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，軟件在產(chǎn)品中所占的比重越來(lái)越大，其規(guī)模和復(fù)雜性急劇增加，對(duì)產(chǎn)品的可靠性、安全性工作提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為保證軟件可靠性，需要對(duì)軟件進(jìn)行可靠性測(cè)試和評(píng)估工作，從而盡早發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)軟件中影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，有效提高軟件可靠性。為保障軟件安全性，需要對(duì)軟件進(jìn)行安全性分析與驗(yàn)證工作。目前，隨著GJBZ161-2012軍用軟件可靠性評(píng)估指南、GJB900A-2012裝備安全性工作通用要求、GJB102A-2012軍用軟件安全性設(shè)計(jì)指南、ARP4761與民用機(jī)載系統(tǒng)安全性評(píng)估流程及DO-178B/C機(jī)載系統(tǒng)合格審定過(guò)程中的軟件考慮等標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，以及空軍航定〔2012〕4號(hào)《航空軍用軟件定型測(cè)評(píng)進(jìn)入條件評(píng)估準(zhǔn)則》中明確提出關(guān)鍵軟件在進(jìn)定入型測(cè)評(píng)前必須具備《軟件失效風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告》；空軍裝型〔2010〕131號(hào)《空軍重點(diǎn)型號(hào)軟件工程化要求》中也明確提出在軟件研制階段中，必須要開(kāi)展軟件安全性分析與驗(yàn)證工作等規(guī)定。美國(guó)在70年代研制F/A-18飛機(jī)期間首次引入軟件安全性技術(shù)。在研制F-22和F-35飛機(jī)時(shí)，則明確要求按照MIL-STD-882和DO-178B開(kāi)展機(jī)載軟件安全性工作。在民機(jī)領(lǐng)域，波音和空客均嚴(yán)格按照ARP-4761及DO-178B/C標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了軟件安全性分析與驗(yàn)證，并作為適航審定的核心要素。在高鐵、核工業(yè)、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域，同樣要求按照IEC61508、EN50128、IEC60880、IEC61513、ISO14971等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)建高安全性軟件做出嚴(yán)格規(guī)定。從上述可以看出，當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)于軟件產(chǎn)品的可靠性評(píng)估、安全性分析驗(yàn)

證工作都提高了一個(gè)新的高度，都提出了具體的要求。二、何為軟件可靠性評(píng)估根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11457，軟件可靠性評(píng)估或軟件可靠性評(píng)價(jià)是指“確定現(xiàn)有系統(tǒng)或系統(tǒng)部件可靠性所達(dá)到的水平的過(guò)程”。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.1633，軟件可靠性評(píng)估定義為“統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)在系統(tǒng)測(cè)試和運(yùn)行期間收集的可觀(guān)測(cè)失效數(shù)據(jù)上的應(yīng)用，用于評(píng)價(jià)軟件的可靠性”。如下圖所示，根據(jù)軟件產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試、運(yùn)行過(guò)程中收集的可觀(guān)測(cè)失效數(shù)據(jù)，利用可靠性評(píng)估手段、工具，擬合出軟件產(chǎn)品的可靠性模型曲線(xiàn)，然后分析當(dāng)前的軟件可靠性強(qiáng)度水平，并與要求的可靠性水平相比較，一方面可以了解當(dāng)前的軟件可靠性水平、預(yù)測(cè)還存在多少潛在的可靠性錯(cuò)誤；另一方面，也可以進(jìn)行軟件測(cè)試規(guī)劃，確定還需要多長(zhǎng)的測(cè)試或者運(yùn)行時(shí)間，才能達(dá)到預(yù)期的可靠性水平。圖1軟件可靠性評(píng)估三、軟件可靠性評(píng)估及安全性分析有哪些工具和方法？NASA委托美國(guó)一個(gè)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于NASA軟件可靠性分析評(píng)估的工具，該工具提供了GM模型、JM模型、LV模型、Musa模型等用于可靠性評(píng)估的模型。該工具一直沿用到現(xiàn)在。圖2NASA軟件可靠性評(píng)估系統(tǒng)國(guó)內(nèi)的廣州寶順研發(fā)了軟件可靠性與安全性分析系統(tǒng)PoSREL，這是一個(gè)模型驅(qū)動(dòng)的軟件可靠性與安全性分析系統(tǒng)，可以用于軟件產(chǎn)品的可靠性分析、可靠性增長(zhǎng)評(píng)估、安全性分析與驗(yàn)證、可靠性測(cè)試以及基于模型的故障分析等工作。該系統(tǒng)提供符合GJB900A、GJB102A、GJB438B、ARP-4761及DO-178B/C等標(biāo)準(zhǔn)要求的集成化、完全模型驅(qū)動(dòng)的軟件安全性、可靠性分析環(huán)境，具備軟件產(chǎn)品各階段的可靠性分析、評(píng)估能力，具備軟件產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)評(píng)估能力，具備基于模型開(kāi)展FMEA等故障識(shí)別與分析能力。同時(shí)，該系統(tǒng)提供豐富的軟件通用失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)、危險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)等。軟件組成：該軟件包含軟件需求潛在缺陷分析模塊、失效模式及影響分析模塊、軟件危險(xiǎn)分析模塊、軟件可靠性評(píng)估模塊、趨勢(shì)分析模塊、預(yù)測(cè)及精度分析模塊，以及相應(yīng)的軟件通用失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)、危險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件主要功能：（1）可建立軟件產(chǎn)品模型，構(gòu)建軟件各功能模塊、構(gòu)件之間的輸入輸出、故障傳遞關(guān)系、邏輯關(guān)系、狀態(tài)關(guān)系等特征模型；（2）可對(duì)軟件需求模型中潛在的安全缺陷進(jìn)行挖掘分析；（3）可實(shí)現(xiàn)軟件不同層次、不同類(lèi)型故障的影響分析，包括獨(dú)立功能失效及影響分析、組合功能失效及影響分析、狀態(tài)失效分析、路徑遷移分析、基于分析規(guī)則的自動(dòng)檢查分析等，可實(shí)現(xiàn)單一或者組合失效的仿真。（4）可實(shí)現(xiàn)軟件可靠性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)軟件測(cè)試數(shù)據(jù)的分布擬合及分析，輸出軟件失效數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析結(jié)果、失效強(qiáng)度、給定時(shí)間時(shí)的可靠度、達(dá)到可靠度目標(biāo)值的運(yùn)行時(shí)間、可靠度曲線(xiàn)、失效強(qiáng)度曲線(xiàn)等。（5）支持GeometricModel(GEO),Jelinski-Moranda(JM),Littlewood-Verralllinear(LVL),MusaBasic(MB),MusaLogarithmic(ML)等軟件可靠性評(píng)估模型，支持NHPP軟件可靠性增長(zhǎng)模型評(píng)估，適用的分布包括Weibull(WB),S-shaped(S),Log-logistic(LogL)等。（6）可以進(jìn)行趨勢(shì)及預(yù)測(cè)精度分析，包括支持拉普拉斯趨勢(shì)分析、Y圖、U圖、似然比（PLR）、相對(duì)誤差分析等等多種趨勢(shì)及精度分析手段。（7）可自動(dòng)生成符合GJB/Z1391要求的軟件安全性可靠性分析報(bào)告以及軟件失效風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告，自動(dòng)生成軟件的失效事故場(chǎng)景及分析結(jié)果。（8）通用失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)包含外部輸入與輸出接口故障模式數(shù)據(jù)、功能處理故障模式數(shù)據(jù)等，危險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)包括物理特性、人為因素、環(huán)境特性等類(lèi)別的危

險(xiǎn)數(shù)據(jù)。示例：飛機(jī)系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)的軟件測(cè)試過(guò)程中，收集了相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，使用PoSREL工具進(jìn)行可靠性評(píng)估、安全性分析。分析結(jié)果如下圖所示。圖3擬合分析圖4失效強(qiáng)度分析圖5故障間隔時(shí)間預(yù)測(cè)圖6趨勢(shì)分析（Laplace檢驗(yàn)）圖7U圖圖8似然比PLR圖9分析結(jié)果匯總圖10通用失效庫(kù)圖11軟件安全性建模圖12軟件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估PRA圖13軟件故障樹(shù)分析圖14軟件FMEA四、結(jié)束語(yǔ)隨著民用、軍用產(chǎn)品對(duì)軟件可靠性、安全性的認(rèn)識(shí)重視，越來(lái)越多的軟件產(chǎn)品逐步開(kāi)展定量的安全性分析、可靠性評(píng)估工作。同時(shí)，我國(guó)新能源汽車(chē)、無(wú)人駕駛汽