軟件可靠性與安全性分析、評估方法及建議

軟件可靠性與安全性分析、評估方法及建議一、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越大，其規(guī)模和復(fù)雜性急劇增加，對產(chǎn)品的可靠性、安全性工作提出了嚴(yán)峻的考驗。為保證軟件可靠性，需要對軟件進行可靠性測試和評估工作，從而盡早發(fā)現(xiàn)并改進軟件中影響產(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，需要對軟件進行安全性分析與驗證工作。目前，隨著GJBZ161-2012軍用軟件可靠性評估指南、GJB900A-2012裝備安全性工作通用要求、GJB102A-2012軍用軟件安全性設(shè)計指南、ARP4761與民用機載系統(tǒng)安全性評估流程及DO-178B/C機載系統(tǒng)合格審定過程中的軟件考慮等標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施，以及空軍航定〔2012〕4號《航空軍用軟件定型測評進入條件評估準(zhǔn)則》中明確提出關(guān)鍵軟件在進定入型測評前必須具備《軟件失效風(fēng)險分析報告》；空軍裝型〔2010〕131號《空軍重點型號軟件工程化要求》中也明確提出在軟件研制階段中，必須要開展軟件安全性分析與驗證工作等規(guī)定。美國在70年代研制F/A-18飛機期間首次引入軟件安全性技術(shù)。在研制F-22和F-35飛機時，則明確要求按照MIL-STD-882和DO-178B開展機載軟件安全性工作。在民機領(lǐng)域，波音和空客均嚴(yán)格按照ARP-4761及DO-178B/C標(biāo)準(zhǔn)開展了軟件安全性分析與驗證，并作為適航審定的核心要素。在高鐵、核工業(yè)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，同樣要求按照IEC61508、EN50128、IEC60880、IEC61513、ISO14971等標(biāo)準(zhǔn)，對構(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)前世界各國對于軟件產(chǎn)品的可靠性評估、安全性分析驗

證工作都提高了一個新的高度，都提出了具體的要求。二、何為軟件可靠性評估根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB11457，軟件可靠性評估或軟件可靠性評價是指“確定現(xiàn)有系統(tǒng)或系統(tǒng)部件可靠性所達到的水平的過程”。在國際標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.1633，軟件可靠性評估定義為“統(tǒng)計學(xué)技術(shù)在系統(tǒng)測試和運行期間收集的可觀測失效數(shù)據(jù)上的應(yīng)用，用于評價軟件的可靠性”。如下圖所示，根據(jù)軟件產(chǎn)品研發(fā)測試、運行過程中收集的可觀測失效數(shù)據(jù)，利用可靠性評估手段、工具，擬合出軟件產(chǎn)品的可靠性模型曲線，然后分析當(dāng)前的軟件可靠性強度水平，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)測還存在多少潛在的可靠性錯誤；另一方面，也可以進行軟件測試規(guī)劃，確定還需要多長的測試或者運行時間，才能達到預(yù)期的可靠性水平。圖1軟件可靠性評估三、軟件可靠性評估及安全性分析有哪些工具和方法？NASA委托美國一個研究機構(gòu)開發(fā)了專門用于NASA軟件可靠性分析評估的工具，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估的模型。該工具一直沿用到現(xiàn)在。圖2NASA軟件可靠性評估系統(tǒng)國內(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，這是一個模型驅(qū)動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、可靠性增長評估、安全性分析與驗證、可靠性測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、評估能力，具備軟件產(chǎn)品的可靠性增長評估能力，具備基于模型開展FMEA等故障識別與分析能力。同時，該系統(tǒng)提供豐富的軟件通用失效模式數(shù)據(jù)庫、危險數(shù)據(jù)庫等。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、軟件危險分析模塊、軟件可靠性評估模塊、趨勢分析模塊、預(yù)測及精度分析模塊，以及相應(yīng)的軟件通用失效模式數(shù)據(jù)庫、危險數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。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）可對軟件需求模型中潛在的安全缺陷進行挖掘分析；（3）可實現(xiàn)軟件不同層次、不同類型故障的影響分析，包括獨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)則的自動檢查分析等，可實現(xiàn)單一或者組合失效的仿真。（4）可實現(xiàn)軟件可靠性評估，實現(xiàn)軟件測試數(shù)據(jù)的分布擬合及分析，輸出軟件失效數(shù)據(jù)趨勢分析結(jié)果、失效強度、給定時間時的可靠度、達到可靠度目標(biāo)值的運行時間、可靠度曲線、失效強度曲線等。（5）支持GeometricModel(GEO),Jelinski-Moranda(JM),Littlewood-Verralllinear(LVL),MusaBasic(MB),MusaLogarithmic(ML)等軟件可靠性評估模型，支持NHPP軟件可靠性增長模型評估，適用的分布包括Weibull(WB),S-shaped(S),Log-logistic(LogL)等。（6）可以進行趨勢及預(yù)測精度分析，包括支持拉普拉斯趨勢分析、Y圖、U圖、似然比（PLR）、相對誤差分析等等多種趨勢及精度分析手段。（7）可自動生成符合GJB/Z1391要求的軟件安全性可靠性分析報告以及軟件失效風(fēng)險分析報告，自動生成軟件的失效事故場景及分析結(jié)果。（8）通用失效模式數(shù)據(jù)庫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，危險數(shù)據(jù)庫包括物理特性、人為因素、環(huán)境特性等類別的危

險數(shù)據(jù)。示例：飛機系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)的軟件測試過程中，收集了相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，使用PoSREL工具進行可靠性評估、安全性分析。分析結(jié)果如下圖所示。圖3擬合分析圖4失效強度分析圖5故障間隔時間預(yù)測圖6趨勢分析（Laplace檢驗）圖7U圖圖8似然比PLR圖9分析結(jié)果匯總圖10通用失效庫圖11軟件安全性建模圖12軟件風(fēng)險評估PRA圖13軟件故障樹分析圖14軟件FMEA四、結(jié)束語隨著民用、軍用產(chǎn)品對軟件可靠性、安全性的認(rèn)識重視，越來越多的軟件產(chǎn)品逐步開展定量的安全性分析、可靠性評估工作。同時，我國新能源汽車、無人駕駛汽