Решение любой задачи АСОИиУ осуществляется при взаимодействии аппаратных средств и программного обеспечения (ПО), поэтому надежность работы АСОИиУ зависит не только от надежности оборудования, но также и от надежности ПО в равной степени.

Надежность ПО определяется его безотказностью и восстанавливаемостью. Безотказность характеризуется способностью выполнить все функции в процессе обработки информации. Восстанавливаемость характеризуется способностью восстановления работоспособности после отказов.

Ошибки в программе. При создании сложных структурированных продуктов далеко не всегда удается обнаружить и устранить все ошибки на стадии отладки. Поэтому в эксплуатации могут послужить программы со скрещенными дефектами. Они проявляются при сочетании входных данных или режимов, непредусмотренных при отладке, т.к. все возможные комбинации практически невозможно предусмотреть. Именно скрытые ошибки в программе являются причиной отказа ПО.

Ошибки вычислений. К ним относятся неправильные кодировки форм, ошибки в знаках (арифметических), непрерывное преобразование и т.д. В результате ошибок вычислений появляется отказ в форме исправительного результата.

Логические ошибки. Неправильная передача управления, ошибки при формировании условия поиска и т.д. Логические ошибки приводят к искажению алгоритма обработки данных.

Ошибки пользователей. Неправильное понимание выводимых указаний, ввод недопустимых данных и т.д.

Основной характеристикой восстанавливаемости ПО является среднее время устранения ошибки. Оно состоит из времени поиска ошибки и времени ее устранения. Время восстановления работоспособности ПО зависит от многих факторов: сложности и объема программы, наличие ее объема комментариев, языка программирования, опыта и квалификации программиста.

Важной особенностью ПО по сравнению с аппаратурой является то, что с течением времени его надежность возрастает: в процессе функционирования программ ошибки устраняются.

Основным средством защиты от злоумышленных действий является ограничение доступа к аппаратуре и ПО. Для пользователей и обслуживающих специалистов устанавливается иерархическая схема доступа на приоритетной основе. Уровнями защиты могут быть: доступ к аппаратным средствам, доступ к отдельным полям, записям БД, доступ к файлам БД, доступ к ОС, доступ к сетевым средствам. необходимо также иметь возможность запоминать лиц, имеющих полномочия, к какой информации они были допущены, а также использованное машинное время. Доступ к программным средствам осуществляется на основе репутации пользователей, вход в систему осуществляется при помощи системы паролей. В зависимости от приоритета и полномочий пользователей он получает доступ от отдельных полей БД до ОС и выше.

Дадим определение основных понятий надежности ПО в соответствии с классической работой Г. Майерса [1]:

• В программном обеспечении имеется ошибка, если оно не выполняет того, что пользователю разумно от него ожидать.
• Отказ программного обеспечения - это появление в нем ошибки.
• Надежность программного обеспечения - есть вероятность его работы без отказов в течении определенного периода времени, рассчитанного с учетом стоимости для пользователя каждого отказа.

Основными причинами ошибок программного обеспечения являются:

Источниками ошибок (угрозами надежности) программного обеспечения являются [2]:

• Внутренние: ошибки проектирования, ошибки алгоритмизации, ошибки программирования, недостаточное качество средств защиты, ошибки в документации.
• Внешние: ошибки пользователей, сбои и отказы аппаратуры ЭВМ, искажение информации в каналах связи, изменения конфигурации системы.

Методы проектирования надежного программного обеспечения можно разбить на следующие группы [1]:

• Предупреждение ошибок, методы позволяющие минимизировать или исключить появление ошибки.
• Обнаружение ошибок, методы направленные на разработку дополнительных функций программного обеспечения, помогающих выявить ошибки.
• Устойчивость к ошибкам, дополнительные функции программного обеспечения, предназначенные для исправления ошибок и их последствий и обеспечивающие функционирование системы при наличии ошибок.

Методы предупреждения ошибок концентрируются на отдельных этапах процесса проектирования программного обеспечения и включают в себя:

• Методы, позволяющие справиться со сложностью системы.
• Методы достижения большей точности при переводе информации.
• Методы улучшения обмена информацией.
• Методы немедленного обнаружения и устранения ошибок на каждом шаге (этапе) проектирования, не откладывая их на этап тестирования программы.

Сложность системы является одной из главных причин низкой надежности программного обеспечения. В общем случае, сложность объекта является функцией взаимодействия (количества связей) между его компонентами. В борьбе со сложностью ПО используются две концепции:

• Иерархическая структура. Иерархия позволяет разбить систему по уровням понимания (абстракции, управления). Концепция уровней позволяет анализировать систему, скрывая несущественные для данного уровня детали реализации других уровней. Иерархия позволяет понимать, проектировать и описывать сложные системы.
• Независимость. В соответствии с этой концепцией, для минимизации сложности, необходимо максимально усилить независимость элементов системы.

Это означает такую декомпозицию системы, чтобы её высокочастотная динамика была заключена в отдельных компонентах, а межкомпонентные взаимодействия (связи) описывали только низкочастотную динамику системы. Методы обнаружения ошибок базируются на введении в программное обеспечение системы различных видов избыточности:

• Временная избыточность. Использование части производительности ЭВМ для контроля исполнения и восстановления работоспособности ПО после сбоя.
• Информационная избыточность. Дублирование части данных информационной системы для обеспечения надёжности и контроля достоверности данных.
• Программная избыточность включает в себя: взаимное недоверие - компоненты системы проектируются, исходя из предположения, что другие компоненты и исходные данные содержат ошибки, и должны пытаться их обнаружить; немедленное обнаружение и регистрацию ошибок; выполнение одинаковых функций разными модулями системы и сопоставление результатов обработки; контроль и восстановление данных с использованием других видов избыточности.

Методы обеспечения устойчивости к ошибкам направлены на минимизацию ущерба, вызванного появлением ошибок, и включают в себя:

• обработку сбоев аппаратуры;
• повторное выполнение операций;
• динамическое изменение конфигурации;
• сокращенное обслуживание в случае отказа отдельных функций системы;
• копирование и восстановление данных;
• изоляцию ошибок.

Важным этапом жизненного цикла программного обеспечения, определяющим качество и надёжность системы, является тестирование. Тестирование - процесс выполнения программ с намерением найти ошибки. Этапы тестирования:

• Автономное тестирование, контроль отдельного программного модуля отдельно от других модулей системы.
• Тестирование сопряжений, контроль сопряжений (связей) между частями системы (модулями, компонентами, подсистемами).
• Тестирование функций, контроль выполнения системой автоматизируемых функций.
• Комплексное тестирование, проверка соответствия системы требованиям пользователей.
• Тестирование полноты и корректности документации, выполнение программы в строгом соответствии с инструкциями.
• Тестирование конфигураций, проверка каждого конкретного варианта поставки (установки) системы.

Существуют две стратегии при проектировании тестов: тестирование по отношению к спецификациям (документации), не заботясь о тексте программы, и тестирование по отношению к тексту программы, не заботясь о спецификациях. Разумный компромисс лежит где-то посередине, смещаясь в ту или иную сторону в зависимости от функций, выполняемых конкретным модулем, комплексом или подсистемой.

Качество подготовки исходных данных для проведения тестирования серьёзно влияет на эффективность процесса в целом и включает в себя:

• техническое задание;
• описание системы;
• руководство пользователя;
• исходный текст;
• правила построения (стандарты) программ и интерфейсов;
• критерии качества тестирования;
• эталонные значения исходных и результирующих данных;
• выделенные ресурсы, определяемые доступными финансовыми средствами.

Ошибки в программах и данных могут проявиться на любой стадии тестирования, а также в период эксплуатации системы. Зарегистрированные и обработанные сведения должны использоваться для выявления отклонений от требований заказчика или технического задания. Для решения этой задачи используется система конфигурационного управления версиями программных компонент, база документирования тестов, результатов тестирования и выполненных корректировок программ. Средства накопления сообщений об отказах, ошибках, предложениях на изменения, выполненных корректировках и характеристиках версий являются основной для управления развитием и сопровождением комплекса ПО и состоят из журналов :

• предлагаемых изменений;
• найденных дефектов;
• утвержденных корректировок;
• реализованных изменений;
• пользовательских версий.

Рассмотрим применение описанных выше методов повышения надёжности программного обеспечения при разработке автоматизированной информационной системы комбината хлебопродуктов (АИС КХП) [3].

Предупреждение ошибок - лучший путь повышения надёжности программного обеспечения. Для его реализации была разработана методика проектирования систем управления предприятиями [4], соответствующая спиральной модели жизненного цикла ПО. Методика предусматривает последовательное понижение сложности на всех этапах анализа объекта. При декомпозиции АИС были выделены уровни управления системы, затем подсистемы, комплексы задач и так далее, вплоть до отдельных автоматизируемых функций и процедур. Методика базируется на методах структурно-функционального анализа (SADT), диаграммах потоков данных (DFD), диаграммах "сущность-связь" (ERD), методах объектно-ориентированного анализа (OOA) и проектирования (OOD).

На основании методов обнаружения ошибок были разработаны следующие средства повышения надёжности ПО.

Средства использующие временную избыточность: авторизация доступа пользователей к системе, анализ доступных пользователю ресурсов, выделение ресурсов согласно ролям и уровням подготовки пользователей, разграничение прав доступа пользователей к отдельным задачам, функциям управления, записям и полям баз данных.

Средства обеспечения надёжности, использующие информационную избыточность: ссылочная целостность баз данных обеспечивается за счёт системы внутренних уникальных ключей для всех информационных записей системы, открытая система кодирования, позволяющая пользователю в любой момент изменять коды любых объектов классификации, обеспечивает стыковку системы классификации АИС КХП с ПО других разработчиков, механизмы проверки значений контрольных сумм записей системы, обеспечивают выявление всех несанкционированных модификаций (ошибок, сбоев) информации, средства регистрации обеспечивают хранение информации о пользователе и времени последней модификации (ввода, редактирования, удаления) и утверждения каждой записи информационной системы, введение в структуры баз данных системы времени начала и окончания участия записи в расчётах позволяет ограничить объём обрабатываемой информации на любом заданном периоде, а также обеспечить механизмы блокировки информации для закрытых рабочих переводов, ведение служебных полей номеров версий баз данных и операционных признаков записей позволяет контролировать и предупреждать пользователей о конфликтах в случае несоответствия номеров версий модулей и структур баз, либо о нарушении технологических этапов обработки информации, средства автоматического резервного копирования и восстановления данных (в начале, конце сеанса работы или по запросу пользователей) обеспечивают создание на рабочей станции клиента актуальной копии сетевой базы данных, которая может быть использована в случае аварийного сбоя аппаратуры локальной и вычислительной сети и перехода на локальный режим работы и обратно.

Средства обеспечения надёжности, использующие программную избыточность: распределение реализации одноименных функций по разным модулям АИС КХП с использованием разных алгоритмов и системы накладываемых ограничений и возможностью сравнения полученных результатов; специальные алгоритмы пересчётов обеспечивают в ручном и автоматическом режимах переформирование групп документов, цепочек порождаемых документов и бухгалтерских проводок, что повышает эффективность и надёжность обработки информации; средства обнаружения и регистрации ошибок в сетевом и локальных протоколах; в программные модули системы встроены средства протоколирования процессов сложных расчётов с выдачей подробной диагностики ошибок; средства отладки и трассировки алгоритмов пользовательских бизнес-функций.

Для обеспечения качества программного обеспечения АИС КХП на этапе развития и сопровождения системы разработан комплекс программных средств обеспечивающий:

• управление версиями ПО;
• регистрацию поставок;
• сопровождение заявок клиентов.

Использование рассмотренных в настоящей работе методов и средств обеспечения надёжности при проектировании и сопровождении автоматизированной информационной системы комбината хлебопродуктов обеспечило высокий уровень надёжности системы, необходимый для одновременной работы десятков пользователей производственной системы управления в реальном масштабе времени.

Модернизация программного обеспечения (ПО) – это мощное средство расширения его возможностей. К работам по модернизации ПО можно отнести: установку новой ОС или новой ее версии, установку драйверов вновь подключенных устройств, сжатие дисков дисковыми компрессорами, создание виртуальных дисков и т.д. Замена ОС делается, когда старая перестает удовлетворять пользователя. По соображениям использования памяти, применение новых программных продуктов, поддержка продвинутых технологий обработки данных и т.д. Новая ОС инсталлируется с загрузочных дискет – дистрибутива или с компакт – диска в соответствии с указаниями, которые выводятся на экран в процессе инсталляции. Инициализируется командой Setup. Установка программы требуется при подключении новых внешних устройств.