软考笔记 - 系统可靠性分析与设计

2022年5月左右的预测。

可靠性相关基本概念

• 可靠性是软件系统在应用或系统错误面前，在意外或错误使用的情况下维持软件系统的功能特性的基本能力。
• 可用性是系统能够正常运行的时间比例。

复杂性：软件复杂性高于硬件，大部分失效来自于软件失效。

可靠性指标

• 平均无故障时间MTTF，失效率是MTTF的倒数
• 平均故障修复时间MTTR，修复率是MTTR的倒数
• 平均故障间隔时间MTBF = MTTR + MTTF
• 系统可用性，MTTF / (MTTR + MTTF) = MTTF / MTBF

系统可靠性分析

串联的可靠性：$R=R_1 \times R_2 \times \cdots \times R_n$，串联失效率近似公式：$\lambda = \lambda_1 + \lambda_2 + \cdots + \lambda_n$

并联的可靠性：$R = 1 - (1-R_1) \times (1-R_2) \times \cdots \times (1-R_n)$

可靠性分析

影响软件可靠性的主要因素，前两个为外部原因：

1. 软件的开发方法和开发环境
2. 运行环境
3. 软件规模
4. 软件内部结构
5. 软件的可靠性收入（砸钱）

可靠性设计

• 避错技术（交付前的测试）
• 降低复杂度设计
• 检错技术，出错后人工报警，成本较低
• 容错技术，分为多版本程序设计（静态冗余）、恢复块设计（动态冗余）和防卫式程序设计

冗余分为结构冗余（软硬件冗余）、信息冗余（校验码）和时间冗余（重复多次进行相同的计算）

N版本程序设计

N版本程序设计是并行的。

• 与通常软件开发过程不同的是，N版本程序设计增加了三个新的阶段：相异成分、规范评审、相异性确认、背对背测试
• N版本程序的同步、N版本程序之间的通信、表決算法（全等表決、非精确表决、Cosmetie表决）、一致比较问题、数据相异性

恢复块方法

恢复块方法是串行的。

• 设计时应保证实现主块和后备块之问的独立性，避免相关错误的产生，使主块和备份块之间的共性错误降到最低程度。
• 必须保证验证测试程序的正确性。

区别指标	恢复块方法	N版本程序设计
硬件运行环境	单机	多机
错误检测方法	验证测试程序	表决
恢复策略	后向恢复	前向恢复
实时性	差	好

• 前向恢复：使当前的计算继续下去，把系统恢复成连贯的正确状态，弥补当前状态的不连贯情况。
• 后向恢复：系统恢复到前一个正确状态，继续执行。

防卫式程序设计

• 对于程序中存在的错误和不一致性，通过在程序中包含错误检查代码和错误恢复代码，使得一旦错误发生，程序能撤销错误状态，恢复到一个已知的正确状态中去。如 try-catch。
• 实现策略：错误检测、破坏估计、错误恢复。

双机容错

双机模式是集群的前身。双机模式有以下几种：

• 双机热备模式（主系统、备用系统）
• 双机互备模式（同时提供不同的服务，心不跳则接管）
• 双机双工模式（同时提供相同的服务，集群的一种）