ДОМ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1. Надежное программное средство
2. Источники ошибок в программных средствах
3. Общие принципы разработки программных средств
4. Архитектура программного средства
5. Тестирование и наладка программного средства
6. Обеспечение функциональности и надежности программного средства

return_links(); ?>

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА

6.1. Функциональность и надежность как обязательные критерии качества программного средства.

На предыдущих лекция мы рассмотрели все этапы разработки ПС, кроме его аттестации. При этом мы не касались вопросов обеспечения качества ПС в соответствии с его спецификацией качества. Правда, занимаясь реализацией функциональной спецификации ПС мы тем самым обсудили основные вопросы обеспечения критерия функциональности. Объявив надежность ПС основным его атрибутом (см. тему 1), мы выбрали предупреждение ошибок в качестве основного подхода для обеспечения надежности ПС (см. тему 3) и обсудили его воплощение на разных этапах разработки ПС. Таким образом проявлялся тезис о обязательности функциональности и надежности ПС как критериев его качества.

Тем не менее, в спецификации качества ПС могут быть дополнительные характеристики этих критериев, обеспечение которых требуют специального обсуждения. Этим вопросам и посвящена настоящая лекция. Обеспечение других критериев качества будет обсуждаться в следующей лекции.

Ниже обсуждаются обеспечение примитивов качества ПС, выражающих критерии функциональности и надежности ПС.

6.2. Обеспечение завершенности программного средства.

Завершенность ПС является общим примитивом качества ПС для выражения и функциональности и надежности ПС, причем для функциональности она является единственным примитивом.

Функциональность ПС определяется его функциональной спецификацией. Завершенность ПС как примитив его качества является мерой того, насколько эта спецификация реализована в данном ПС. Обеспечение этого примитива в полном объеме означает реализацию каждой из функций, определенной в функциональной спецификации, со всеми указанными там деталями и особенностями. Все рассмотренные ранее технологические процессы показывают, как это может быть сделано.

Однако в спецификации качества ПС могут быть определены несколько уровней реализации функциональности ПС: может быть определена некоторая упрощенная (начальная или стартовая) версия, которая должна быть реализована в первую очередь, могут быть также определены и несколько промежуточных версий. В этом случае возникает дополнительная технологическая задача: организация наращивания функциональности ПС. Здесь важно отметить, что разработка упрощенной версии ПС не есть разработка его прототипа. Прототип разрабатывается для того, чтобы лучше понять условия применения будущего ПС [6.1], уточнить его внешнее описание. Он рассчитан на избранных пользователей и поэтому может сильно отличаться от требуемого ПС не только выполняемыми функциями, но и особенностями пользовательского интерфейса. Упрощенная же версия требуемого ПС должна быть рассчитана на практически полезное применение любыми пользователями, для которых оно предназначено. Поэтому главный принцип обеспечении функциональности такого ПС заключается в том, чтобы с самого начала разрабатывать ПС таким образом, как будто требуется ПС в полном объеме, до тех пор, пока разработчики не будут иметь дело с теми частями или деталями ПС, реализацию которых можно отложить в соответствии со спецификацией его качества. Тем самым, и внешнее описание и описание архитектуры ПС должно быть разработано в полном объеме. Можно отложить лишь реализацию тех программных подсистем, определенных в архитектуре разрабатываемого ПС, функционирования которых не требуется в начальной версии этого ПС. Реализацию же самих программных подсистем лучше всего производить методом целенаправленной конструктивной реализации, оставляя в начальной версии ПС подходящие имитаторы тех программных модулей, функционирование которых в этой версии не требуется. Допустима также упрощенная реализация некоторых программных модулей, опускающая реализацию некоторых деталей соответствующих функций. Однако такие модули с технологической точки зрения лучше рассматривать как своеобразные их имитаторы (хотя и далеко продвинутые).

В силу имеющихся в разрабатываемом ПС ошибок достигнутая при обеспечении его функциональности завершенность (в соответствии со спецификацией его качества) на самом деле может быть не такой, как ожидалось. Можно лишь говорить, что эта завершенность достигнута с некоторой вероятностью, определяемой объемом и качеством проведенного тестирования. Для того чтобы повысить эту вероятность, необходимо продолжить тестирование и отладку ПС. Однако, оценивание такой вероятности является весьма специфической задачей (с учетом того, что проявление имеющейся в ПС ошибки является функцией исходных данных), которая пока еще ждет соответствующих теоретических исследований.

6.3. Обеспечение точности программного средства.

Обеспечение этого примитива связано с действиями над значениями вещественных типов (точнее говоря, со значениями, представляемыми с некоторой погрешностью). Обеспечить требуемую точность при вычислении значения той или иной функции - значит получить это значение с погрешностью, не выходящей за рамки заданных границ. Видами погрешности, методами их оценки и методами достижения требуемой точности (так называемыми приближенными вычислениями) занимается вычислительная математика [6.1, 6.2]. Здесь мы лишь обратим внимание на некоторую структуру погрешности: погрешность вычисленного значения (полная погрешность) зависит

·                    от погрешности используемого метода вычисления (в которую мы включаем и неточность используемой модели),

·                    от погрешности представления используемых данных (от т.н. неустранимой погрешности),

·                    от погрешности округления (неточности выполнения используемых в методе операций).

6.4. Обеспечение автономности программного средства.

Этот примитив качества обеспечивается на этапе спецификации качества принятием решения об использовании в разрабатываемом ПС какого-либо подходящего базового программного обеспечения или не использовании в нем никакого базового программного обеспечения. При этом приходится учитывать как его надежность, так и требуемые для его использования ресурсы. При повышенных требованиях к надежности разрабатываемого ПС надежность базового программного обеспечения, имеющегося в распоряжении разработчиков, может оказаться неудовлетворительной, поэтому от его использования приходиться отказываться, а реализацию его функций в требуемом объеме приходится включать в состав ПС. Аналогичные решения приходится принимать при жестких ограничениях на используемые ресурсы (по критерию эффективности ПС).

6.5. Обеспечение устойчивости программного средства.

Этот примитив качества обеспечивается с помощью так называемого защитного программирования. Вообще говоря, защитное программирование применяется для повышения надежности ПС при программировании модуля в более широком смысле. Как утверждает Майерс [6.3], "защитное программирование основано на важной предпосылке: худшее, что может сделать модуль, - это принять неправильные входные данные и затем вернуть неверный, но правдоподобный результат". Для того, чтобы этого избежать, в текст модуля включают проверки его входных и выходных данных на их корректность в соответствии со спецификацией этого модуля, в частности, должны быть проверены выполнение ограничений на входные и выходные данные и соотношений между ними, указанные в спецификации модуля. В случае отрицательного результата проверки возбуждается соответствующая исключительная ситуация. В связи с этим в конец этого модуля включаются фрагменты второго рода - обработчики соответствующих исключительных ситуаций, которые помимо выдачи необходимой диагностической информации, могут принять меры либо по исключению ошибки в данных (например, потребовать их повторного ввода), либо по ослаблению влияния ошибки (например, мягкую остановку управляемых ПС устройств во избежание их поломки при аварийном прекращении выполнения программы).

Применение защитного программирования модулей приводит снижению эффективности ПС как по времени, так и по памяти. Поэтому необходимо разумно регулировать степень применения защитного программирования в зависимости от требований к надежности и эффективности ПС, сформулированным в спецификации качества разрабатываемого ПС. Входные данные разрабатываемого модуля могут поступать как непосредственно от пользователя, так и от других модулей. Наиболее употребительным случаем применения защитного программирования является применение его для первой группы данных, что и означает реализацию устойчивости ПС. Это нужно делать всегда, когда в спецификации качества ПС имеется требование об обеспечении устойчивости ПС. Применение защитного программирования для второй группы входных данных означает попытку обнаружить ошибку в других модулях во время выполнения разрабатываемого модуля, а для выходных данных разрабатываемого модуля - попытку обнаружить ошибку в самом этом модуле во время его выполнения. По-существу, это означает частичное воплощение подхода самообнаружения ошибок для обеспечения надежности ПС, о чем шла речь в теме 3. Этот случай защитного программирования применяется крайне редко - только в том случае, когда требования к надежности ПС чрезвычайно высоки.

6.6. Обеспечение защищенности программных средств.

Различают следующие виды защиты ПС от искажения информации:

·                    защита от сбоев аппаратуры;

·                    защита от влияния "чужой" программы;

·                    защита от отказов "своей" программы;

·                    защита от ошибок оператора (пользователя);

·                    защита от несанкционированного доступа;

·                    защита от защиты.

Защита от сбоев аппаратуры в настоящее время является не очень злободневной задачей (с учетом уровня достигнутой надежности компьютеров). Но все же полезно знать ее решение. Это обеспечивается организацией так называемых "двойных-тройных просчетов". Для этого весь процесс обработки данных, определяемый ПС, разбивается по времени на интервалы так называемыми "опорными точками". Длина этого интервала не должна превосходить половины среднего времени безотказной работы компьютера. Копия состояния изменяемой в этом процессе памяти каждой опорной точке записывается во вторичную память с некоторой контрольной суммой (числом, вычисляемым как некоторая функция от этого состояния) в том случае, когда будет считаться, что обработка данных от предыдущей опорной точки до данной (т.е. один "просчет") произведена правильно (без сбоев компьютера). Для того, чтобы это выяснить, производится два таких "просчета". После первого "просчета" вычисляется и запоминается указанная контрольная сумма, а затем восстанавливается состояние памяти для предыдущей опорной точки и делается второй "просчет". После второго "просчета" вычисляется снова указанная контрольная сумма, которая затем сравнивается с контрольной суммой первого "просчета". Если эти две контрольные суммы совпадают, второй просчет считается правильным, в противном случае контрольная сумма второго "просчета" также запоминается и производится третий "просчет" (с предварительным восстановлением состояния памяти для предыдущей опорной точки). Если контрольная сумма третьего "просчета" совпадет с контрольной суммой одного из первых двух "просчетов", то третий просчет считается правильным, в противном случае требуется инженерная проверка компьютера.

Защита от влияния "чужой" программы относится прежде всего к операционным системам или к программам, выполняющим частично их функции. Различают две разновидности этой защиты:

·                    защита от отказов,

·                    защита от злонамеренного влияния "чужой" программы.

При появлении мультипрограммного режима работы компьютера в его памяти может одновременно находится в стадии выполнения несколько программ, попеременно получающих управление в результате возникающих прерываний (так называемое квазипараллельное выполнение программ). Одна из таких программ (обычно: операционная система) занимается обработкой прерываний и управлением мультипрограммным режимом. В каждой из таких программ могут возникать отказы (проявляться ошибки), которые могут повлиять на выполнение функций другими программами. Поэтому управляющая программа (операционная система) должна обеспечить защиту себя и других программ от такого влияния. Для этого аппаратура компьютера должна реализовывать следующие возможности:

·                    защиту памяти,

·                    два режима функционирования компьютера: привилегированный и рабочий (пользовательский),

·                    два вида операций: привилегированные и ординарные,

·                    корректную реализацию прерываний и начального включения компьютера,

·                    временное прерывание.

Защита памяти означает возможность программным путем задавать для каждой программы недоступные для нее участки памяти. В привилегированном режиме могут выполняться любые операции (как ординарные, так и привилегированные), а в рабочем режиме - только ординарные. Попытка выполнить привилегированную операцию, а также обратиться к защищенной памяти в рабочем режиме вызывает соответствующее прерывание. Причем к привилегированным операциям относятся операции изменения защиты памяти и режима функционирования, а также доступа к внешней информационной среде. Начальное включение компьютера и любое прерывание должно автоматически включать привилегированный режим и отмену защиты памяти. В этом случае управляющая программа (операционная система) может полностью защитить себя от влияния других программ, если все точки передачи управления при начальном включении и прерываниях будут принадлежать этой программе, если она никакой другой программе не позволит работать в привилегированном режиме (при передаче управления любой другой программе будет включаться только рабочий режим) и если она полностью защитит свою память (содержащую, в частности, всю ее управляющую информацию, включая так называемые вектора прерываний) от других программ. Тогда никто не помешает ей выполнять любые реализованные в ней функции защиты других программ (в том числе и доступа к внешней информационной среде). Для облегчения решения этой задачи часть такой программы помещается в постоянную память, т.е. неотделима от самого компьютера. Наличие временного прерывания позволяет управляющей программе защититься от зацикливания в других программах (без такого прерывания она могла бы просто лишиться возможности управлять).

Защита от отказов "своей" программы обеспечивается надежностью этой программы, на что ориентирована вся технология программирования, обсуждаемая в настоящем курсе лекций.

Защита от ошибок пользователя (помимо ошибок входных данных, см. обеспечение устойчивости ПС) обеспечивается выдачей предупредительных сообщений о попытках изменить состояние внешней информационной среды с требованием подтверждения этих действий, а также возможностью восстановления состояния отдельных компонент внешней информационной среды. Последнее базируется на осуществлении архивирования изменений состояния внешней информационной среды.

Защита от несанкционированного доступа обеспечивается использованием секретных слов (паролей). В этом случае каждому пользователю предоставляются определенные информационные и процедурные ресурсы (услуги), для использования которых требуется предъявления ПС некоторого пароля, ранее зарегистрированного в ПС этим пользователем. Другими словами, пользователь как бы "вешает замок" на выделенные ему ресурсы, "ключ" от которого имеется только у этого пользователя. Однако, в отдельных случаях могут быть предприняты настойчивые попытки взломать такую защиту, если защищаемые ресурсы представляют для кого-то чрезвычайную ценность. Для такого случая приходится предпринимать дополнительные меры для защиты от взлома защиты.

Защита от взлома защиты связана с использованием в ПС специальных программистских приемов, затрудняющих преодоление защиты от несанкционированного доступа. Использование обычных паролей оказывается недостаточной, когда речь идет о чрезвычайно настойчивом стремлении (например, преступного характера) добиться доступа к ценной информации. Во-первых, потому, что информацию о паролях, которую использует ПС для защиты от несанкционированного доступа, "взломщик" этой защиты относительно легко может достать, если он имеет доступ к самому этому ПС. Во-вторых, используя компьютер, можно осуществлять достаточно большой перебор возможных паролей с целью найти подходящий для доступа к интересующей информации. Защититься от такого взлома можно следующим образом. Секретное слово (пароль) или просто секретное целое число X знает только владелец защищаемой информации, а для проверки прав доступа в компьютере хранится другое число Y=F(X), однозначно вычисляемое ПС при каждой попытке доступа к этой информации при предъявлении секретного слова. При этом функция F может быть хорошо известной всем пользователям ПС, однако она обладает таким свойством, что восстановление слова X по Y практически невозможно: при достаточно большой длине слова X (например, в несколько сотен знаков) для этого требуется астрономическое время. Такое число Y будем называть электронной (компьютерной) подписью владельца секретного слова X (а значит, и защищаемой информации).

Другая разновидность такой защиты связана с защитой сообщений, пересылаемых по компьютерным сетям, преднамеренных (или злонамеренных) искажений. Такое сообщения может перехватываться на "перевалочных" пунктах компьютерной сети и подменяться другим сообщением от автора перехваченного сообщения. Такая ситуация возникает прежде всего при осуществлении банковских операций с использованием компьютерной сети. Путем подмены такого сообщения, являющего распоряжением владельца банковского счета о выполнении некоторой банковской операции деньги с его счета могут быть переведены на счет "взломщика" защиты (своеобразный вид компьютерного ограбления банка). Защиту от такого взлома защиты можно осуществить следующим образом [6.4]. Наряду с функцией F, определяющей компьютерную подпись владельца секретного слова X, которую знает адресат защищаемого сообщения (если только ее владелец является клиентом этого адресата), в ПС определена другая функция Stamp, по которой отправитель сообщения должен вычислить число S=Stamp(X,R), используя секретное слово X и текст передаваемого сообщения R. Функция Stamp также считается хорошо известной всем пользователям ПС и обладает таким свойством, что по S практически невозможно ни восстановить число X, ни подобрать другое сообщение R с соответствующей компьютерной подписью. Само передаваемое сообщение (вместе со своей защитой) должно иметь вид:

R Y S ,

причем Y (компьютерная подпись) позволяет адресату установить истинность клиента, а S как бы скрепляет защищаемое сообщение Rс компьютерной подписью Y. В связи с этим будем называть число S электронной (компьютерной) печатью. В ПС определена еще одна функция Notary, по которой получатель защищаемого сообщения проверяет истинность передаваемого сообщения:

Notary(R,Y,S).

Эта позволяет однозначно установить, что сообщение R принадлежит владельцу секретного слова X.

Защита от защиты необходима в том случае, когда пользователь забыл (или потерял) свой пароль. Для такого случая должна быть предусмотрена возможность для особого пользователя (администратора ПС), отвечающего за функционирования системы защиты, производить временное снятие защиты от несанкционированного доступа для хозяина забытого пароля с целью дать ему возможность зафиксировать новый пароль.

Литература к лекции 6.

6.1. И.С. Березин, Н.П. Жидков. Методы вычислений, т.т. 1 и 2. - М.: Физматгиз, 1959.

6.2. Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М.Кобельков. Численные методы. - М.: Наука, 1987.

6.3. Г. Майерс. Надежность программного обеспечения. - М.: Мир, 1980. С. 127-154.

6.4. А.Н. Лебедев. Защита банковской информации и современная криптография//Вопросы защиты информации, 2(29), 1995.

Copyright © Eugene, 2007
e-mail: webmaster@ITDom.info