Владимир Липаев - Очерки истории отечественной программной инженерии в 1940-е – 80-е годы

Высокое качество программного продукта достигается при определенных затратах на их разработку и отладку. Значительную долю в них составляют затраты на тестирование и испытания комплекса программ, особенно в системах реального времени. Исследование факторов, влияющих на затраты ресурсов при создании программ, позволило рационализировать их использование и добиваться заданного качества при минимальных или допустимых затратах. Повышению качества функционирования комплекса программ способствует введение избыточности в программы и данные. Особенно большое влияние может оказывать избыточность на надежность решения задач в реальном времени. При этом возможно снижение затрат на отладку и частичное обеспечение необходимой надежности программ за счет средств повышения помехоустойчивости, оперативного контроля и автоматического восстановления функционирования программ.

В программных продуктах реального времени, для обеспечения высокой надежности их функционирования в 80-х годах было предложено максимально быстро обнаруживать искажения, возможно, точно классифицировать тип уже имеющихся и возможных последствий дефектов, а также проводить мероприятия, обеспечивающие быстрое восстановление нормального функционирования программного продукта. Неизбежность ошибок в сложных комплексах программ, искажений исходных данных и аппаратных сбоев привели к необходимости регулярной автоматической проверки процесса исполнения программ и сохранности данных. В процессе проектирования недостаточно было создавать корректные программы, выдающие верные результаты при идеальных исходных данных и абсолютном отсутствии любых возмущений. Требовалось разрабатывать надежные и безопасные программы, устойчивые к различным, негативным возмущениям и способные сохранять достаточное качество результатов в реальных условиях функционирования.

При этом не обязательно сразу устанавливать причины искажений, главная задача сводится к максимально быстрому восстановлению нормального функционирования и ограничению последствий проявления дефектов. Временная и программная избыточность комплекса программ состоит в использовании некоторой части производительности и памяти ЭВМ для оперативного контроля исполнения программ и восстановления (рестарта ) вычислительного процесса. Величина избыточности зависит от требований к надежности и безопасности функционирования систем обработки информации и обычно должна находиться в пределах от 5 – 10 % ресурсов однопроцессорной ЭВМ или до трех, четырехкратного дублирования отдельной машины в мажоритарных вычислительных комплексах.

В 1970-е – 80-е годы дефекты и ошибки в сложных комплексах программ стратегических ракет неоднократно приводили к их гибели с огромным ущербом. Резко обострилась проблема оценивания и повышения безопасности применения мобильных и бортовых программных продуктов. Единичные и непредсказуемые ситуации и их катастрофические последствия, требовали практически полного исключения, и отличали от дефектов в аппаратуре, надежность и безопасность которой можно рассчитывать аналитически. Необходимо было создавать систему защитных барьеров и самоконтроля исполнения программ для обеспечения гарантированной работоспособности и безопасности применения сложных систем управления на базе программных продуктов.

Функциональная безопасность программных продуктов должна гарантировать корректное управление динамическими объектами и системами, используемыми в авиации, космосе, на транспорте, которые создаются с применением технологий и инструментальных средств, по существу, аналогичных применяемым для разработки других классов сложных комплексов программ реального времени. Любая стратегия функциональной безопасности должна учитывать не только все элементы в каждой конкретной системе (например, датчики, управляющие устройства и исполнительные механизмы), но также все системы и программные компоненты, создавать суммарную комбинацию систем, обеспечивающих безопасность. Прямое измерение достигнутой функциональной безопасности объектов и систем сталкивается с большими трудностями, прежде всего вследствие необходимости фиксировать редкие, непредсказуемые отказовые ситуации с неожиданным ущербом. Соответственно усилия разработчиков систем и программных средств сосредоточивается на методах регламентирования и обеспечения качества жизненного цикла таких объектов и систем. Поэтому основное содержание документов в области функциональной безопасности составляют методы, процессы и технологии обеспечения высокой безопасности производства систем и почти не уделяют внимание определению значений достигаемой безопасности.

Планирование функциональной безопасности программных продуктов должно определять стратегию получения, разработки, компоновки, верификации, аттестации и модификации комплекса программ в той мере, которая необходима для требуемого уровня соответствия комплексу требований по безопасности. Цикл обеспечения безопасности при разработке программного продукта должен быть выбран и задан при планировании безопасности, приспособлен для практических нужд конкретного проекта или предприятия. Каждый этап цикла обеспечения безопасности должен быть подразделен на элементарные операции в рамках сферы действия, а также входных и выходных данных, оговоренных для каждого этапа производства. Полный перечень этапов цикла обеспечения безопасности ориентирован для больших вновь разрабатываемых систем. В малых системах может оказаться целесообразным объединять этапы проектирования программ и архитектурного проектирования объекта или системы. Спецификация требований по безопасности должна быть достаточно подробной для того, чтобы конструкция и ее выполнение достигали требуемого соответствия комплексу требований по безопасности, и можно было произвести оценку достигнутой функциональной безопасности.

Должно быть произведено планирование с целью определения шагов, как процедурных, так и технических, которые должны быть использованы для демонстрации того, что программный комплекс удовлетворяет требованиям по его безопасности. План аттестации безопасности должен содержать: подробные указания о том, когда должна производиться аттестация; кто должен производить аттестацию; определение ответственных режимов эксплуатации технических средств; техническую стратегию аттестации; требуемые условия окружающей среды, в которой должна производиться аттестация; критерии ее прохождения; политику и процедуры оценки результатов аттестации.