Верификация Программного обеспечения. Испытание БКУ и его ПО на НКО. Верификация - это процесс проверки программного продукта В методы верификации программного

Целью данного курса является изложение комплексного взгляда на процесс верификации программного обеспечения. Предметом обсуждения являются различные подходы и методы, применяемые в области верификации и, в частности, тестирования программного обеспечения. Предполагается, что разрабатываемое программное обеспечение является частью более общей системы. Подобная система включает аппаратные, информационные и организационные (человек-пользователь, человек-оператор и т.п.) компоненты, разрабатываемые, возможно, разными коллективами. Поэтому необходимы документы разработки, определяющие требования к различным компонентам системы и правила их взаимодействия. Кроме того, предполагается, что отказы системы могут приводить к последствиям той или иной тяжести, поэтому при разработке программного обеспечения необходимы и оправданы усилия, потраченные на выявление скрытых дефектов. В первую очередь, это касается средств и процедур верификации программного обеспечения. В состав курса входит ряд практических занятий, иллюстрирующих на примере простой системы приемы и методы верификации программного обеспечения в среде Microsoft Visual Studio 2005 Team Edition for Software Testers. Данная публикация входит в состав "Библиотеки учебных курсов", формирование которой ведется в рамках программы академического сотрудничества MSDN Academic Alliance (MSDN AA).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.

Рис. 7 Тестирование, верификация и валидация Верификация программного обеспечения – более общее понятие, чем тестирование. Целью верификации является достижение гарантии того, что верифицируемый объект (требования или программный код) соответствует требованиям, реализован без непредусмотренных функций и удовлетворяет проектным спецификациям и стандартам. Процесс верификации включает в себя инспекции, тестирование кода, анализ результатов тестирования, формирование и анализ отчетов о проблемах. Таким образом, принято считать, что процесс тестирования является составной частью процесса верификации, такое же допущение сделано и в данном учебном курсе. Валидация программной системы – процесс, целью которого является доказательство того, что в результате разработки системы мы достигли тех целей, которые планировали достичь благодаря ее использованию. Иными словами, валидация – это проверка соответствия системы ожиданиям заказчика. Вопросы, связанные с валидацией выходят за рамки данного учебного курса и представляют собой отдельную интересную тему для изучения. Если посмотреть на эти три процесса с точки зрения вопроса, на который они дают ответ, то тестирование отвечает на вопрос «Как это сделано?» или «Соответсвует ли поведение разработанной программы требованиям?», верификация – «Что сделано?» или «Соответствует ли разработанная система требованиям?», а валидация – «Сделано ли то, что нужно?» или «Соответствует ли разработанная система ожиданиям заказчика?». 1.7. Документация, создаваемая на различных этапах жизненного цикла Синхронизация всех этапов разработки происходит при помощи документов, которые создаются на каждом из этапов. Документация при этом создается и на прямой отрезке жизненного цикла – при разработке программной системы, и на обратном – при ее верификации. Попробуем на примере V-образного жизненного цикла проследить за тем, какие типы документов создаются на каждом из отрезков, и какие взаимосвязи между ними существуют (Рис. 8). Результатом этапа разработки требований к системе являются сформулированные требования к системе – документ, описывающие общие принципы работы системы, ее взаимодействие с «окружающей средой» - пользователями системы, а также, программными и аппаратными средствами, обеспечивающими ее работу. Обычно параллельно с требованиями к системе создается план верификации и определяется стратегия верификации. Эти документы определяют общий подход к тому, как будет выполняться тестирование, какие методики будут применяться, какие аспекты будущей системы должны быть подвергнуты тщательной проверке. Еще одна задача, решаемая при помощи определения стратегии верификации – определение места различных верификационных процессов и их связей с процессами разработки. 20 Верификационный процесс, работающий с системными требованиями – это процесс валидации требований, сопоставления их реальным ожиданиям заказчика. Забегая вперед, скажем, что процесс валидации отличается от приемо-сдаточных испытаний, выполняемых при передаче готовой системы заказчику, хотя может считаться частью таких испытаний. Валидация является средством доказать не только корректность реализации системы с точки зрения заказчика, но и корректность принципов, положенных в основу ее разработки. Рис. 8 Процессы и документы при разработке программных систем Требования к системе являются основой для процесса разработки функциональных требований и архитектуры проекта. В ходе этого процесса разрабатываются общие требования к программному обеспечению системы, к функциям которые она должна выполнять. Функциональные требования часто включают в себя определение моделей поведения системы в штатных и нештатных ситуациях, правила обработки данных и определения интерфейса с пользователем. Текст требования, как правило, включает в себя слова «должна, должен» и имеет структуру вида «В случае, если значение температуры на датчике ABC достигает 30 и выше градусов Цельсия, система должна прекращать выдачу звукового сигнала». Функциональные требования являются основой для разработки архитектуры системы – описания ее структуры в терминах подсистем и структурных единиц языка, на котором производится реализация – областей, классов, модулей, функций и т.п. На базе функциональных требований пишутся тест-требования – документы, содержащие определение ключевых точек, которые должны быть проверены для того, чтобы убедиться в корректности реализации функциональных требований. Часто тест- требования начинаются словами «Проверить, что» и содержат ссылки на соответствующие им функциональные требования. Примером тест-требований для приведенного выше функционального требования могут служить «Проверить, что в случае падения температуры на датчике ABC ниже 30 градусов Цельсия система выдает предупреждающий звуковой сигнал» и «Проверить, что в случае, когда значение температуры на датчике ABC выше 30 градусов Цельсия, система не выдает звуковой сигнал». 21 Одна из проблем, возникающих при написании тест-требований – принципиальная нетестируемость некоторых требований, например требование «Интерфейс пользователя должен быть интуитивно понятным» невозможно проверить без четкого определения того, что является интуитивно понятным интерфейсом. Такие неконкретные функциональные требования обычно впоследствии видоизменяют. Архитектурные особенности системы также могут служить источником для создания тест-требований, учитывающих особенности программной реализации системы. Примером такого требования является, например, «Проверить, что значение температуры на датчике ABC не выходит за 255». На основе функциональных требований и архитектуры пишется программный код системы, для его проверки на основе тест-требований готовится тест-план – описание последовательности тестовых примеров, выполняющих проверку соответствия реализации системы требованиям. Каждый тестовый пример содержит конкретное описание значений, подаваемых на вход системы, значений, которые ожидаются на выходе и описание сценария выполнения теста. В зависимости от объекта тестирования тест-план может готовиться либо в виде программы на каком-либо языке программирования, либо в виде входного файла данных для инструментария, выполняющего тестируемую систему и передающего ей значения, указанные в тест-плане, либо в виде инструкций для пользователя системы, описывающей необходимые действия, которые нужно выполнить для проверки различных функций системы. В результате выполнения всех тестовых примеров собирается статистика об успешности прохождения тестирования – процент тестовых примеров, для которых реальные выходные значения совпали с ожидаемыми, так называемых пройденных тестов. Не пройденные тесты являются исходными данными для анализа причин ошибок и последующего их исправления. На этапе интеграции осуществляется сборка отдельных модулей системы в единое целое и выполнение тестовых примеров, проверяющих всю функциональность системы. На последнем этапе осуществляется поставка готовой системы заказчику. Перед внедрением специалисты заказчика совместно с разработчиками проводят приемо- сдаточные испытания – выполняют проверку критичных для пользователя функций согласно заранее утвержденной программе испытаний. При успешном прохождении испытаний система передается заказчику, в противном случае отправляется на доработку. 1.8. Типы процессов тестирования и верификации и их место в различных моделях жизненного цикла 1.8.1. Модульное тестирование Модульному тестированию подвергаются небольшие модули (процедуры, классы и т.п.). При тестировании относительного небольшого модуля размером 100-1000 строк есть возможность проверить, если не все, то, по крайней мере, многие логические ветви в реализации, разные пути в графе зависимости данных, граничные значения параметров. В соответствии с этим строятся критерии тестового покрытия (покрыты все операторы, все логические ветви, все граничные точки и т.п.). . Модульное тестирование обычно выполняется для каждого независимого программного модуля и является, пожалуй, наиболее распространенным видом тестирования, особенно для систем малых и средних размеров. 1.8.2. Интеграционное тестирование Проверка корректности всех модулей, к сожалению, не гарантирует корректности функционирования системы модулей. В литературе иногда рассматривается 22 «классическая» модель неправильной организации тестирования системы модулей, часто называемая методом «большого скачка». Суть метода состоит в том, чтобы сначала оттестировать каждый модуль в отдельности, потом объединить их в систему и протестировать систему целиком. Для крупных систем это нереально. При таком подходе будет потрачено очень много времени на локализацию ошибок, а качество тестирования останется невысоким. Альтернатива «большому скачку» - интеграционное тестирование, когда система строится поэтапно, группы модулей добавляются постепенно. 1.8.3. Системное тестирование Полностью реализованный программный продукт подвергается системному тестированию. На данном этапе тестировщика интересует не корректность реализации отдельных процедур и методов, а вся программа в целом, как ее видит конечный пользователь. Основой для тестов служат общие требования к программе, включая не только корректность реализации функций, но и производительность, время отклика, устойчивость к сбоям, атакам, ошибкам пользователя и т.д. Для системного и компонентного тестирования используются специфические виды критериев тестового покрытия (например, покрыты ли все типовые сценарии работы, все сценарии с нештатными ситуациями, попарные композиции сценариев и проч.). 1.8.4. Нагрузочное тестирование Нагрузочное тестирование позволяет не только получать прогнозируемые данные о производительности системы под нагрузкой, которая ориентирована на принятие архитектурных решений, но и предоставляет рабочую информацию службам технической поддержки, а также менеджерам проектов и конфигурационным менеджерам, которые отвечают за создания наиболее продуктивных конфигураций оборудования и ПО. Нагрузочное тестирование позволяет команде разработки, принимать более обоснованные решения, направленные на выработку оптимальных архитектурных композиций. Заказчик со своей стороны, получает возможность проводить приёмо-сдаточные испытания в условиях приближенных к реальным. 1.8.5. Формальные инспекции Формальная инспекция является одним из способов верификации документов и программного кода, создаваемых в процессе разработки программного обеспечения. В ходе формальной инспекции группой специалистов осуществляется независимая проверка соответствия инспектируемых документов исходным документам. Независимость проверки обеспечивается тем, что она осуществляется инспекторами, не участвовавшими в разработке инспектируемого документа. 1.9. Верификация сертифицируемого программного обеспечения Дадим несколько определений, определяющих общую структуру процесса сертификации программного обеспечения: Сертификация ПО – процесс установления и официального признания того, что разработка ПО проводилась в соответствии с определенными требованиями. В процессе сертификации происходит взаимодействие Заявителя, Сертифицирующего органа и Наблюдательного органа Заявитель - организация, подающая заявку в соответствующий Сертифицирующий орган на получения сертификата (соответствия, качества, годности и т.п.) изделия. Сертифицирующий орган – организация, рассматривающая заявку Заявителя о проведении Сертификации ПО и либо самостоятельно, либо путем формирования специальной комиссии производящая набор процедур направленных на проведение процесса Сертификации ПО Заявителя. 23 Наблюдательный орган – комиссия специалистов, наблюдающих за процессами разработки Заявителем сертифицируемой информационной системы и дающих заключение, о соответствии данного процесса определенным требованиям, которое передается на рассмотрение в Сертифицирующий орган. Сертификация может быть направлена на получение сертификата соответствия, либо сертификата качества. В первом случае результатом сертификации является признание соответствия процессов разработки определенным критериям, а функциональности системы определенным требованиям. Примером таких требований могут служить руководящие документы Федеральной службы по техническому и экспортному контролю в области безопасности программных систем . Во втором случае результатом является признание соответствия процессов разработки определенным критериям, гарантирующим соответствующий уровень качества выпускаемой продукции и его пригодности для эксплуатации в определенных условиях. Примером таких стандартов может служить серия международных стандартов качества ISO 9000:2000 (ГОСТ Р ИСО 9000-2001) или авиационные стандарты DO- 178B , AS9100 , AS9006 . Тестирование сертифицируемого программного обеспечения имеет две взаимодополняющие цели: Первая цель - продемонстрировать, что программное обеспечение удовлетворяет требованиям на него. Вторая цель - продемонстрировать с высоким уровнем доверительности, что ошибки, которые могут привести к неприемлемым отказным ситуациям, как они определены процессом, оценки отказобезопасности системы, выявлены в процессе тестирования. Например, согласно требованиям стандарта DO-178B, для того, чтобы удовлетворить целям тестирования программного обеспечения, необходимо следующее: Тесты, в первую очередь, должны основываться на требованиях к программному обеспечению; Тесты должны разрабатываться для проверки правильности функционирования и создания условий для выявления потенциальных ошибок. Анализ полноты тестов, основанных на требованиях на программное обеспечение, должен определить, какие требования не протестированы. Анализ полноты тестов, основанных на структуре программного кода, должен определить, какие структуры не исполнялись при тестировании. Также в этом стандарте говорится о тестировании, основанном на требованиях. Установлено, что эта стратегия наиболее эффективна при выявлении ошибок. Руководящие указания для выбора тестовых примеров, основанных на требованиях, включают следующее: Для достижения целей тестирования программного обеспечения должны быть проведены две категории тестов: тесты для нормальных ситуаций и тесты для ненормальных (не отраженных в требованиях, робастных) ситуаций. Должны быть разработаны специальные тестовые примеры для требований на программное обеспечение и источников ошибок, присущих процессу разработки программного обеспечения. Целью тестов для нормальных ситуаций является демонстрация способности программного обеспечения давать отклик на нормальные входы и условия в соответствии с требованиями. 24 Целью тестов для ненормальных ситуаций является демонстрация способности программного обеспечения адекватно реагировать на ненормальные входы и условия, иными словами, это не должно вызывать отказ системы. Категории отказных ситуаций для системы устанавливаются путем определения опасности отказной ситуации для самолета и тех, кто в нем находится. Любая ошибка в программном обеспечении может вызвать отказ, который внесет свой вклад в отказную ситуацию. Таким образом, уровень целостности программного обеспечения, необходимый для безопасной эксплуатации, связан с отказными ситуациями для системы. Существует 5 уровней отказных ситуаций от несущественной до критически опасной. Согласно этим уровням вводится понятие уровня критичности программного обеспечения. От уровня критичности зависит состав документации, предоставляемой в сертифицирующий орган, а значит и глубина процессов разработки и верификации системы. Например, количество типов документов и объем работ по разработке системы, необходимых для сертификации по самому низкому уровню критичности DO-178B могут отличаться на один-два порядка от количества и объемов, необходимых для сертификации по самому высокому уровню. Конкретные требования определяет стандарт, по которому планируется вести сертификацию. 25 ТЕМА 2. Тестирование программного кода (лекции 2-5) 2.1. Задачи и цели тестирования программного кода Тестирование программного кода – процесс выполнения программного кода, направленный на выявление существующих в нем дефектов. Под дефектом здесь понимается участок программного кода, выполнение которого при определенных условиях приводит к неожиданному поведению системы (т.е. поведению, не соответствующему требованиям). Неожиданное поведение системы может приводить к сбоям в ее работе и отказам, в этом случае говорят о существенных дефектах программного кода. Некоторые дефекты вызывают незначительные проблемы, не нарушающие процесс функционирования системы, но несколько затрудняющие работу с ней. В этом случае говорят о средних или малозначительных дефектах. Задача тестирования при таком подходе – определение условий, при которых проявляются дефекты системы и протоколирование этих условий. В задачи тестирования обычно не входит выявление конкретных дефектных участков программного кода и никогда не входит исправление дефектов – это задача отладки, которая выполняется по результатам тестирования системы. Цель применения процедуры тестирования программного кода – минимизация количества дефектов, в особенности существенных, в конечном продукте. Тестирование само по себе не может гарантировать полного отсутствия дефектов в программном коде системы. Однако, в сочетании с процессами верификации и валидации, направленными на устранение противоречивости и неполноты проектной документации (в частности – требований на систему), грамотно организованное тестирование дает гарантию того, что система удовлетворяет требованиям и ведет себя в соответствии с ними во всех предусмотренных ситуациях. При разработке систем повышенной надежности, например, авиационных, гарантии надежности достигаются при помощи четкой организации процесса тестирования, определения его связи с остальными процессами жизненного цикла, введения количественных характеристик, позволяющих оценивать успешность тестирования. При этом, чем выше требования к надежности системы (ее уровень критичности), тем более жесткие требования предъявляются. Таким образом, в первую очередь мы рассматриваем не конкретные результаты тестирования конкретной системы, а общую организацию процесса тестирования, используя подход «хорошо организованный процесс дает качественный результат». Такой подход является общим для многих международных и отраслевых стандартах качества, о которых более подробно будет рассказано в конце данного курса. Качество разрабатываемой системы при таком подходе является следствием организованного процесса разработки и тестирования, а не самостоятельным неуправляемым результатом. Поскольку современные программные системы имеют весьма значительные размеры, при тестировании их программного кода используется метод функциональной декомпозиции. Система разбивается на отдельные модули (классы, пространства имен и т.п.), имеющие определенную требованиями функциональность и интерфейсы. После этого по отдельности тестируется каждый модуль – выполняется модульное тестирование. Затем выполняется сборка отдельных модулей в более крупные конфигурации – выполняется интеграционное тестирование, и наконец, тестируется система в целом – выполняется системное тестирование. С точки зрения программного кода, модульное, интеграционное и системное тестирование имеют много общего, поэтому в данной теме основное внимание будет уделено модульному тестированию, особенности интеграционного и системного тестирования будут рассмотрены позднее. 26 В ходе модульного тестирования каждый модуль тестируется как на соответствие требованиям, так и на отсутствие проблемных участков программного кода, могущих вызвать отказы и сбои в работе системы. Как правило, модули не работают вне системы – они принимают данные от других модулей, перерабатывают их и передают дальше. Для того, чтобы с одной стороны, изолировать модуль от системы и исключить влияние потенциальных ошибок системы, а с другой стороны – обеспечить модуль всеми необходимыми данными, используется тестовое окружение. Задача тестового окружения – создать среду выполнения для модуля, эмулировать все внешние интерфейсы, к которым обращается модуль. Об особенностях организации тестового окружения пойдет речь в данной теме. Типичная процедура тестирования состоит в подготовке и выполнении тестовых примеров (также называемых просто тестами). Каждый тестовый пример проверяет одну «ситуацию» в поведении модуля и состоит из списка значений, передаваемых на вход модуля, описания запуска и выполнения переработки данных – тестового сценария, и списка значений, которые ожидаются на выходе модуля в случае его корректного поведения. Тестовые сценарии составляются таким образом, чтобы исключить обращения к внутренним данным модуля, все взаимодействие должно происходить только через его внешние интерфейсы. Выполнение тестового примера поддерживается тестовым окружением, которое включает в себя программную реализацию тестового сценария. Выполнение начинается с передачи модулю входных данных и запуска сценария. Реальные выходные данные, полученные от модуля в результате выполнения сценария сохраняются и сравниваются с ожидаемыми. В случае их совпадения тест считается пройденным, в противном случае – не пройденным. Каждый не пройденный тест указывает либо на дефект в тестируемом модуле, либо в тестовом окружении, либо в описании теста. Совокупность описаний тестовых примеров составляет тест-план – основной документ, определяющий процедуру тестирования программного модуля. Тест-план задает не только сами тестовые примеры, но и порядок их следования, который также может быть важен. Структура и особенности тест-планов будут рассмотрены в данной теме, проблемы, связанные с порядком следования тестовых примеров – в теме «Повторяемость тестирования». При тестировании часто бывает необходимо учитывать не только требования к системе, но и структуру программного кода тестируемого модуля. В этом случае тесты составляются таким образом, чтобы детектировать типичные ошибки программистов, вызванные неверной интерпретацией требований. Применяются проверки граничных условий, проверки классов эквивалентности. Отсутствие в системе возможностей, не заданных требованиями, гарантируют различные оценки покрытия программного кода тестами, т.е. оценки того, какой процент тех или иных языковых конструкций выполнен в результате выполнения всех тестовых примеров. Обо всем этом пойдет речь в завершение данной темы. 2.2. Методы тестирования 2.2.1. Черный ящик Основная идея в тестировании системы, как черного ящика состоит в том, что все материалы, которые доступны тестировщику – требования на систему, описывающие ее поведение и сама система, работать с которой он может только подавая на ее входы некоторые внешние воздействия и наблюдая на выходах некоторый результат. Все внутренние особенности реализации системы скрыты от тестировщика, таким образом, система и представляет собой «черный ящик», правильность поведения которого по отношению к требованиям и предстоит проверить. 27 С точки зрения программного кода черный ящик может представлять с собой набор классов (или модулей) с известными внешними интерфейсами, но недоступными исходными текстами. Основная задача тестировщика для данного метода тестирования состоит в последовательной проверке соответствия поведения системы требованиям. Кроме того, тестировщик должен проверить работу системы в критических ситуациях – что происходит в случае подачи неверных входных значений. В идеальной ситуации все варианты критических ситуаций должны быть описаны в требованиях на систему и тестировщику остается только придумывать конкретные проверки этих требований. Однако в реальности в результате тестирования обычно выявляется два типа проблем системы: 1. Несоответствие поведения системы требованиям 2. Неадекватное поведение системы в ситуациях, не предусмотренных требованиями. Отчеты об обоих типах проблем документируются и передаются разработчикам. При этом проблемы первого типа обычно вызывают изменение программного кода, гораздо реже – изменение требований. Изменение требований в данном случае может потребоваться ввиду их противоречивости (несколько разных требований описывают разные модели поведения системы в одной и той же самой ситуации) или некорректности (требования не соответствуют действительности). Проблемы второго типа однозначно требуют изменения требований ввиду их неполноты – в требованиях явно пропущена ситуация, приводящая к неадекватному поведению системы. При этом под неадекватным поведением может пониматься как полный крах системы, так и вообще любое поведение, не описанное в требованиях. Тестирование черного ящика называют также тестированием по требованиям, т.к. это единственный источник информации для построения тест-плана. 2.2.2. Стеклянный (белый) ящик При тестировании системы, как стеклянного ящика, тестировщик имеет доступ не только к требованиям на систему, ее входам и выходам, но и к ее внутренней структуре – видит ее программный код. Доступность программного кода расширяет возможности тестировщика тем, что он может видеть соответствие требований участкам программного кода и видеть тем самым – на весь ли программный код существуют требования. Программный код, для которого отсутствуют требования называют кодом, непокрытым требованиями. Такой код является потенциальным источником неадекватного поведения системы. Кроме того, прозрачность системы позволяет углубить анализ ее участков, вызывающих проблемы – часто одна проблема нейтрализует другую и они никогда не возникают одновременно. 2.2.3. Тестирование моделей Тестирование моделей находится несколько в стороне от классических методов верификации программного обеспечения. Прежде всего это связано с тем, что объект тестирования – не сама система, а ее модель, спроектированная формальными средствами. Если оставить в стороне вопросы проверки корректности и применимости самой модели (считается, что ее корректность и соответствие исходной системе может быть доказана формальными средствами), то тестировщик получает в свое распоряжение достаточно мощный инструмент анализа общей целостности системы. Работая с моделью можно создать такие ситуации, которые невозможно создать в тестовой лаборатории для реальной системы. Работая с моделью программного кода системы можно анализировать его свойства и такие параметры системы, как оптимальность алгоритмов или ее устойчивость. 28 Однако тестирование моделей не получило широкого распространения именно ввиду трудностей, возникающих при разработке формального описания поведения системы. Одно из немногих исключений – системы связи, алгоритмический и математический аппарат которых достаточно хорошо проработан. 2.2.4. Анализ программного кода (инспекции) Во многих ситуациях тестирование поведения системы в целом невозможно – отдельные участки программного кода могут никогда не выполняться, при этом они будут покрыты требованиями. Примером таких участков кода могут служить обработчики исключительных ситуаций. Если, например, два модуля передают друг другу числовые значения, и функции проверки корректности значений работают в обоих модулях, то функция проверки модуля-приемника никогда не будет активизирована, т.к. все ошибочные значения будут отсечены еще в передатчике. В этом случае выполняется ручной анализ программного кода на корректность, называемый также просмотрами или инспекциями кода. Если в результате инспекции выявляются проблемные участки, то информация об этом передается разработчикам для исправления наравне с результатами обычных тестов. 2.3. Тестовое окружение Основной объем тестирования практически любой сложной системы обычно выполняется в автоматическом режиме. Кроме того, тестируемая система обычно разбивается на отдельные модули, каждый из которых тестируется вначале отдельно от других, затем в комплексе. Это означает, что для выполнения тестирования необходимо создать некоторую среду, которая обеспечит запуск и выполнение тестируемого модуля, передаст ему входные данные, соберет реальные выходные данные, полученные в результате работы системы на заданных входных данных. После этого среда должна сравнить реальные выходные данные с ожидаемыми и на основании данного сравнения сделать вывод о соответствии поведения модуля заданному (Рис. 9). Тестовый драйвер Ожидаемые выходные данные Тестируемый Обработка Входные данные модуль результатов Реальные выходные данные Заглушки Рис. 9 Обобщенная схема среды тестирования Тестовое окружение также может использоваться для отчуждения отдельных модулей системы от всей системы. Разделение модулей системы на ранних этапах тестирования позволяет более точно локализовать проблемы, возникающие в их программном коде. Для поддержки работы модуля в отрыве от системы тестовое окружение должно моделировать поведение всех модулей, к функциям или данным которых обращается тестируемый модуль. 29

Верификация и валидация (verification and validation - V& V) предназначены для анализа, проверки правильности выполнения и соответствия ПО спецификациям и требованиям заказчика. Данные методы проверки правильности программ и систем соответственно означают:

верификация - это проверка правильности создания системы в соответствии с ее спецификацией;
валидация - это проверка правильности выполнения заданных требований к системе.

Верификация помогает сделать заключение о корректности созданной системы после завершения ее проектирования и разработки. Валидация позволяет установить выполнимость заданных требований и включает в себя ряд действий для получения правильных программ и систем, а именно:

планирование процедур проверки и контроля проектных решений и требований;
обеспечение уровня автоматизации проектирования программ CASE- средствами;
проверка правильности функционирования программ методами тестирования на наборах целевых тестов;
адаптация продукта к операционной среде и др.

Валидация выполняет эти действия путем просмотра и инспекции спецификаций и результатов проектирования на этапах ЖЦ для подтверждения того, что имеется корректная реализация начальных требований и выполнены заданные условия и ограничения. В задачи верификации и валидации входят проверки полноты, непротиворечивости и однозначности спецификации требований и правильности выполнения функций системы.

Верификации и валидации подвергаются:

основные компоненты системы;
интерфейсы компонентов (программные, технические и информационные) и взаимодействия объектов (протоколы и сообщения), обеспечивающие выполнение системы в распределенных средах;
средства доступа к БД и файлам (транзакции и сообщения) и проверка средств защиты от несанкционированного доступа к данным разных пользователей;
документация к ПО и к системе в целом;
тесты, тестовые процедуры и входные данные.

Иными словами, основными систематическими методами правильности программ являются:

верификация компонентов ПС и валидация спецификации требований;
инспектирование ПС для установления соответствия программы заданным спецификациями;
тестирование выходного кода ПС на тестовых данных в конкретной операционной среде для выявления ошибок и дефектов, вызванных разными недоработками, аномальными ситуациями, сбоями оборудования или аварийным прекращением работы системы (см. гл. 9).

Стандарты ISO/IEC 3918-99 и 12207 включают в себя процессы верификации и валидации. Для них определены цели, задачи и действия по проверке правильности создаваемого продукта (включая рабочие, промежуточные продукты) на этапах ЖЦ и соответствия его требованиям.

Основная задача процессов верификации и валидации состоит в том, чтобы проверить и подтвердить , что конечный ПП отвечает назначению и удовлетворяет требованиям заказчика. Эти процессы позволяют выявить ошибки в рабочих продуктах этапов ЖЦ, без выяснения причин их появления, а также установить правильность ПП относительно его спецификации.

Эти процессы взаимосвязанные и определяются одним термином - «верификация и валидация» (V&V 7).

При верификации осуществляется:

проверка правильности перевода отдельных компонентов в выходной код, а также описаний интерфейсов путем трассировки взаимосвязей компонентов в соответствии с заданными требованиями заказчика;
анализ правильности доступа к файлам или БД с учетом принятых в используемых системных средствах процедур манипулирования данными и передачи результатов;
проверка средств защиты компонентов на соответствие требованиям заказчика и проведение их трассировки.

После проверки отдельных компонентов системы проводятся их интеграция, а также верификация и валидация интегрированной системы. Систему тестируют на множестве наборов тестов для определения адекватности и достаточности этих наборов для завершения тестирования и установления правильности системы.

Идея создания международного проекта по формальной верификации была предложена Т. Хоаром, она обсуждалась на симпозиуме по верифицированному ПО в феврале 2005 г. в Калифорнии. Затем в октябре этого же года на конференции IFIP в Цюрихе был принят международный проект сроком на 15 лег но разработке «целостного автоматизированного набора инструментов для проверки корректности ПС».

В нем сформулированы следующие основные задачи:

разработка единой теории построения и анализа программ;
построение всеобъемлющего интегрированного набора инструментов верификации для всех производственных этапов, включая разработку спецификаций и их проверку, генерацию тестовых примеров, уточнение, анализ и верификацию программ;
создание репозитария формальных спецификаций и верифицированных программных объектов разных видов и типов.

В данном проекте предполагается, что верификация будет охватывать все аспекты создания и проверки правильности ПО и станет панацеей от всех бед, связанных с постоянным возникновением ошибок в создаваемых программах.

Многие формальные методы доказательства и верификации специфицированных программ прошли практическую апробацию. Проделана большая работа международного комитета ISO/IEC в рамках стандарта ISO/ IEC 12207:2002 по стандартизации процессов верификации и валидации ПО. Проверка корректности формальными методами разных объектов программирования является перспективной.

Репозитарий является хранилищем программ, спецификаций и инструментов, применяемых при разработках и испытаниях, оценках готовых компонентов, инструментов и заготовок методов. На него возлагаются следующие общие задачи:

накопление верифицированных спецификаций, методов доказательства, программных объектов и реализаций кодов для сложных применений;
накопление всевозможных методов верификации, их оформление в виде, пригодном для поиска и выбора реализованной теоретической идеи для дальнейшего применения;
разработка стандартных форм для задания и обмена формальными спецификациями разных объектов программирования, а также инструментов и готовых систем;
разработка механизмов интероперабельности и взаимодействия для переноса готовых верифицированных продуктов из репозитария в новые распределенные и сетевые среды для создания новых ПС.

Данный проект предполагается развивать в течение 50 лет. Более ранние проекты ставили подобные цели: улучшение качества ПО, формализация сервисных моделей, снижение сложности за счет использования ПИК, создание отладочного инструментария для визуальной диагностики ошибок и их устранения и др. Однако коренного изменения в программировании не произошло ни в смысле визуальной отладки, ни в достижении высокого качества ПО. Процесс развития продолжается.

Новый международный проект по верификации ПО требует от его участников не только знаний теоретических аспектов спецификации программ, но и высокой квалификации программистов для его реализации в ближайшие годы.

Дадим несколько определений, определяющих общую структуру процесса сертификации программного обеспечения:

Сертификация ПО – процесс установления и официального признания того, что разработка ПО проводилась в соответствии с определенными требованиями. В процессе сертификации происходит взаимодействие Заявителя, Сертифицирующего органа и Наблюдательного органа

Заявитель - организация, подающая заявку в соответствующий Сертифицирующий орган на получения сертификата (соответствия, качества, годности и т.п.) изделия.

Сертифицирующий орган – организация, рассматривающая заявку Заявителя о проведении Сертификации ПО и либо самостоятельно, либо путем формирования специальной комиссии производящая набор процедур направленных на проведение процесса Сертификации ПО Заявителя .

Наблюдательный орган – комиссия специалистов, наблюдающих за процессами разработки Заявителем сертифицируемой информационной системы и дающих заключение, о соответствии данного процесса определенным требованиям, которое передается на рассмотрение в Сертифицирующий орган .

Сертификация может быть направлена на получение сертификата соответствия, либо сертификата качества.

В первом случае результатом сертификации является признание соответствия процессов разработки определенным критериям, а функциональности системы определенным требованиям. Примером таких требований могут служить руководящие документы Федеральной службы по техническому и экспортному контролю в области безопасности программных систем .

Во втором случае результатом является признание соответствия процессов разработки определенным критериям, гарантирующим соответствующий уровень качества выпускаемой продукции и его пригодности для эксплуатации в определенных условиях. Примером таких стандартов может служить серия международных стандартов качества ISO 9000:2000 (ГОСТ Р ИСО 9000-2001) или авиационные стандарты DO-178B , AS9100 , AS9006 .

Тестирование сертифицируемого программного обеспечения имеет две взаимодополняющие цели:

· Первая цель - продемонстрировать, что программное обеспечение удовлетворяет требованиям на него.

· Вторая цель - продемонстрировать с высоким уровнем доверительности, что ошибки, которые могут привести к неприемлемым отказным ситуациям, как они определены процессом, оценки отказобезопасности системы, выявлены в процессе тестирования.

Например, согласно требованиям стандарта DO-178B, для того, чтобы удовлетворить целям тестирования программного обеспечения, необходимо следующее:

· Тесты, в первую очередь, должны основываться на требованиях к программному обеспечению;

· Тесты должны разрабатываться для проверки правильности функционирования и создания условий для выявления потенциальных ошибок.

· Анализ полноты тестов, основанных на требованиях на программное обеспечение, должен определить, какие требования не протестированы.

· Анализ полноты тестов, основанных на структуре программного кода, должен определить, какие структуры не исполнялись при тестировании.

Также в этом стандарте говорится о тестировании, основанном на требованиях. Установлено, что эта стратегия наиболее эффективна при выявлении ошибок. Руководящие указания для выбора тестовых примеров, основанных на требованиях, включают следующее:

· Для достижения целей тестирования программного обеспечения должны быть проведены две категории тестов: тесты для нормальных ситуаций и тесты для ненормальных (не отраженных в требованиях, робастных) ситуаций.

· Должны быть разработаны специальные тестовые примеры для требований на программное обеспечение и источников ошибок, присущих процессу разработки программного обеспечения.

Целью тестов для нормальных ситуаций является демонстрация способности программного обеспечения давать отклик на нормальные входы и условия в соответствии с требованиями.

Целью тестов для ненормальных ситуаций является демонстрация способности программного обеспечения адекватно реагировать на ненормальные входы и условия, иными словами, это не должно вызывать отказ системы.

Категории отказных ситуаций для системы устанавливаются путем определения опасности отказной ситуации для самолета и тех, кто в нем находится. Любая ошибка в программном обеспечении может вызвать отказ, который внесет свой вклад в отказную ситуацию. Таким образом, уровень целостности программного обеспечения, необходимый для безопасной эксплуатации, связан с отказными ситуациями для системы.

Существует 5 уровней отказных ситуаций от несущественной до критически опасной. Согласно этим уровням вводится понятие уровня критичности программного обеспечения. От уровня критичности зависит состав документации, предоставляемой в сертифицирующий орган, а значит и глубина процессов разработки и верификации системы. Например, количество типов документов и объем работ по разработке системы, необходимых для сертификации по самому низкому уровню критичности DO-178B могут отличаться на один-два порядка от количества и объемов, необходимых для сертификации по самому высокому уровню. Конкретные требования определяет стандарт, по которому планируется вести сертификацию.

Термины верификация и валидация связаны с проверкой качества программного обеспечения. Мы используем эти термины в своих статьях и докладах. Неоднократно мы слышали различные комментарии и рассуждения, следует ли относить статический анализ исходного кода программ к верификации и валидации и в чем различие этих понятий. В целом складывается такое впечатление, что каждый вкладывает в эти термины свои понятия, а это приводит к взаимному недопониманию.

Мы решили разобраться с терминологией, чтобы придерживаться наиболее правильного толкования этих понятий. В ходе исследования, мы нашли работу В.В. Кулямина "Методы верификации программного обеспечения" . В ней дается развернутое описание этих терминов, и мы приняли решение в дальнейшем опираться на определения, данные в этой работе. Приведем некоторые выдержки их этой работы, относящиеся к верификации и валидации.

Верификация и валидация являются видами деятельности, направленными на контроль качества программного обеспечения и обнаружение ошибок в нем. Имея общую цель, они отличаются источниками проверяемых в их ходе свойств, правил и ограничений, нарушение которых считается ошибкой.

Для дальнейшего изложения нам необходимо ввести термин "артефакт жизненного цикла ПО". Артефактами жизненного цикла ПО называются различные информационные сущности, документы и модели, создаваемые или используемые в ходе разработки и сопровождения ПО. Так, артефактами являются техническое задание, описание архитектуры, модель предметной области на каком-либо графическом языке, исходный код, пользовательская документация и т.д. Различные модели, используемые отдельными разработчиками при создании и анализе ПО, но не зафиксированные в виде доступных другим людям документов, не могут считаться артефактами.

Верификация проверяет соответствие одних создаваемых в ходе разработки и сопровождения ПО артефактов другим, ранее созданным или используемым в качестве исходных данных, а также соответствие этих артефактов и процессов их разработки правилам и стандартам. В частности, верификация проверяет соответствие между нормами стандартов, описанием требований (техническим заданием) к ПО, проектными решениями, исходным кодом, пользовательской документацией и функционированием самого ПО. Кроме того, проверяется, что требования, проектные решения, документация и код оформлены в соответствии с нормами и стандартами, принятыми в данной стране, отрасли и организации при разработке ПО, а также - что при их создании выполнялись все указанные в стандартах операции, в нужной последовательности. Обнаруживаемые при верификации ошибки и дефекты являются расхождениями или противоречиями между несколькими из перечисленных документов, между документами и реальной работой программы, между нормами стандартов и реальным процессами разработки и сопровождения ПО. При этом принятие решения о том, какой именно документ подлежит исправлению (может быть, и оба) является отдельной задачей.

Валидация проверяет соответствие любых создаваемых или используемых в ходе разработки и сопровождения ПО артефактов нуждам и потребностям пользователей и заказчиков этого ПО, с учетом законов предметной области и ограничений контекста использования ПО. Эти нужды и потребности чаще всего не зафиксированы документально - при фиксации они превращаются в описание требований, один из артефактов процесса разработки ПО. Поэтому валидация является менее формализованной деятельностью, чем верификация. Она всегда проводится с участием представителей заказчиков, пользователей, бизнес-аналитиков или экспертов в предметной области - тех, чье мнение можно считать достаточно хорошим выражением реальных нужд и потребностей пользователей, заказчиков и других заинтересованных лиц. Методы ее выполнения часто используют специфические техники выявления знаний и действительных потребностей участников.

Различие между верификацией и валидацией проиллюстрировано на рисунке 1.

Приведенные определения получены некоторым расширением определений из стандарта IEEE 1012 на процессы верификации и валидации . В стандартном словаре терминов программной инженерии IEEE 610.12 1990 года определение верификации по смыслу примерно то же, а определение валидации несколько другое - там говорится, что валидация должна проверять соответствие полученного в результате разработки ПО исходным требованиям к нему. В этом случае валидация являлась бы частным случаем верификации, что нигде в литературе по программной инженерии не отмечается, поэтому, а также потому, что оно поправлено в IEEE 1012 2004 года, это определение следует считать неточным. Частое использование фразы B. Boehm"а :

Верификация отвечает на вопрос "Делаем ли мы продукт правильно?", а валидация- на вопрос "Делаем ли мы правильный продукт?"

также добавляет путаницы, поскольку афористичность этого высказывания, к сожалению, сочетается с двусмысленностью. Однако многочисленные труды его автора позволяют считать, что он подразумевал под верификацией и валидацией примерно те же понятия, которые определены выше. Указанные разночтения можно проследить и в содержании стандартов программной инженерии. Так, стандарт ISO 12207 считает тестирование разновидностью валидации, но не верификации, что, по-видимому, является следствием использования неточного определения из стандартного словаря .

В заключении хочется заметить, что согласно приведенным определениям статический анализ исходного кода программ соответствует верификации программного обеспечения, как проверка соответствия программного кода различным стандартам кодирования. Статический анализ проверяет соответствие результатов этапа конструирования программной системы требованиям и ограничениям, сформулированным ранее.

Библиографический список

В.В. Кулямин "Методы верификации программного обеспечения". Институт системного программирования РАН 109004, г. Москва, ул. Б. Коммунистическая, д. 25.
http://www.ict.edu.ru/ft/005645/62322e1-st09.pdf
IEEE 1012-2004 Standard for Software Verification and Validation. IEEE, 2005.
IEEE 610.12-1990 Standard Glossary of Software Engineering Terminology, Corrected Edition. IEEE, February 1991.
B. W. Boehm. Software Engineering; R&D Trends and Defense Needs. In R. Wegner, ed. Research. Directions in Software Technology. Cambridge, MA:MIT Press, 1979.
ISO/IEC 12207 Systems and software engineering - Software life cycle processes. Geneva, Switzerland: ISO, 2008.

Очень часто путают два понятия валидация и верификация. Кроме того, часто путают валидацию требований к системе с валидацией самой системы. Я предлагаю разобраться в этом вопросе.

В статье я рассмотрел два подхода к моделированию объекта: как целого и как конструкции. В текущей статье нам это деление понадобится.

Пусть у нас есть проектируемый функциональный объект. Пусть этот объект рассматривается нами как часть конструкции другого функционального Объекта. Пусть есть описание конструкции Объекта, такое, что в нем присутствует описание объекта. В таком описании объект имеет описание как целого, то есть, описаны его интерфейсы взаимодействия с другими объектами в рамках конструкции Объекта. Пусть дано описание объекта как конструкции. Пусть есть информационный объект, содержащий требования к оформлению описания объекта как конструкции. Пусть есть свод знаний, который содержит правила вывода, на основании которых из описания объекта как целого получается описание объекта как конструкции. Свод знаний – это то, чему учат конструкторов в институтах – много, очень много знаний. Они позволяют на основе знанию об объекте спроектировать его конструкцию.

Итак, можно начинать. Мы можем утверждать, что если правильно описан объект как целое, если свод знаний верен, и если правила вывода были соблюдены, то полученное описание конструкции объекта, будет верным. То есть, на основе этого описания будет построен функциональный объект, соответствующий реальным условиям эксплуатации. Какие могут возникнуть риски:

1. Использование неправильных знаний об Объекте. Модель Объекта в головах у людей может не соответствовать реальности. Не знали реальной опасности землетрясений, например. Соответственно, могут быть неправильно сформулированы требования к объекту.

2. Неполная запись знаний об Объекте – что-то пропущено, сделаны ошибки. Например, знали о ветрах, но забыли упомянуть. Это может привести к недостаточно полному описанию требований к объекту.

3. Неверный свод знаний. Нас учили приоритету массы над остальными параметрами, а оказалось, что надо было наращивать скорость.

4. Неправильное применение правил вывода к описанию объекта. Логические ошибки, что-то пропущено в требованиях к конструкции объекта, нарушена трассировка требований.

5. Неполная запись полученных выводов о конструкции системы. Все учли, все рассчитали, но забыли написать.

6. Созданная система не соответствует описанию.

Понятно, что все артефакты проекта появляются, как правило, в завершенном своем виде только к концу проекта и то не всегда. Но, если предположить, что разработка водопадная, то риски такие, как я описал. Проверка каждого риска – это определенная операция, которой можно дать название. Если кому интересно, можно попытаться придумать и озвучить эти термины.

Что такое верификация? По-русски, верификация – это проверка на соответствие правилам. Правила оформляются в виде документа. То есть, должен быть документ с требованиями к документации. Если документация соответствует требованиям этого документа, то она прошла верификацию.

Что есть валидация? По-русски валидация – это проверка правильности выводов. То есть, должен быть свод знаний, в котором описано, как получить описание конструкции на основе данных об объекте. Проверка правильности применения этих выводов – есть валидация. Валидация - это в том числе проверка описания на непротиворечивость, полноту и понятность.

Часто валидацию требований путают с валидацией продукта, построенного на основе этих требований. Так делать не стоит.