概要设计报告与高可信软件设计

🎯学习目标

• 掌握概要设计报告的结构与各部分编写要点；
• 掌握可依赖性（dependability）的概念与五个属性；
• 掌握可依赖性度量（POFOD、ROCOF、AVAIL）与提高可依赖性的策略；
• 理解三类容错体系结构：保护性系统、自监控体系结构、N 版本编程；
• 掌握信息安全的三个维度、术语、需求与分层/分布式安全体系结构。

1概要设计报告结构

概要设计报告（概要设计说明书）是概要设计阶段的核心产出，把软件需求转化为接近源程序的软件表示。报告通常以文件状态（草稿/正式发布/正在修改）、文件标识、版本、拟稿人/审核人等封面信息开头。

1. 引言

2体系结构、接口与数据库设计

2. 系统体系结构设计

包括系统特点分析、体系结构模式选择与设计。例：某系统为典型的基于事务交互的信息系统，综合应用分层体系结构和 B/S 多层体系结构——用户交互基于浏览器部署，业务逻辑、数据实体基于 Web 服务器运行，数据库基于数据库服务器运行（3 层体系结构）。

3. 接口设计

外部接口：与其他系统、硬件的接口。需与需求分析的上下文模型保持一致。例：AGV 状态信息用 JSON 格式以 100ms/次发送给系统。

{ "agvID":"agv的ID编号",
  "stateInfo":[{ "agvState":"状态", "agvX":"X坐标", "agvY":"Y坐标",
    "taskState":"任务状态", "electric":"电池电量", "workTime":"工作时间" }] }

内部接口：采用面向对象方法设计，详见体系结构逻辑视图和开发视图设计。

4. 系统数据库设计

概念数据库设计：用 PowerDesigner 等工具进行逻辑建模，导出 SQL 创建数据库；逻辑数据库设计：用 ER 图完成概念设计，描述实体、联系。

3系统出错处理设计

5.1 出错信息：用一览表方式说明每种可能出错或故障出现时，系统输出信息的形式、含义，并设计友好的出错提醒界面。

5.2 补救措施：

4可依赖系统的概念与属性 ⭐

可依赖性（dependability）由 Jean-Claude Laprie 于 1995 年提出，目的是覆盖系统的可用性、可靠性、安全性和信息安全性。一个有用的系统不一定总具有很高的可依赖性。

可依赖性的五个属性

可依赖性需求分两种：① 功能性需求——定义检查和修复措施、防止失效和外部攻击的保护错误；② 非功能性需求——定义系统需要的可靠性和可用性。（1993 年华沙机场空难案例说明：软件按规格说明正常工作、程序无错误，但需求规格说明不完备导致系统失效。）

5可依赖性度量与提高策略

可依赖性度量

提高可依赖性的策略

改善可靠性的三个辅助方法（基于错误、故障、失效的差别）：

6容错体系结构 ⭐

容错机制确保运行时可靠性，即使发生软硬件故障也能保证系统正常工作，可检测并纠正错误状态。为提供容错，系统体系结构必须具有一定的冗余性以及多样化的硬件和软件。容错设计分硬件容错（关键硬件备份）和软件容错（备份软件逻辑和数据）。常见三类容错体系结构：

6.1 保护性系统

一种与其他系统相关的专用系统，通常是对某些过程的控制系统。它独立地监视系统环境，若传感器指示控制系统未正常工作，则保护系统被激活并指挥设备运行。只包含最紧要的功能，能把系统从危险状态转换到安全状态。

6.2 自监控体系结构

系统设计成监视自身操作，在不同通道计算并比较输出：输出一致且同时可用则判定正常；输出不同则假设发生失效，在状态输出线上输出失效异常，控制转移到另一系统。要求：① 每个通道使用不一样的硬件；② 不同通道使用不同的软件。

适用情形：计算正确性非常重要、但可用性并不很重要（如医疗诊断系统，可靠性比可用性更重要）。高可用时需并行使用多个自监控系统 + 切换单元（如空中客车飞行控制系统用 5 个自检查计算机并行计算，主/次系统用不同处理器、不同生产商芯片组、不同语言、不同团队开发以获得多样性）。

6.3 N 版本编程

使用相同的规格说明，同一软件由多个小组实现，各版本在不同计算机上执行，用投票系统比较输出，不一致或未及时产生的输出被拒绝。至少需 3 个版本，单个失效时两个版本应一致。Hatton(1997) 总结：三通道系统约比单通道系统可靠性高 5-9 倍。

7信息安全工程

20 世纪 90 年代互联网广泛使用带来设计实现安全系统的挑战。攻击者可能滥用系统硬件、盗窃机密数据或破坏正常服务。

信息安全的三个维度

组织角度的三个层次：① 基础设施信息安全（系统和网络的安全维护，是系统管理问题：用户和权限管理、系统软件部署维护、攻击监控检测和恢复）；② 应用信息安全（个人应用系统或相关系统群）；③ 操作信息安全（系统的安全运行和使用）。

信息安全术语

信息安全需求

Firesmith(2003) 找出 10 类信息安全需求：身份验证、认证、授权、免疫（防病毒蠕虫）、完整性、入侵保护、不可抵赖性、隐私、信息安全审计、系统维护的信息安全需求。信息安全需求的初步风险评估过程：资产识别→资产价值评估→威胁识别→攻击评估→暴露评估→控制识别→可行性评估→信息安全需求定义。

信息安全体系结构

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