Обеспечение функциональности и надёжности ПС
Плохо не клади, вора в грех не вводи.
Народная пословица
Лекция 11.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ И
НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА
Функциональность и надежность как обязательные критерии качества программного средства. Обеспечение завершенности программного средства. Защитное программирование и обеспечение устойчивости программного модуля. Виды защиты и обеспечение защищенности программного средства.
11.1. Функциональность и надежность как обязательные критерии качества программного средства.
Рекомендуемые материалы
На предыдущих лекциях мы рассмотрели все этапы разработки ПС, кроме его аттестации. При этом мы не касались вопросов обеспечения качества ПС в соответствии с его спецификацией качества (см. лекцию 4). Правда, занимаясь реализацией функциональной спецификации ПС, мы тем самым обсудили основные вопросы обеспечения критерия функциональности. Объявив надежность ПС основным его атрибутом (см. лекцию 1), мы выбрали предупреждение ошибок в качестве основного подхода для обеспечения надежности ПС (см. лекцию 3) и обсудили его воплощение на разных этапах разработки ПС. Таким образом, проявлялся тезис об 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.
11.2. 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 (см. лекцию 4).
Функциональность ПС определяется его функциональной спецификацией. Завершенность ПС как примитив его качества является мерой того, в какой степени эта спецификация реализована в разрабатываемом 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 [11.1], 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 разрабатываемого ПС должна быть рассчитана на практически полезное применение любыми пользователями, для которых предназначено это ПС. Поэтому главный принцип обеспечения функциональности такого ПС заключается в том, чтобы с самого начала разрабатывать ПС таким образом, как будто требуется ПС в полном объеме, до тех пор, когда разработчики будут иметь дело непосредственно 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).
Достигнутый при обеспечении функциональности ПС уровень его завершенности на самом деле может быть не таким, как ожидалось, из-за ошибок, оставшихся в этом ПС. Можно лишь говорить, что требуемая 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, которая пока еще ждет соответствующих теоретических исследований.
11.3. Обеспечение точности программного средства.
Обеспечение этого примитива качества 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 (т.н. приближенными вычислениями) занимается вычислительная математика [11.1, 11.2]. 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).
11.4. Обеспечение автономности программного средства.
Вопрос об автономности программного средства решается путем принятия решения о возможности использования в разрабатываемом ПС какого-либо подходящего базового программного обеспечения. Надежность имеющегося в распоряжении разработчиков базового программного обеспечения для целевого компьютера может не отвечать требованиям к надежности разрабатываемого ПС. Поэтому от использования такого программного обеспечения приходиться отказываться, а его функции в требуемом объеме приходится реализовывать в рамках разрабатываемого ПС. Аналогичное решение приходится принимать при жестких ограничениях на используемые ресурсы (по критерию эффективности ПС). Такое решение может быть принято уже в процессе разработки спецификации качества ПС, иногда – на этапе конструирования ПС.
11.5. Обеспечение устойчивости программного средства.
Этот примитив качества ПС обеспечивается с помощью так называемого защитного программирования. Вообще говоря, защитное программирование применяется при программировании модуля для повышения надежности ПС в более широком смысле. Как утверждает Майерс [11.3], «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. Для обработки таких ситуаций в конец этого модуля включаются фрагменты второго рода – обработчики соответствующих исключительных ситуаций. Эти обработчики 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, во избежание поломки устройств, управляемых с помощью данного ПС, при аварийном прекращении выполнения программы осуществляют мягкую их остановку).
Применение защитного программирования модулей приводит к 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, сформулированных 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 лекции 3. Этот случай защитного программирования применяется крайне редко - только в том случае, когда требования к надежности ПС чрезвычайно высоки.
11.6. 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.
11.6.1 Защита от сбоев аппаратуры. В настоящее время этот вид защиты является не очень злободневной задачей (с учетом уровня достигнутой надежности компьютеров). Но все же полезно знать ее решение. Это обеспечивается организацией т.н. «двойных или 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. В начале каждого такого интервала во вторичную память записывается с некоторой контрольной суммой копия состояния изменяемой в этом процессе памяти («опорная точка»). Для того, чтобы убедиться, что обработка данных от одной опорной точки до следующей (т.е. один «просчет») произведена правильно (без сбоев компьютера), производится два таких «просчета». После первого «просчета» вычисляется и запоминается указанная контрольная сумма, а затем восстанавливается состояние памяти по опорной точке 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 по опорной точке). 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.
11.6.2. Защита от влияния «чужой» программы. При появлении мультипрограммного режима работы компьютера в его памяти может одновременно находиться в стадии выполнения несколько программ, попеременно получающих управление в результате возникающих прерываний (т.н. квазипараллельное выполнение программ). Одна из таких программ (обычно: операционная система) занимается обработкой прерываний и управлением мультипрограммным режимом. Здесь под «чужой» программой понимается программа (или какой-либо программный фрагмент), выполняемая параллельно (или квазипараллельно) по отношению к защищаемой программе (или ее фрагменту). Этот вид защиты должна обеспечить, чтобы эффект выполнения защищаемой программы не зависел от того, какие программы выполняются параллельно с ней, и относится, прежде всего, к функциям операционных систем.
Различают две разновидности этой защиты:
защита от отказов «чужой» программы,
защита от злонамеренного влияния «чужой» программы.
Защита от отказов «чужой» программы означает, что на выполнение функций защищаемой программой не будут влиять отказы (проявления ошибок), возникающие в параллельно выполняемых программах. Для того чтобы управляющая программа (операционная система) могла обеспечить защиту себя и других программ от такого влияния, 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,
· временнóе 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. К привилегированным операциям относятся операции изменения защиты памяти и режима функционирования, а также доступа к внешней информационной среде. Корректная реализация прерываний и начального включения компьютера означает обязательную установку привилегированного режима и отмену защиты памяти. В этих условиях управляющая программа (операционная система) может полностью защитить себя от влияния отказов других программ. Для этого достаточно, чтобы
· все точки передачи управления при начальном включении компьютера и при прерываниях принадлежали этой программе,
· она не позволяла никакой другой программе работать в привилегированном режиме (при передаче управления любой другой программе должен включаться только рабочий режим),
· она полностью защищала 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. Наличие временнóго прерывания позволяет управляющей программе защититься от зацикливания в других программах (без такого прерывания она могла бы просто лишиться возможности управлять).
Защита от злонамеренного влияния «чужих» программ означает, что изменение внешней информационной среды, предоставленной защищаемой программе, со стороны другой, параллельно выполняемой программы будет невозможно или сильно затруднено без ведома защищаемой программы. Для этого операционная система должна обеспечить подходящий контроль доступа к внешней информационной среде. Необходимым условием обеспечение такого контроля является обеспечения защиты от злонамеренного влияния «чужих» программ хотя бы самой операционной системы. В противном случае такой контроль можно было бы обойти путем изменения операционной системы со стороны «злонамеренной» программы.
Этот вид защиты включает, в частности, и защиту от т.н. «компьютерных вирусов», под которыми понимают фрагменты программ, способные в процессе своего выполнения внедряться (копироваться) в другие программы (или в отдельные программные фрагменты). «Компьютерные вирусы», обладая способностью к размножению (к внедрению в другие программы), при определенных условиях вызывают изменение эффекта выполнения «зараженной» программы, что может привести к серьезным деструктивным изменениям ее внешней информационной среды. Операционная система, будучи защищенной от влияния «чужих» программ, может ограничить доступ к программным фрагментам, хранящимся во внешней информационной среде. Так, например, может быть запрещено изменение таких фрагментов любыми программами, кроме некоторых, которые знает операционная система, или, другой вариант, может быть разрешено только после специальных подтверждений программы (или пользователя).
11.6.3. Защита от отказов «своей» программы. Обеспечивается надежностью ПС, на что ориентирована вся технология программирования, обсуждаемая в настоящем курсе лекций.
11.6.4. Защита от ошибок пользователя. Здесь идет речь не об ошибочных данных, поступающих от пользователя ПС, - защита от них связана с обеспечением устойчивости ПС, а о действиях пользователя, приводящих к деструктивному изменению состояния внешней информационной среды ПС, несмотря на корректность используемых при этом данных. Защита от таких действий, частично, обеспечивается выдачей предупредительных сообщений о попытках изменить состояние внешней информационной среды ПС с требованием подтверждения этих действий. Для случаев же, когда такие ошибки совершаются, может быть предусмотрена возможность восстановления состояния отдельных компонент внешней информационной среды ПС на определенные моменты времени. Такая возможность базируется на ведении (формировании) архива состояний (или изменений состояния) внешней информационной среды.
11.6.5. Защита от несанкционированного доступа. Каждому пользователю ПС предоставляет определенные информационные и процедурные ресурсы (услуги), причем у разных пользователей ПС предоставленные им ресурсы могут отличаться, иногда очень существенно. Этот вид защиты должен обеспечить, чтобы каждый пользователь ПС мог использовать только то, что ему предоставлено (санкционировано). Для этого ПС в своей внешней информационной среде может хранить информацию о своих пользователях и предоставленным им правах использования ресурсов, а также предоставлять пользователям определенные возможности формирования этой информации. Защита от несанкционированного доступа к ресурсам ПС осуществляется с помощью т.н. паролей (секретных слов). При этом предполагается, что каждый пользователь знает только свой пароль, зарегистрированный в ПС этим пользователем. Для доступа к выделенным ему ресурсам он должен предъявить ПС свой пароль. Другими словами, пользователь как бы "вешает замок" на предоставленные ему права доступа к ресурсам, "ключ" от которого имеется только у этого пользователя.
Различают две разновидности такой защиты:
· простая защита от несанкционированного доступа,
· защита от взлома защиты.
Простая защита от несанкционированного доступа обеспечивает защиту от использования ресурсов ПС пользователем, которому не предоставлены соответствующие права доступа или который указал неправильный пароль. При этом предполагается, что пользователь, получив отказ в доступе к интересующим ему ресурсам, не будет предпринимать попыток каким-либо несанкционированным образом обойти или преодолеть эту защиту. Поэтому этот вид защиты может применяться и в ПС, которая базируется на операционной системе, не обеспечивающей полную защиту от влияния «чужих» программ.
Защита от взлома защиты - это такая разновидность защиты от несанкционированного доступа, которая существенно затрудняет преодоление этой защиты. Это связано с тем, что в отдельных случаях могут быть предприняты настойчивые попытки взломать защиту от несанкционированного доступа, если защищаемые ресурсы представляют для кого-то чрезвычайную ценность. Для такого случая приходится предпринимать дополнительные меры защиты. Во-первых, необходимо обеспечить, чтобы такую защиту нельзя было обойти, т. е. должна действовать защита от влияния «чужих» программ. Во-вторых, необходимо усилить простую защиту от несанкционированного доступа использованием в ПС специальных программистских приемов, в достаточной степени затрудняющих подбор подходящего пароля или его вычисление по информации, хранящейся во внешней информационной среде ПС. Использование обычных паролей оказывается недостаточной, когда речь идет о чрезвычайно настойчивом стремлении добиться доступа к ценной информации. Если требуемый пароль («замок») в явном виде хранится во внешней информационной среде ПС, то "взломщик" этой защиты относительно легко может его достать, имея доступ к этому ПС. Кроме того, следует иметь в виду, что с помощью современных компьютеров можно осуществлять достаточно большой перебор возможных паролей с целью найти подходящий.
Защититься от этого можно следующим образом. Пароль (секретное слово или просто секретное целое число) X должен быть известен только владельцу защищаемых прав доступа и он не должен храниться во внешней информационной среде ПС. Для проверки прав доступа во внешней информационной среде ПС хранится другое число Y=F(X), однозначно вычисляемое ПС по предъявленному паролю X. При этом функция F может быть хорошо известной всем пользователям ПС, однако она должна обладать таким свойством, что восстановление слова X по Y практически невозможно: при достаточно большой длине слова X (например, в несколько сотен знаков) для этого может потребоваться астрономическое время. Такое число Y будем называть электронной (компьютерной) подписью владельца пароля X (а значит, и защищаемых прав доступа).
Другой способ защиты от взлома защиты связан с защитой сообщений, пересылаемых по компьютерным сетям. Такое сообщение может представлять команду на дистанционный доступ к ценной информации, и этот доступ отправитель сообщения хочет защитить от возможных искажений. Например, при осуществлении банковских операций с использованием компьютерной сети. Использование компьютерной подписи в такой ситуации недостаточно, так как защищаемое сообщение может быть перехвачено «взломщиком» (например, на «перевалочных» пунктах компьютерной сети) и подменено другим сообщением с сохранением компьютерной подписи (или пароля).
Защиту от такого взлома защиты можно осуществить следующим образом [11.4]. Наряду с функцией F, определяющей компьютерную подпись владельца пароля X, в ПС определены еще две функции: Stamp и Notary. При передаче сообщения отправитель, помимо компьютерной подписи Y=F(X), должен вычислить еще другое число S=Stamp(X,R), где X - пароль, а R - текст передаваемого сообщения. Здесь также предполагается, что функция Stamp хорошо известна всем пользователям ПС и обладает таким свойством, что по S практически невозможно ни восстановить число X, ни подобрать другой текст сообщения R с заданной компьютерной подписью Y. При этом передаваемое сообщение (вместе со своей защитой) должно иметь вид:
(R Y S),
причем Y (компьютерная подпись) позволяет получателю сообщения установить истинность клиента, а S как бы скрепляет защищаемый текст сообщения R с компьютерной подписью Y. В связи с этим будем называть число S электронной (компьютерной) печатью. Функция Notary(R,Y,S).проверяет истинность защищаемого сообщения:
(R,Y,S).
Эта позволяет получателю сообщения однозначно установить, что текст сообщения R принадлежит владельцу пароля X.
11.6.6. Защита от защиты. Защита от несанкционированного доступа может создать нежелательную ситуацию для самого владельца прав доступа к ресурсам ПС - он не сможет воспользоваться этими правами, если забудет (или потеряет) свой пароль («ключ»). Для защиты интересов пользователя в таких ситуациях и предназначена защита от защиты. Для обеспечения такой защиты ПС должно иметь привилегированного пользователя, называемого администратором ПС. Администратор ПС должен, в частности, отвечать за функционирование защиты ПС: именно он должен формировать контингент пользователей данного экземпляра ПС, предоставляя каждому из этих пользователей определенные права доступа к ресурсам ПС. В ПС должна быть привилегированная операция (для администратора), позволяющая временно снимать защиту от несанкционированного доступа для пользователя с целью фиксации требуемого пароля («замка»).
Упражнения к лекции 11.
11.1. Что такое защитное программирование?
11.2. Какие виды защиты программного средства от искажения информации Вы знаете?
11.3. Какие требования предъявляются к компьютеру, чтобы можно было обеспечить защиту программы от отказов другой программы в мультипрограммном режиме?
11.4. Что такое компьютерная подпись?
Вам также может быть полезна лекция "15 Визуализация трехмерных изображений".
11.5. Что такое компьютерная печать?
Литература к лекции 11.
11.1 И.С. Березин, Н.П. Жидков. Методы вычислений, т.т. 1 и 2. - М.: Физматгиз, 1959.
11.2.Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М.Кобельков. Численные методы. - М.: Наука, 1987.
11.3. Г. Майерс. Надежность программного обеспечения. - М.: Мир, 1980. С. 141-146.
11.4. А.Н. Лебедев. Защита банковской информации и современная криптография // Вопросы защиты информации, 2(29), 1995.
