基于DOORS和Eclip...e的软件追溯链审查方法研究_孙弘扬.pdf

2023.4电脑编程技巧与维护1概述通常高层需求在软件设计过程中会得到进一步分解，生成一个或多个较低层的需求。创建系统需求与高层需求之间的追溯数据，以表明分配给软件的系统需求和高层需求之间的双向关联。这样做一方面能够验证分配给软件的系统需求是否完全落实；另一方面可以显形不能直接追溯到系统需求的衍生高层需求。创建高层需求和底层需求的追溯数据，以表明高层需求和低层需求的双向关联。这样做一方面能够验证高层需求是否全部落实，另一方面可以显形出衍生的低层需求。从这些低层需求不能直接追溯到高层需求，也不能直接追溯到软件设计过程所作的架构设计决策。创建开发低层需求与源代码之间的双向关联。这样做一方面能够发现源代码已经实现的某些功能在高层需求中没有被提及；另一方面能够验证低层需求是否被全部实现。上述3个需求可以概括为两个目标：上游需求全部被落实；不能被上游需求追溯的下游衍生需求可以显形1。DO-178C在软件验证过程中提出要求，确保分配给软件的系统功能、性能、安全性等相关需求能够分解到高层需求中，确保高层需求和衍生需求分解进入低层需求，确保低层需求在源代码中全部实现。这一系列要求被层层递进地分解和实现，就是软件追溯链的基础。软件追溯链审查对高安全性软件的质量把关方面起着至关重要的作用。当前这方面审查方法的研究还有很大的发展空间。Rational DOORS是IBM公司旗下一款优秀的产品，是出色的技术状态管理工具之一，特别是对软件技术状态的管理，对软件研发各流程片段产生的中间文件都能够进行有效管控，目前已被广泛应用于航空、航天、汽车、金融等领域23。DOORS平台可以将需求和需求相关的文档进行联动管理。从一份文档到另一份文档的关联条目，用户只需要拖拽鼠标就能创建出条目间的链接关系。这种方式既方便又快捷，对文档的编辑也很人性化，与传统的Word中编辑文档的方式相比，DOORS平台不会让用户的精力大量地消耗在格式编辑上，而是更多地聚焦在内容本身，层次化的条目展现方式，对用户阅读操作更加友好。同时，对导入和导出其他Office文档和对象链接与嵌入（OLE）对象也做了很好的支持。文件的组织结构和Windows资源管理器类似，对于熟悉Windows平台的用户来说非常容易上手。DOORS平台还支持自动化脚本，可以创造灵活的脚本，完成丰富的功能。综上所述，DOORS平台具有“支持条目化管控”“支持技术状态基线管理”“支持多级技术文件链接关联”“支持脚本自动化”等特点，已经越来越多地被应用于嵌入式软件技术文档的编制与管控4。IBM公司的Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。就其本身而言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。其插件开发环境允许用户构建与Eclipse平台环境无缝集成的工具5，从而无须分辨一个工具功能在哪里结束，而另一个工具功能在哪里开始。基于Eclipse平台开发工具非常简单和快捷。插件机制是Eclipse平台最大的优势，所有功能都是通过插件实现的。插件机制就像搭积木，插件是Eclipse平台功能的最小单元，可以单独进行开发和交付。一个小功能可以由一个插件、一个复杂功能或者由几个插件的组合完成。插件机制可以保证在不修改程序主体架构的情况下，达到增强或扩展软件功能的目的。在此提出一种基于DOORS平台和Eclipse平台的软件追溯链审查方法，并开发配套工具，使用户能够更好地开展审查活动，进行审查版本基线管控，协助审查者记录审查结果，提供审查后的数据结果并拥有基线复用作者简介：孙弘扬（1988），男，工程师，硕士，研究方向为航空发动机控制软件。基于 DOORS 和 Eclipse 的软件追溯链审查方法研究孙弘扬，庞存辰，倪斌斌，狄名轩（中国航发控制系统研究所，江苏 无锡214063）摘要：在高安全软件开发过程中，软件追溯链审查是提高软件质量的重要手段。为了解决基线管理、审查完整性和结果可复用等问题，提出了一种基于 DOORS 平台和 Eclipse 平台的软件追溯链审查方法。为审查活动设计并开发了工具软件，采用差异比对算法进行版本迭代后的审查结果复用。经实际应用，该方法可以提高软件追溯链审查的效率及效果。关键词：DOORS 平台；Eclipse 平台；高安全软件；软件追溯链6DOI:10.16184/prg.2023.04.0022023.4电脑编程技巧与维护等功能。2问题背景航空发动机软件是高安全软件，对整个过程的追溯符合性和完整性有很高的要求。在某些对软件质量要求较高的项目中，按照如图1所示的软件追溯链开展审查活动。审查者和开发者通常属于不同的两个团队，将这样的软件活动称为ThreadReivew审查活动。在高安全软件的开发过程中，可通过此过程活动审查从系统需求到软件需求再到源代码之间的追溯正确性。实践表明，该方法能够更好地发现隐藏的问题，为软件的安全认证开发提供坚实的证据依据。对于ThreadReivew活动，往往缺少合适的方法和配套的工具支撑，如果仅用Excel简单地记录结果，则可能造成审查版本基线控制不到位、审查条目遗漏、复用难度较大等问题，与活动预期目标产生偏差。如何顺利开展软件ThreadReivew活动会对软件质量产生重大影响的问题。3解决方案3.1软件追溯版本的建立在软件产品线的开发过程中，需求文档记录了领域功能的相关文字描述。利用需求文档可以对功能进行层层分解。在航发控制领域，需求文档的上下游文档一般是软件研制任务书、软件需求规格说明及测试需求。在DOORS平台上完成条目编撰，人工识别关联的内容，利用DOORS平台拖拽条目的功能，可以较为方便地完成条目追踪。软件代码（函数）是对领域功能的具体实现。函数对软件需求规格说明的追溯，采用在函数中注释的方式写入软件需求规格说明，注明相应条目号。例如，以/*Implements SR123*/的格式来表示此函数是对需求功能SR123的具体实现。通过Eclipse平台Ast语法树插件分析提取函数及利用正则化表达式提取函数内部注明的需求条目号。建立追溯版本的前提是在DOORS平台中编撰条目化的上下游文档，并完成条目的追踪。完成DOORS平台的工作后，基于Eclipse平台的工具会根据配置将DOORS平台中条目化的内容通过图形界面展示给审查者。审查者通过图形界面对追溯内容进行审查。平台将结果实时保存至服务器的数据库。结构流程如图2所示。对软件相关追溯链做审查之前，对软件任务书（高层需求）、软件需求、代码（或低层需求）、测试需求等相关文档的成套性有具体要求。在某个时刻，将处于一致性状态的内容建立一个快照，作为证据链保存。确保在追溯审查过程中，不会因为版本不匹配，造成审查过程终止或审查结果无效。因此，需要对做追溯审查的材料进行版本基线管理。在建立审查版本的界面上完成文档信息的配置，文档信息包括被审查的材料和正确的文档基线。追溯版本的建立过程如图3所示。选择审查材料和版本后，就可以建立追溯审查的版本基线。如上所述，在DOORS平台可以自由编辑脚本程序，完成某些特定的功能，可以预先编辑并调试完成脚本程序，以作备用。工具会自动调用已准备好的DOORS平台脚本程序，按照配置的DOORS地址，读取相应材料的内容并追溯关系，将需要审查的信息存储至.xml文件和远程服务器数据库中。审查信息包括追溯的上下游关系及审查的内容。3.2软件追溯链的审查及显示将审查的上下游文件导入后，追溯上下游审查过程如图4所示，形成条目化显示方式。界面左边显示上游图1软件追溯链图2结构流程图3追溯版本的建立过程软件研制任务书软件需求软件函数（底层需求）测试需求DOORS平台（软件任务书、软件需求、测试需求、底层需求等）服务器数据库Eclipse平台图形化界面72023.4电脑编程技巧与维护文件，界面右边显示下游文件，能够通过View的改变，切换上下游文件。审查时通过点击需求条目，在下方界面能够快速地显示该条目被追溯的下游条目，并且能够迅速定位到右边界面的内容，方便审查者高效地开展Thread-Reivew活动。审查过程参照DO-178C的要求执行，审查过程也是再分析的过程。具体要求如下：审查软件研制任务书的每条需求都是准确、无异议、充分详尽的，且需求之间不会相互冲突。审查与目标计算机硬件/软件特性之间无冲突，特别是系统响应时间和输入、输出硬件之间没有冲突，确保拟采用算法的精度和行为特性满足要求。审查者判断软件需求规格说明条目对任务书需求条目的符合性，确定是否有毫无关联的需求存在于追溯关系中的情况，分析任务书的此条需求是否能够完全满足要求。给出此条任务书需求的最终审查结果。同样的，软件需求规格说明与测试需求之间、软件需求规格说明与代码之间，运用相同的指导思路开展审查。工具将审查结果保存到服务器端。有了服务器数据库的支撑，还可以多人对一个ThreadReview基线同时开展审查。例如，一个人审查信号处理章节，另一个人审查故障处理章节，有效地提高了协作性。在人员充足的情况下，对重要项目开展交叉审查，目的是避免单人审查带来的认知性和系统性偏差。工具还支持对追溯链关系（软件研制任务书软件需求规格说明测试需求代码）的链式显现，如图5所示，使审查者能够直观地把握上下游内容的符合性和完整性，帮助审查者给出正确的审查结果。工具可以自动计算追溯率，直观显示没有被下层需求追溯到的上层需求及没有追溯到上层需求的下层需求。及时提醒开发人员分析没有达成100%的原因，有可能是遗漏，也可能是错误。这些也是对DO-178C验证过程中的要求进行解读后采取的具体措施。服务器数据库中的数据可以最终导出Excel格式的审查结果。开发者对审查者提出的疑问项进行分析，逐一封闭确实有问题的内容。3.3版本迭代后的审查结果复用随 着 需 求 的 不 停 更 新，对 于 高 安 全 性 软 件 的ThreadReivew活动也会不断调整，如果只是个别条目的改动，则要整体重新审查，这样做会造成各方面资源的浪费。因此，创造一种可被继承复用的工具方法是非常必要的。使用上游条目差异比对的算法，在新建立审查版本时，工具自动识别与上个版本相比有改动的条目，并层层传递影响，清除关联的审查结果，对于完全一致的条目，则复用上一个版本的审查结果。当进行某项需求变更时，参照需求追溯链的追踪能力，快速找到与其相关的其他需求、源代码和测试需求，提示这些受影响的内容可能需要进行修改。实践表明，审查结果的复用，一方面可以大大节省成本，另一方面能有效识别变更影响。4结语提出了一种基于DOORS平台和Eclipse平台的软件追溯链审查方法，为软件的安全认证开发提供坚实的证据流程，有效提升软件产品的质量。该方法已成功应用于航空领域多个项目的软件研发。实践表明，利用可以对审查基线进行有效管控，并对审查结果进行实时保存和最终呈现，显著提高了审查效率。在软件全生命周期中，基线复用功能可以很好应对版本不断的变更。此外，该工具软件还具有继续扩展的空间，如支持上下游追溯的双向关联审查及定制报告等功能。图4追溯上下游审查过程图5追溯链显现82023.4电脑编程技巧与维护noisy_circlesnoisy_moonsvariedanisoblobsno_structure1noisy_circlesnoisy_moonsvariedanisoblobsno_structure1.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.7511111-0.89-0.890.48-0.30.87-0.99-0.55-0.016-0.810.910.48-0.550.510.046-0.47-0.3-0.0160.51-0.540.21-0.87-0.81-0.46-0.47-0.54-0.86-0.860.210.91-0.994结语使用经典的内部评价指标对不同数据集的聚类结果进行量化，分析指标值的波动性及指标间的关联性，发现在数据集blobs上聚类效果最好；在同心圆数据集上聚类效果最差。通过使用CR和CV来评估聚类评价指标的波动性，发现波动性最强的是DB，它对数据变化最为敏感。通过对数据集间的相关性进行分析发现，没有一个聚类评价指标能够适用于所有的数据集，每个聚类评价指标都有实用的场景。根据实验结论，能够对各指标及数据集的特点有一个更加清晰的认识。在实际应用场景中，研究工作对选取合适的聚类评价指标具有重要的参考价值和意义。在后续研究工作可以丰富聚类评价指标的个数及数据集的类别，这样可以更加系统、全面地发现聚类指标的特点及应用场景。参考文献1XU 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