Geum.ru

Методы и средства анализа безопасности программного обеспечения

Вид материалаДокументы

Содержание


7.7.Подходы к исследованию сложных программных комплексов
7.7.2.Анализ характеристик программных модулей с помощьюуправляющего графа
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

7.7.Подходы к исследованию сложных программных комплексов

7.7.1.Общие замечания


Анализ программного обеспечения компонентов КС и процессов его создания показывает [Е1,ЕП,ИБС,Лип0,Лип1,Лип3,Лип4], что эффективность контроля технологической безопасности готовых программ может быть повышена за счет учета специфических особенностей структуры программ и, в частности, параметров, характеризующих сложность проектирования и функционирования готовых программ. К числу параметров, влияющих на сложность проектирования ПО, в первую очередь относятся [Ма]:
  • размер программ, выраженный числом команд и программных модулей в комплексе;
  • количество обрабатываемых переменных и объем памяти для размещения базы данных;
  • ограничения на длительность разработки и на количество специалистов, участвующих в создании комплекса программ.

Кроме того, для сложных комплексов управляющих программ (КУП) проверка отсутствия РПС не всегда возможна вследствие большого числа технологических исходных данных и т.д. В этих условиях целесообразно в первую очередь определить наиболее критичные с точки зрения выполнения целевых функций пути (ветви) программ, которые должны быть подвергнуты наиболее полному тестированию. Критичные пути определяются путем анализа следующих компонентов:
  • сложности программных модулей, которая характеризуется трудоемкостью создания оформленного комплекса программ и может быть оценена с учетом внутренней структуры и преобразования переменных в каждом модуле, а также интегрально по некоторым внешним статистическим характеристикам модулей;
  • сложности структуры комплекса (или группы программ и связей между модулями по передачам управления и обмену информацией), определяемой числом связей при взаимодействии модулей, структурой и регулярностью межмодульных связей;
  • сложности структуры данных, которую можно оценить количеством и структурой глобальных и обменных переменных, регулярностью их размещения в массивах, а также сложностью доступа к этим переменным.

Информация об усредненных значениях и статистических законах распределения характеристик этих компонентов накапливается с целью дальнейшего использования при исследовании программ, аналогичных по своему функциональному назначению и принципам разработки, а также:
  • при классификации программ на основе количественных критериев для выбора рациональных методов и средств обеспечения их технологической безопасности;
  • для обоснования правил структурного построения, сегментации больших программ с целью упрощения контроля их технологической безопасности;
  • для выбора рациональных методов построения и применения технологически безопасных средств автоматизации программирования и отладки.

Определение критических путей программных комплексов осуществляется в процессе последовательного выполнения следующих работ, связанных с получением информации о сложностных показателях исследуемых программ:
  • обработки исходных текстов и характеристик оттранслированных программ, а также расчета абсолютных и относительных численных характеристик объема модулей программ, числа используемых переменных и констант;
  • структурного контроля программы, расчета числа маршрутов и циклов, а также количества передач управления в ациклических маршрутах;
  • построения иерархической схемы связей программных модулей, расчета количества вызываемых и вызывающих данный модуль программ, определения интенсивности использования переменных на запись и чтение.

При исследовании управляющих программ в КС различного назначения целесообразно использовать следующую классификацию программных модулей:
  • диспетчерские программы (верхний уровень иерархии);
  • функциональные модули, выполняющие основные задачи обработки информации и принятия решений (средние уровни иерархии);
  • стандартные модули, используемые многократно для выполнения достаточно простых процедур и технологических операций по обработке данных (нижние уровни иерархии).

7.7.2.Анализ характеристик программных модулей с помощью
управляющего графа


Для количественной оценки сложности программных модулей используется графовая модель, представляющая собой направленный граф с циклами, вершинами которого являются линейные участки программы, а дугами - управляющие связи между линейными участками. Анализируя такой граф, можно обнаружить неисполняемые участки программы, получить все циклы (явные, заданные операторами цикла, и неявные, построенные с помощью условных операторов), обнаружить входы «сбоку» в структурированные конструкции (например, вход в тело цикла, минуя заголовок), наличие нескольких входов и выходов из процедур, отступления от стандартов программирования и т.д., что существенно важно при анализе технологической безопасности программ и, в частности, при определении критичных путей их выполнения.

Количественная оценка сложности программы при помощи управляющего графа вычисляется [Лип0] как сумма V=e-n+2p, где e – число дуг, n - число вершин, p - число связных компонент графа. Оценкой сложности можно пользоваться и при проектировании программ: если сложность превосходит некоторое критическое значение, то программу целесообразно разбить на более мелкие модули для упрощения ее понимания и отладки. В качестве критической сложности обычно принимают значение 10 единиц.

Основные алгоритмы, используемые на данном этапе, связаны с преобразованием управляющего графа, его анализом и построением возможных путей реализации программы. При этом преобразование графа основывается на понятии структурного дерева программы, вершинам которого соответствуют структурированные конструкции программы (условные операторы, циклы и последовательные операторы), вершины управляющего графа и неструктурируемые конструкции.

Неструктурируемой конструкцией графа называется его компонент, не содержащий других конструкций с одним входом и одним выходом и не принадлежащий множеству структурированных конструкций.

Вычисление управляющего графа обычно осуществляется при трансляции программы, но, к сожалению, большинство компиляторов не выдает его программисту в качестве результата своей работы.

При использовании ассемблеров управляющий граф легко может быть восстановлен по машинному коду [Лип0],а для языков высокого уровня необходимо создавать нетривиальные программы, сканирующие исходный текст и выделяющие управляющие конструкции языка.

Однако при разработке методики определения критических путей управляющих программ с позиции обеспечения технологической безопасности можно сделать допущение, что управляющий граф программы известен.

Алгоритм построения структурного дерева программы (алгоритм А) сводится к реализации следующей конструкции. Построение структурного дерева программы осуществляется параллельно со сверткой управляющего графа, когда выделенная конструкция заменяется одной вершиной. Для краткости управляющий граф на очередном этапе свертки будем называть графом программы. Таким образом, граф программы будет последовательно преобразовываться в G0,G1,..., где G0 - исходный управляющий граф последовательности - граф, состоящий из одной вершины.


Алгоритм А

А1. В структурном дереве образуются вершины простейшего типа, которым соответствуют вершины исходного управляющего графа.

А2. В графе программы ищется структурированная конструкция. Если такой нет, то выполняется переход к шагу А4.

А3. В дереве образуется вершина структурированной конструкции. Эта конструкция сворачивается в вершину, тип которой указывается. Выполняется переход к шагу А2.

А4. Если в графе осталась только одна вершина, то работа алгоритма заканчивается.

А5. В графе выделяется неструктурируемая конструкция и в структурном дереве образуется вершина соответствующего типа. Конструкция в графе сворачивается, после чего выполняется переход к шагу А2.


Построение структурного дерева выполняется от элементов, представляющих вершины управляющего графа, к элементу, представляющему всю программу целиком. Используя понятие структурного дерева программы, можно рассчитать существенную сложность программы EV: S(V(i)-1), где NS - множество вершин неструктурируемого типа в структурном дереве; V(i) - топологическая сложность конструкции, соответствующей i-й вершине дерева.

Вычисление V(i) производится на шаге А5 алгоритма по формуле V(i)=e(i)-n(i)+2, где e(i) - количество дуг, а n(i) - количество вершин рассматриваемой конструкции.

Таким образом, построение структурного дерева программы при реализации алгоритма А позволяет получить численные оценки сложности, которые в дальнейшем используются при определении критических путей, требующих наиболее тщательного обследования с позиций технологической безопасности программ.