嚴熙 沙佰榮 鄭威

摘 要： 當前成熟的軟件系統(tǒng)分析與設計方法大多關注于軟件系統(tǒng)的功能性，而可信性并未得到充分的考慮。隨著軟件本身及其運行環(huán)境日漸復雜，功能實現(xiàn)過程中軟件的可信性引起人們越來越多的關注。為了構建出既滿足功能性需求又滿足可信性需求的對象模型，提出一種擴展用例驅(qū)動的設計方法，運用現(xiàn)有開發(fā)方法ICONIX方法，對軟件分析設計過程中的健壯性分析過程進行擴展。引入一種新的用例來實現(xiàn)軟件功能性和可行性的結合，并最終得出所需對象模型。

關鍵詞： 軟件分析； 可信性； 擴展用例； 對象模型

中圖分類號： TN911?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0033?04

Analysis and application of extended use case driving technology in software system

YAN Xi， SHA Bairong， ZHENG Wei

（School of Electronics and Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

Abstract： Current mature software analysis and design methods are mainly concerned with the function of the software system， but the credibility of the software has not been fully considered. Since the software and its running environment become more and more complex， the software reliability in the realization process of its function has attracted more and more attention. In order to build the object model， which not only meets the functional requirements， but also satisfies the demand of the credibility， a design method of the extended use case is proposed in this paper. The existing method， ICONIX method， is used to extend the analysis process of robustness in software analysis and design process. A new use cases was introduced to achieve a combination of software functionality and feasibility， and the object model needed for software design was obtained.

Keywords： software analysis； credibility； extended use case； object model

0 引 言

隨著軟件系統(tǒng)應用領域越來越多，軟件系統(tǒng)使用中也正面臨著各式各樣的功能性以外的干擾（比如網(wǎng)絡惡意攻擊、用戶操作失誤等）；在這些情況下，構建一個可信屬性的系統(tǒng)已成為開發(fā)人員所面臨解決的一大難題。然而，怎樣在軟件分析與設計中綜合考慮功能性和可信性，目前并無行之有效的方法。文中基于當前常用的用例驅(qū)動分析設計方法 ICONIX，提出了一種擴展用例驅(qū)動的方法，將可信軟件系統(tǒng)建模為一個有前饋和反饋控制的系統(tǒng)。過程中，系統(tǒng)將通過引入的前饋和反饋控制來應對自身可能出現(xiàn)的行為偏差以及外在存在的威脅，從而提高可信性，最終構建出既滿足功能性需求又滿足可信性需求的對象模型。

1 用例驅(qū)動方法

ICONIX[1]是眾多用例驅(qū)動開發(fā)方法中比較輕量級的一種，過程的規(guī)模大概在重量級Rational Unified Process（RUP）和輕量級的極限編程（XP）之間，在軟件系統(tǒng)分析設計的過程中使用一個最小的UML核心子集（4種UML元素：用例圖、健壯性圖、時序圖、類圖）來實現(xiàn)對用例驅(qū)動的OO設計。ICONIX方法的基本設計過程包含領域建模、用例建模、健壯性分析、交互建模[2]四個步驟；該動態(tài)過程的目標是不斷精化，并運用適當方式進行測試[3]以完善用例系統(tǒng)對象模型設計。其中，領域建模和用例建模構成需求分析階段的主要活動，健壯性分析和交互建模則構成在統(tǒng)設計階段的主要活動。

在開發(fā)可信性軟件系統(tǒng)時，主要考慮“影響系統(tǒng)的可信性的潛在因素有哪些？”，從根本出發(fā)，將可信的軟件系統(tǒng)建模為前饋?反饋控制系統(tǒng)[4?5]，被控對象是軟件系統(tǒng)的核心，其對外展現(xiàn)了系統(tǒng)的基本行為和所有服務。其中，前饋控制主要用來應對需求分析時出現(xiàn)的威脅，然而在分析階段過程中很難預計運行時所將面臨的各類威脅，因而需要反饋控制來應對處理運行過程中出現(xiàn)的行為偏差。通過兩者相互協(xié)作，確保軟件系統(tǒng)能夠保障行為符合預期、服務可信賴，從而提高自身可信性。

2 擴展用例驅(qū)動的方法

2.1 擴展用例驅(qū)動模型

擴展用例驅(qū)動模型是對原有用例驅(qū)動模型進一步擴展，在其中引入一個新的用例。如圖1所示的系統(tǒng)元模型圖展示了用例相關的各個概念及之間存在的關系。

圖1中新引入用例的主要作用是控制其他用例以及自身的活動序列，并從中采取相應控制措施來保障軟件系統(tǒng)自身的可信性。圖1中前饋控制描述的是軟件系統(tǒng)在威脅出現(xiàn)時采取的應對措施，這里所訴的威脅一般是發(fā)生在系統(tǒng)外部，并對系統(tǒng)行為產(chǎn)生了一定影響的干擾事件。反饋控制則描述的是軟件系統(tǒng)在應對自身行為偏差時所采取的措施。其中行為偏差指的是系統(tǒng)運行中，實際行為對設計時行為的偏離。常見有系統(tǒng)服務時間延遲、服務不可用、輸出數(shù)據(jù)有誤等。

2.2 設計過程

擴展用例驅(qū)動方法主要是在原有用例驅(qū)動過程上引入新的用例來進行擴展。需求分析中，分別針對系統(tǒng)功能性和可信性需求進行建模[6]，包含領域建模、用例建模、新引入用例建模并得出最終的擴展用例模型圖；設計過程中則根據(jù)需求分析所得模型圖進行系統(tǒng)模型設計，其中主要包含擴展的健壯性分析以及交互建模，并最終得出所需的系統(tǒng)類圖，具體過程如圖2所示。過程中主要包含4個活動：領域建模、擴展用例建模、擴展的健壯性分析以及交互建模。其中：

（1） 領域建?；顒优cICONIX方法中的相應活動相同，目標都是根據(jù)問題域的描述來確定一個詞匯表，并構成系統(tǒng)對象模型的雛形，也就是對系統(tǒng)對象類的最初猜想。

（2） 擴展用例建模是從用戶的角度出發(fā)并基于原有的用例系統(tǒng)模型，在引入新的用例后建立起來的擴展模型，是對原有用例模型的擴展，以及功能性中可信性的實現(xiàn)。

（3） 擴展的健壯性分析基于ICONIX方法中的健壯性分析[7?8]活動，在引用新的用例后重新進行健壯性分析，也是需求分析和詳細設計之間的橋梁。目的是根據(jù)新引入用例的描述設計擴展健壯性模型圖，來識別實現(xiàn)擴展用例的功能對象和可信保障對象。該活動中，將用例描述的需求離散化為各類對象（參與者、邊界對象、實體對象、與控制對象）的交互所構成的健壯性模型圖。

（4） 擴展的交互建模的目標則是基于ICONIX方法中的交互建模[9]活動來對系統(tǒng)進行詳細設計，將系統(tǒng)行為分配到擴展健壯性分析過程所識別到的邊界對象和實體對象中。根據(jù)新引入用例的描述來繪制對象之間消息交互的序列圖，并分配新引入用例所描述的系統(tǒng)功能性行為和可信性行為到各個對象中，并考慮兩種行為之間存在的聯(lián)系。

下面，通過具體案例的需求分析和系統(tǒng)設計兩部分內(nèi)容，來介紹本文所提出的方法。

3 案例分析

本節(jié)以某購票系統(tǒng)為例，說明擴展用例驅(qū)動的分析與設計方法的應用?？蛻艨梢酝ㄟ^系統(tǒng)查詢各種情況（票的價格、車次的情況、站點情況），再通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫給予的實時信息提示去預定車票，完成訂票過程，客戶也可通過系統(tǒng)對已訂購的票進行退訂、改簽等操作。

3.1 需求分析

基于購票過程的描述，初步確定在線購票系統(tǒng)參與者包括：用戶、管理員。分別從這些參與者角度出發(fā)，建立在線購票系統(tǒng)用例模型如圖3所示。其中，用戶可以完成很多操作，比如改簽、訂票、退訂等，這些操作的前提是登錄系統(tǒng)。用戶在操作過程中會出現(xiàn)一些突發(fā)情況，比如：訂單信息填寫不正確，系統(tǒng)訂單交易異常等。其中，管理員擁有修改票務相關信息和管理用戶權限。

由圖4可知，用戶與系統(tǒng)進行交互過程中會有新引入用例來進行相應控制處理，避免突發(fā)性威脅以及系統(tǒng)行為偏差，達到對系統(tǒng)可信性的保障[10?11]。

登錄用例中，信息輸入后前饋控制對信息進行加密處理，避免賬戶信息被盜用。除此之外，前饋控制也會限制用戶對于密碼的輸入次數(shù)，防止惡意破解密碼的行為。在提交訂單過程中，控制用例體現(xiàn)的尤為重要，用戶在向系統(tǒng)提交訂單時會針對系統(tǒng)行為偏差或者存在的威脅進行相應控制處理。提交信息會被前饋控制先進行加密處理后再提交給系統(tǒng)，這樣可以避免賬戶信息被盜用。

交易過程中可能會出現(xiàn)系統(tǒng)訪問異常而無法連接問題，此時前饋控制就會啟用系統(tǒng)預先設定好的默認備用連接，以確保交易正常進行。此外，系統(tǒng)也會優(yōu)化訂單處理時間，借助于反饋控制將會解決訂單提交延遲等問題。從系統(tǒng)需求分析中可以看出，引入新的用例后將會提升整個系統(tǒng)的可信性[12]。

3.2 系統(tǒng)設計

針對圖4所示的擴展用例模型圖，接下來著重以用例“提交訂單”為例來說明擴展用例驅(qū)動在售票系統(tǒng)的設計過程。由需求分析中描述知，用例“提交訂單”中“訂單加密”所描述的都是靜態(tài)控制措施，而“降低處理時間”和“啟用備用鏈接”卻都是動態(tài)的措施，且直接作用于“提交訂單”。接下來對新入用例“訂單加密”進行健壯性分析，識別出此用例所支持的控制對象。將這些對象全部添加到用例的擴展健壯性模型圖如圖5所示。圖6為基于圖5的健壯性模型圖所繪制的序列圖。圖7是根據(jù)“登錄”、“提交訂單”及新引入用例等用例對應的健壯性分析及交互建模更新后所得的擴展對象模型（圖7的類圖采用了ICONIX開發(fā)方法采用風格）。

4 結 語

為了實現(xiàn)功能性和可信性在軟件系統(tǒng)分析與設計中的綜合應用，本文基于當前成熟的用例驅(qū)動分析與設計方法，提出了一種擴展用例驅(qū)動方法來應對軟件系統(tǒng)中出現(xiàn)的突發(fā)性異常威脅以及系統(tǒng)行為偏差。應用了在線購票交易系統(tǒng)來說明該方法的可行性。軟件系統(tǒng)在后期運行過程中可能面臨的威脅和偏差遠遠不止以上所敘述的這些，可能會出現(xiàn)一些意外情況，比如服務器崩潰、系統(tǒng)內(nèi)部組件失效、管理員操作不當?shù)取?/p>

接下來的過程中會繼續(xù)對該方法進行改進。另外，軟件系統(tǒng)設計過程中也需要以更加有效的方式來組織對新引入用例的描述，以致可以更好地描述可信性需求，并最終將其轉化為設計，便于后續(xù)的軟件開發(fā)與應用，這也將會是未來的研究方向。

參考文獻

[1] ROSENBERG Doug， SCOTT Kendall. Applying use case driven object modeling with UML [M]. [S.l.]： Post & Telecom Press， 2005.

[2] 張友生.系統(tǒng)分析與設計技術[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3] 劉春玲，雷海紅.黑盒測試用例設計方法研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（20）：46?48.

[4] 薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析[M].北京：清華大學出版社，2000.

[5] CAI K， CANGUSSU J W， DECARLO R A， et al. An overview of software cybernetics [C]// Proceedings of the 11th Annual Intl Workshop on Software Technology and Engineering Practices. Amsterdam： IEEE， 2003： 77?86.

[6] 崔曉燕，袁剛.基于ICONIX方法的O&M架構設計與分析[J].軟件導刊，2008（12）：22?23.

[7] 張春娣，康春農(nóng).健壯性分析在軟件開發(fā)中的應用[J].計算機與現(xiàn)代化，2009（6）：48?51.

[8] 韓建亞，吳智博，劉卓鉞，等.基于使用剖面分析的系統(tǒng)健壯性評測方法[J].計算機工程與設計，2012，33（3）：973?977.

[9] 王鑫寧.UML軟件建模在污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[D].青島：中國海洋大學，2012.

[10] 王環(huán)環(huán)，詹永照，陳錦富.可信軟件分析與測試研究進展[J].計算機應用研究，2011，28（7）：2401?2406.

[11] 姜興杰，楊峰輝.軟件可靠性分析與設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（7）：135?137.

[12] DONZELLI Paolo， BASILI Victor. A practical framework for eliciting and modeling system dependability requirements： experience from the NASA high dependability computing project [J]. The Journal of systems & software， 2005， 79（1）： 107?119.