Анализ качества баз данных

Для анализа свойств баз данных предлагается выделять характеристики качества системы управления базой данных и содержащейся в ней информации. Состав этих характеристик рекомендуется систематизировать на основе требований международного стандарта ISO 9126.

Современные базы данных — один из тех объектов в сфере информатизации, от которых иногда требуется особенно высокое качество и наличие возможности его оценки. Но что означает качество баз данных, какие требования следует предъявлять к их качеству, какими характеристиками можно описывать качество, как их оценивать и измерять? Для этого могут быть полезны методы и стандарты, разработанные для анализа сложных программных средств.

При комплексном анализе качества баз данных не всегда удается четко разделить требования и значения характеристик качества для каждого из этих объектов. Одна СУБД может обрабатывать различные по структуре, составу и содержанию данные, а одни и те же данные могут управляться различными СУБД. При анализе качества баз данных целесообразно рассматривать два компонента: систему программ управления данными и совокупность данных, упорядоченных по некоторым правилам. Хотя эти компоненты тесно взаимодействуют при реализации конкретной базы данных, первоначально они создаются независимо и могут рассматриваться в своем жизненном цикле как два объекта, которые различаются:

• номенклатурой и содержанием показателей качества, определяющих их назначение, функции и потребительские свойства;
• технологией и средствами автоматизации разработки и обеспечения всего жизненного цикла объекта;
• категориями специалистов, обеспечивающих создание, эксплуатацию или применение баз данных;
• комплектами эксплуатационной и технологической документации, поддерживающими жизненный цикл объекта.

Практически весь набор характеристик и атрибутов из стандарта ISO 9126 «Качество программных средств» [1, 2] в той или иной степени может использоваться в составе требований к СУБД. Особенности состоят в изменении акцентов при их выборе и упорядочении. Во всех случаях важнейшими характеристиками качества СУБД являются требования к функциональной пригодности процессов формирования и изменения информационного наполнения баз данных администраторами, а также доступа к данным и представления результатов пользователям.

Различия требований к характеристикам качества привели к созданию широкого спектра локальных, специализированных и распределенных СУБД. В зависимости от области применения, приоритет при оценке качества может отдаваться различным конструктивным характеристикам: надежности и защищенности применения (финансовая сфера), удобству использования малоквалифицированными пользователями (социальная сфера), эффективности использования ресурсов (сфера материально-технического снабжения). Однако практически во всех случаях сохраняется некоторая роль других конструктивных показателей качества — для каждого из них необходимо оценивать его приоритет для конкретной сферы применения, меры и шкалы необходимых и допустимых характеристик качества.

В системах баз данных доминирующее значение приобретают сами данные, их хранение и обработка. Для оценивания качества информации может применяться общий методический подход к выделению адекватной номенклатуры стандартизированных в ISO 9126 базовых характеристик и субхарактеристик. Однако их содержание для применения к качеству баз данных требуется уточнить. Выделяемые показатели качества должны иметь практический интерес для пользователей и быть упорядочены в соответствии с приоритетами практического применения. Кроме того, каждый выделяемый показатель качества должен быть пригоден для достоверного экспертного оценивания или измерения, а также для сравнения с требуемым значением.

При разработке базы данных в техническом задании и спецификации на нее должен формализоваться представительный набор функциональных требований к качеству базы данных, адекватный ее назначению и области применения, а также требованиям заказчика и потенциальных пользователей. Так же как для программных систем, характеристики качества информации можно разделить на функциональные и конструктивные. Их номенклатура, содержание и субхарактеристики базируются на ISO 9126. Может быть заложена основа для стандартизированного формирования требований к качеству баз данных и при изложении содержания характеристик качества использованы номенклатура и описания характеристик [1, 2], в которых объекты для анализа качества — «программы», заменены термином и содержанием — «информация баз данных». Однако номенклатура показателей качества не всегда может ограничиваться только характеристиками информации в базе данных, а должна включать ряд уточнений, отражающих комплексную эффективность и функциональную пригодность ее применения в реальных условиях.

Функциональная пригодность информации базы данных может представлять сложную проблему для измерения и оценки соответствия требованиям реальных значений атрибутов качества. Особенно это актуально для больших распределенных баз данных, в которых циркулирует разнообразная и сложная информация об анализируемых объектах. Мерой качества функциональной пригодности может быть степень покрытия целей, назначения и функций баз данных доступной пользователям информацией. Как и для программных систем, для баз данных целесообразно использовать группу субхарактеристик, определяющих функциональные, структурные и эксплуатационные требования [1]. На содержательном уровне функциональную пригодность многих баз данных отражают:

• полнота накопленных описаний объектов — относительное число объектов или документов, имеющихся в базе данных, к общему числу объектов по данной тематике или по отношению к числу объектов в аналогичных базах данных;
• идентичность — относительное число описаний объектов, не содержащих дефекты и ошибки, к общему числу документов об объектах в базах данных;
• актуальность — относительное число устаревших данных об объектах в базах данных к общему числу накопленных и обрабатываемых данных.

Разнообразие функций баз данных ограничивает возможность стандартизации требований к ним только общими правилами их организации, структурирования и документирования, которые достаточно подробно изложены в [1]. Меры и шкалы качества функциональной пригодности столь же разнообразны, насколько различаются назначения и специфика функций информации баз данных, однако конструктивные характеристики могут быть в значительной степени стандартизированы.

К конструктивным характеристикам качества информации можно отнести практически все стандартизированные показатели качества, представленные в ISO 9126. Требования к информации баз данных также должны содержать особенности обеспечения ее надежности, эффективности использования ресурсов компьютера, практичности, применимости, сопровождаемости и мобильности. Содержание и атрибуты этих характеристик несколько отличаются от тех, которые применяются для программ, однако их сущность целесообразно использовать. Меры и шкалы для оценивания конструктивных характеристик, в значительной степени, могут применяться те же, что при анализе качества программных средств.

Корректность или достоверность данных — это степень соответствия данных об объектах в базах данных реальным объектам в данный момент времени, определяющаяся изменениями самих объектов, некорректностями записей об их состоянии или некорректностями расчетов их характеристик. Выбор и установку требований к корректности данных можно оценивать по степени покрытия накопленными, актуальными и достоверными данными состояния и изменения внешних объектов, которые они отражают. Сюда же можно отнести и некоторые объемно-временные характеристики сохраняемых и обрабатываемых данных:

• объем базы данных — относительное число записей описаний объектов или документов, доступных для хранения и обработки, по сравнению с полным числом реальных объектов во внешней среде;
• оперативность — степень соответствия динамики изменения данных состояниям реальных объектов;
• глубина ретроспективы — интервал времени от даты выпуска и/или записи в базу данных самого раннего документа до настоящего времени;
• динамичность — относительное число изменяемых описаний объектов к общему числу записей в базе данных за некоторый интервал времени, определяемый периодичностью издания версий базы.

Защищенность информации реализуется средствами СУБД в сочетании с поддерживающими их средствами защиты данных. Цели, назначение и функции защиты тесно связаны с особенностями функциональной пригодности каждой базы данных. В распределенных базах данных показатели защищенности тесно связаны с характеристиками целостности и отражают степень тождественности одинаковых данных в памяти удаленных компонентов.

На практике способности защищать информацию баз данных от негативных воздействий описываются обычно составом средств, используемых для защиты от внешних и внутренних угроз. Однако есть попытки измерять и описывать качество защищенности информации обобщенно, трудоемкостью и временем, необходимыми для преодоления злоумышленниками системы защиты [3, 4]. Косвенным показателем ее качества может служить относительная доля вычислительных ресурсов, используемых непосредственно средствами защиты информации.

На практике основное внимание сосредоточено на защите от злоумышленных разрушений, искажений и хищений информации баз данных. Основой такой защиты является аудит санкционирования доступа, а также контроль организации и эффективности ограничений доступа. В реальных базах данных возможны и не всегда учитываются катастрофические последствия и аномалии информации, отражающиеся на безопасности применения, при которых их источниками являются случайные, непредсказуемые дестабилизирующие факторы. Качество защиты можно характеризовать величиной предотвращенного ущерба, возможного при проявлении дестабилизирующих факторов и реализации конкретных угроз безопасности, а также средним временем между возможными проявлениями угроз, преодолевающих защиту данных.

Надежность информации баз данных может основываться на применении понятий и методов теории надежности, которая позволяет получить ряд четких, хорошо измеряемых интегральных показателей. Надежная база данных, прежде всего, должна обеспечивать низкую вероятность потери работоспособности. Быстрое реагирование на потерю или искажение данных и восстановление их достоверности и работоспособности за время меньшее, чем порог между сбоем и отказом, обеспечивают высокую надежность.

Классификация сбоев и отказов по длительности восстановления приводит к необходимости анализа динамических характеристик абонентов, являющихся источниками и/или потребителями данных. Для любого потребителя информации существует допустимое время отсутствия данных от базы данных, при котором их значения, изменяясь по инерции, достигают предельного отклонения от того, которое должно было быть рассчитано. Это допустимое отклонение результатов после перерыва функционирования базы данных зависит, в основном, от динамических характеристик источников и потребителей информации.

Используемость ресурсов (или ресурсная экономичность) в стандартах отражается занятостью ресурсов центрального процессора, оперативной, внешней и виртуальной памяти, каналов ввода-вывода, терминалов и каналов связи. В зависимости от конкретных задач и особенностей базы данных при выборе атрибутов качества может доминировать либо величина абсолютной занятости ресурсов различных видов, либо относительная величина использования ресурсов каждого вида при нормальном функционировании базы данных. Задача оценки и эффективного использования вычислительных ресурсов сохраняет свою актуальность [5, 6].

Практичность (применимость) — трудно формализуемое понятие, однако, в итоге, значительно определяющее функциональную пригодность и полезность применения базы данных для определенных пользователей. В эту группу показателей входят субхарактеристики, с различных сторон отражающие функциональную понятность, удобство освоения, системную эффективность и простоту использования данных. Некоторые субхарактеристики можно оценивать экономическими показателями — затратами труда и времени специалистов на реализацию определенных функций взаимодействия с данными. В стандарте ISO 9126 для этой характеристики качества предлагается наибольшее число атрибутов, подробно описывающих свойства программных средств, которые так же могут быть полезны для оценки баз данных заказчиками при их практическом выборе, освоении и применении. Оценки практичности зависят не только от собственных характеристик баз данных, но также от организации и адекватности документирования процессов их эксплуатации.

Понятность зависит от качества документации и субъективных впечатлений потенциальных пользователей. Ее можно описать качественно четкостью функциональной концепции, широтой демонстрационных возможностей, полнотой, комплектностью и наглядностью представления в эксплуатационной документации возможных функций и особенностей реализации данных. Она должна обеспечиваться корректностью и полнотой описания исходной и результирующей информации, а также всех деталей применения базы данных для пользователей.

Простота использования — возможность удобно и комфортно эксплуатировать базу данных и манипулировать данными. Она соответствует управляемости, устойчивости к дефектам данных и согласованности с ожиданиями и навыками пользователей. Некоторые атрибуты этой субхарактеристики можно оценить количественно путем измерения трудоемкости и длительности соответствующих процессов подготовки и обучения квалифицированных пользователей.

Изучаемость может определяться трудоемкостью и длительностью подготовки пользователя. Качество изучаемости зависит от внутренних свойств и сложности структуры информации базы данных, а также от субъективных характеристик квалификации конкретных пользователей. Изучаемость может также характеризоваться объемом эксплуатационной документации или объемом и качеством электронных учебников.

Сопровождаемость информации может отражаться удобством и эффективностью исправления, усовершенствования или адаптации структуры и содержания описаний данных в зависимости от изменений во внешней среде применения, а также в требованиях и функциональных спецификациях заказчика. Обобщенно качество сопровождаемости базы данных можно оценивать потребностью ресурсов для ее обеспечения и для реализации. Возможные затраты ресурсов на развитие и совершенствование качества базы данных зависят не только от внутренних свойств данных, но также от запросов и потребностей пользователей и от готовности заказчика и разработчика удовлетворить эти потребности. По объему предполагаемых изменений, а также вновь вводимых в очередную версию данных с учетом сложности и новизны их разработки могут быть оценены затраты на их создание. Такой анализ может дать ориентиры для прогнозирования общих затрат на сопровождение и для оценивания этой характеристики качества в конкретных проектах. Совокупность субхарактеристик сопровождаемости программной системы, представленная в стандарте ISO 9126, вполне применима для описания этого качества баз данных, в основном, теми же организационно-технологическими субхарактеристиками.

Анализируемость базы данных зависит от стройности архитектуры, унифицированности интерфейсов, полноты и корректности технологической и эксплуатационной документации. Изменяемость состоит в приспособленности структуры и содержания данных к реализации специфицированных изменений и к управлению конфигурацией данных. Изменяемость зависит не только от внутренних свойств базы данных, но также от организации и инструментальной оснащенности процессов сопровождения и конфигурационного управления, на которые ориентирована архитектура, внешние и внутренние интерфейсы данных. Тестируемость зависит от величины области влияния изменений, которые необходимо тестировать при модификациях структуры и содержания данных, от сложности тестов для проверки их характеристик. Ее атрибуты зависят от четкости правил структурного построения компонентов и базы данных в целом, от унификации межмодульных и внешних интерфейсов, от полноты и корректности технологической документации. Субхарактеристики изменяемости и тестируемости данных доступны для количественных оценок по величине трудоемкости и длительности реализации этих функций при типовых операциях с данными при применении различных методов и средств автоматизации. Эти экономические шкалы по существу (хотя и не явно) могут отражать также анализируемость и стабильность, и применяться для интегрального оценивания сопровождаемости в целом.

Мобильность баз данных, как и программ, можно характеризовать в основном длительностью и трудоемкостью их инсталляции, адаптации и замещаемости [1] при переносе на иные аппаратные и операционные платформы. Информация о процессах, происходящих во внешней среде, может иметь большие объемы и трудоемкость первичного накопления и актуализации, что определяет необходимость ее тщательного хранения и регламентированного изменения. Возможны ситуации, когда подобные данные являются уникальными и невосстанавливаемыми. Однако первичные аппаратная или операционная платформы, в которых они накапливались и обрабатывались, может требовать расширения и замены. Формирование и заполнение информацией баз данных достаточно сложный и трудоемкий процесс, технико-экономические показатели которого сильно зависят от структуры, состава, объема, связности и других характеристик исходной информации.

Однако часто возможность переноса при первичном формировании и наполнении базы данных не предусматривается и проявляется после длительной эксплуатации. Сложность, трудоемкость и длительность переноса в этом случае значительно возрастают и требуют тщательного планирования и организации работ, приближающихся к созданию новой базы данных. Одновременно должно быть обеспечено сохранение или повышение качества ее функционирования на новой платформе.

Для оценки качества и определения требований к мобильности базы данных следует решать задачу сравнения достигаемого эффекта и затрат для методов переноса или повторной разработки компонентов и наполнения базы данных в конкретных условиях с учетом всех перечисленных факторов и затрат [2]. Эти задачи значительно упрощаются при одновременном сокращении затрат при применении идеологии и концепции открытых компьютерных систем, поддержанных комплексом международных стандартов POSIX, а также современных версий ОС и СУБД, как стандартов де-факто.

Формализация характеристик качества информации баз данных, на основе стандартов, разработанных для оценивания программных средств, открывает путь для применения апробированных на комплексах программ методов систематизации, определения и повышения их качества. Использование стандартизированных характеристик качества информации баз данных позволяет упорядочить выбор требований к ним и оценивание достигнутого качества. Это должно способствовать повышению качества баз данных в целом, с учетом их программных и информационных компонентов, возможности достоверного определения их реальных характеристик при разработке, испытаниях и сертификации.

Литература

[1] Липаев В.В. Выбор и оценивание характеристик качества программных средств. М.: «Синтег», 2001

[2] Липаев В.В. Обеспечение качества программных средств. М.: «Синтег», 2001

[3] Безкоровайный М.М., Костогрызов А.И., Львов В.М. Инструментально-моделирующий комплекс для оценки качества функционирования информационных систем «KOK». М.: «Синтег», 2000

[4] Герасименко В.А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных. Книга 1 и 2. М.: «Энергоатомиздат», 1994

[5] Кульба В.В., Ковалевский С.С., Косяченко С.А., Сиротюк В.О. Теоретические основы проектирования оптимальных структур распределенных баз данных. М.: «Синтег», 1999

[6] Encyclopedia of Software Engineering, Editor-in-Chief John J. Marciniak. John Wiley & Sons, 1995

О надежности в терминах ISO 9126

Стандартом ISO 9126 рекомендуется анализировать и учитывать надежность комплексов программ четырьмя субхарактеристиками.

• Завершенность — способность базы данных не попадать в состояния отказов вследствие потерь, искажений, ошибок и дефектов в данных. На эту субхарактеристику влияют потери работоспособности, которые могут быть обусловлены не полным тестовым покрытием при испытаниях компонентов и системы в целом, а также недостаточной завершенностью их тестирования и защищенностью от искажений.
• Устойчивость к дефектам и ошибкам — свойство базы данных автоматически поддерживать заданный уровень качества данных в случаях проявления дефектов и ошибок или нарушения установленного интерфейса с внешней средой. Для этого в базу должна вводиться временная и информационная избыточность, реализующая оперативное обнаружение дефектов и ошибок информации, их идентификацию и автоматическое восстановление нормального функционирования. Относительная доля вычислительных ресурсов, используемых непосредственно для быстрой ликвидации последствий отказов и оперативного восстановления данных отражается на повышении надежности и определяет значение устойчивости.
• Восстанавливаемость — свойство базы данных в случае отказа возобновлять требуемый уровень качества информации и корректировать поврежденные данные. После отказа, база данных бывает неработоспособна в течение времени, продолжительность которого определяется восстанавливаемостью ее данных. Для этого необходимы вычислительные ресурсы и время на выявление неработоспособного состояния, диагностику причин отказа, а также на реализацию процессов восстановления. Основными показателями процесса восстановления данных являются его длительность и вероятностный характер. Восстанавливаемость характеризуется также полнотой восстановления нормального содержания.
• Доступность (или готовность) — свойство базы данных быть в состоянии полностью выполнять требуемую функцию в данный момент времени и при заданных условиях ее использования. Внешне, доступность может оцениваться относительным временем, в течение которого база данных находится в работоспособном состоянии, в пропорции к общему времени ее применения. Обобщение характеристик отказов и восстановления производится через коэффициент готовности, отражающий вероятность работать с нормальными данными в произвольный момент времени. Нижние границы шкал атрибутов надежности могут быть отражены значениям, при которых резко уменьшается функциональная пригодность базы данных, а использование конкретной базы данных становится неудобным и опасным.

Эффективность использования ресурсов компьютера при реальном функционировании отражается временными характеристиками взаимодействия конечных пользователей и администраторов баз данных. Эти характеристики зависят от качества СУБД, а также от объема, структуры и показателей качества используемой информации. Для баз данных важнейшим ресурсом является память компьютера, занимаемая информацией, а также ее используемость. Эти показатели качества влияют на время реакции системы на разные виды запросов пользователей и на пропускную способность базы данных.

В стандарте ISO 9126 выделены две субхарактеристики качества, которые рекомендуется описывать, в основном, количественными атрибутами, отражающими динамику функционирования компонентов базы данных. Временная эффективность определяется длительностью выполнения заданных функций и ожидания результатов в средних и/или наихудших случаях, с учетом приоритетов задач. Она зависит от объема, структуры и скорости обработки данных, влияющих непосредственно на интервал времени завершения конкретного вычислительного процесса, и от пропускной способности, т.е. от числа заданий, которые можно реализовать на данном компьютере в заданном интервале времени. Она зависит также от функционального содержания данных и конструктивной их реализации, тем самым может рассматриваться как один из внутренних показателей качества.

Особенности и трудоемкость переноса зависят, прежде всего, от характеристик совместимости архитектур и содержания переносимой между платформами информации.

• Форматная совместимость характеризуется степенью соответствия данных требованиям стандартов на форматы представления данных для документальных, фактографических, словарных и иных базах данных.
• Лингвистическая совместимость определяется степенью использования в рассматриваемых базах данных единых лингвистических средств (классификаторов, рубрикаторов, словарей), формализованных соответствующими стандартами этих платформ.
• Физическая совместимость заключается в степени соответствия кодировки информации одинаковым стандартам на машиночитаемые носители.