Systematisches Testen von Software

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1 Systematisches Testen von Software

2 Gliederung I Motivation - Vorstellung - Begriffseingrenzung - Der Vorgang des Testens II Testmethodik - Whitebox-und Blackbox- Tests - Funktions- und Modultests - GUI- und Capture-Replay-Testtools - Testsprachen - Modellbasierte Tests III Testorganisation - Testplanung - Testdurchführung - Testdokumentation Seite 2 / 66

3 SVT Synthese, Validierung und Test bei Fraunhofer FIRST Thema: Softwarequalität und Qualitätssoftware Spezifikationsbasierte Testerzeugung und Testdurchführung Korrektheitsanalyse eingebetteter Systeme Generative Softwareproduktion mit Compilertechnologien Seite 3 / 66

4 Projekte Quasar Qualitätssicherung und Anforderungsanalyse - Automatische Testfallerzeugung aus UML-StateCharts Sicherheitszertifizierung in der Bahntechnik - Test eines fehlertoleranten Stellwerkscomputers für das ETCS durch softwareinduzierte Fehlerinjektion TTCN3-basiertes Lasttestsystem - Testadapter für GSM, GPRS und SS7 Einheiten im gesamten Netz eines europäischen Mobilfunkunternehmens Qualitätssicherung eines großen Informationssystems - GUI-Tests, Massentestdatenerzeugung und Prozessanalyse für eine Sachbearbeitungs-Datenbank Seite 4 / 66

5 Unsere Leistungen für Sie Qualitätssicherung von Software und Systemen Modellierung, Simulation und Validierung von Entwürfen und Lösungen Implementierung, Analyse und Test maßgeschneiderter sicherer Komponenten Entwicklung, Anpassung und Integration von Softwarewerkzeugen Seminare und Schulungen über neue Softwareentwicklungsmethoden Seite 5 / 66

6 I Motivation Software-Erstellungskosten Softwarekrise Sicherheit Kundenmehrwert Formale Methoden Modellbasierung Seite 6 / 66

7 Seite 7 / 66

8 anderes Beispiel: Automobil eingebettete Steuergeräte ( Software auf Rädern ) 80 K Lines of Code für einen Airbag Rückrufaktionen mit Millionenkosten (2002: 127 Rückrufaktionen in Deutschland, davon ca. 15% Softwarefehler; Tendenz steigend) Seite 8 / 66

9 NIST Studie zu den Kosten von Softwarefehlern (Juni 2002) WASHINGTON -- Software bugs are costing the U.S. economy an estimated $59.5 billion each year, with more than half of the cost borne by end users and the remainder by developers and vendors, according to a new federal study. Improvements in testing could reduce this cost by about a third, or $22.5 billion, but it won't eliminate all software errors, the study said. Of the total $59.5 billion cost, users incurred 64% of the cost and developers 36%. Seite 9 / 66

10 Kosten der QS bei der Systementwicklung regulär Installation 10% Definition 10% Entwurf 10% sicherheitskritisch Definition Installation 5% Entwurf 5% 5% Implementierung 10% Test 40% Implementierung 30% Test 75% Seite 10 / 66

11 Begriffseingrenzung Experimentieren = Ausführen einzelner Versuche zur Erlangung einer neuen Erkenntnis Probieren = experimentelles Feststellen der Qualität eines Objekts Testen = systematisches Probieren nach verschiedenen Qualitätskriterien Prüfen = Testen einer Serie gleichartiger Objekte Seite 11 / 66

12 Abgrenzung Validation: Ist es die richtige Software? Verifikation: Die Software ist richtig! Test: Ist die Software richtig? Debugging: Warum ist die Software nicht richtig? Seite 12 / 66

13 Testziel Qualität = Übereinstimmung mit den Anforderungen z.b.: Funktionalität, Zweckdienlichkeit, Robustheit, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Effizienz, Benutzbarkeit, Geschwindigkeit,... verschiedene Testmethoden Formulierung von überprüfbaren Anforderungen Seite 13 / 66

14 Quantifizierung der Anforderungen - nicht: akzeptable Antwortzeiten sind wichtig - sondern: Antwortzeit höchstens 5 Sekunden, - in 80% der Fälle kleiner als 3 Sekunden Kategorisierung der Anforderungen - (unerläßlich / wichtig / erwünscht / irrelevant / unerwünscht) Seite 14 / 66

15 Notwendigkeit der Formalisierung Natürliche Sprache ist mehrdeutig! Beispiel: alle 30 Sekunden sollen die Werte der Sensoren abgelesen werden; wenn die Standardabweichung 0,25 überschreitet, soll die Normalisierungsprozedur ausgeführt werden, anschließend sollen die Werte an das Analysepaket weitergegeben werden. Akzeptanztest ergibt falsche Analysewerte. Problem: Komma! Seite 15 / 66

16 Formale Anforderungsdefinition (a) Festlegung der Schnittstellen und Ereignisse (b) Festlegung des reaktiven Verhaltens (a) Methoden: get_data (...) calc_dev(...) normalize (...) set_timer (...) Signale: data:... deviation:... start_sig:... (b) data_ackquisition start_sig from timer get_data (data) data to data_sampling data_ackquisition normalize(data) data to data_analysis data_sampling j data_sampling data from data_ackquis x:=calc_dev(data) x>0,25 n data to data_analysis data_sampling Seite 16 / 66

17 Deklarative statt operationaler Beschreibungsformen (was statt wie) Alle Werte sollen normalisiert analysiert werden. Logische Spezifikation der gewünschten Eigenschaften (formale Grundlage) For all x exists y: y=normalize(x) and sometime analyzed(y) Spezifikationsbasierte Tests Seite 17 / 66

18 Der Vorgang des Testens warum wer wozu wie was Seite 18 / 66

19 Warum? Mangelnde Qualität kostet Geld: Benutzerakzeptanz, Kundenverlust Fehlerkorrektur- und Folgekosten Gewährleistung, Produkthaftung Sicherheitsprobleme Seite 19 / 66

20 Wer? Interne oder externe Tester Bugs schleichen sich nicht ein, sie werden gemacht Niemand kennt das Produkt so genau wie der Entwickler Motivation des Entwicklers: Debugging und Verifikation Motivation des Testers: Fehler identifizieren Seite 20 / 66

21 Wozu? Fehlervermeidung statt Fehlererkennung! Individualverantwortlichkeit Diskriminierungen Schuldzuweisungen verminderte Produktivität Teamverantwortung Kooperation Qualitätsbewußtsein Produktverbesserung Seite 21 / 66

22 Globale Fehlerrückverfolgung Explosion durch Sprengung, weil Schräglage durch Ruder, weil vermeintliche Fehlbahn, weil falsche Lagedaten, weil Sensorausfall, weil Übertragungsfehler, weil Zahlbereichsüberlauf, weil undokumentierte Anforderung, weil ungetestetes Ariane4-Bauteil, weil Termin- und Kostendruck Handlungsempfehlungen:... Fehlerkorrekturmaßnahmen, klare Aufgabenverteilung, Software-Redundanz, Leistungsbedarfsermittlung, Ausnahmebehandlung, formale Dokumentation, vollständige Integrationstests, QS-getriebene Entwicklung Seite 22 / 66

23 Wie? Konzentration auf Benutzersicht (Relevante Testfälle, Benutzbarkeitsprobleme) Systematische Vorgehensweise (Testplanung und -dokumentation) Einbeziehung aller Komponenten (auch: Dokumentation, Installationsroutinen usw.) Automatisierung wo möglich Seite 23 / 66

24 Was? alle während der Softwareentwicklung entstehenden Artefakte Anforderungen (Use cases) Systementwürfe (Datenformate, Ablauflogik) Funktionen Module System Konfiguration Seite 24 / 66

25 Faustregeln beim Testen Je früher ein Fehler gemacht wird, desto mehr wird von ihm abhängig; je später ein Fehler erkannt wird, desto teurer ist seine Korrektur. Es ist normal, dass Menschen Fehler machen. Der erste Gedanke ist manchmal gut, aber fast nie konsistent. Fehler im Entwurf müssen schrittweise beseitigt werden. Schlimmer noch als die schlichten Irrtümer sind Missverständnisse zwischen Anwender und Entwickler Ziel: schrittweise begleitende Qualitätssicherung Seite 25 / 66

26 Gliederung I Motivation - Vorstellung - Begriffseingrenzung - Der Vorgang des Testens II Testmethodik - Whitebox-und Blackbox- Tests - Funktions- und Modultests - GUI- und Capture-Replay-Testtools - Testsprachen - Modellbasierte Tests III Testorganisation - Testplanung - Testdurchführung - Testdokumentation Seite 26 / 66

27 Whitebox- und Blackbox-Test Codebasierte Tests orientieren sich an der Struktur des zu testenden Programms - Äquivalenzklassenbildung, Grenzwertanalyse, Entscheidungstabellen - JUnit, Cantata, Tessy,... Spezifikationsbasierte Test orientieren sich an der Beschreibung der Programmeigenschaften - Capture-Replay: WinRunner, Rational Robot,... - Modellbasiert: separate Beschreibung - Last- und Performanztest Seite 27 / 66

28 Funktionstests (Unit Tests) Funktionstests werden üblicherweise vom Entwickler selbst durchgeführt Fliessender Übergang zum Debugging Schnittstellen sind nichtöffentliche Interna im Programmcode bekannteste Vertreter: JUnit, Cantata, C-Check Seite 28 / 66

29 Beispiel: JUnit Public Domain, Plugin für Eclipse zu testende Einheiten = einzelne Klassen Schritte: Kreieren von Objekten Aufruf von Methoden Überprüfen des Ergebnisses XP? public void testaddsamecurrency() { final Money money1 = new Money(20); final Money money2 = new Money(30); money1.add(money2); assertequals(50, money1.getvalue()); assertequals(30, money2.getvalue()); } Seite 29 / 66

30 Modultests Big-bang oder inkrementelle Integration Zwei Arten der Integration: Top-Down und Bottom-up Implementierung von Stubs und Treibern Modul A Bottom-up: unterstützt Re-use Treiber leicht implementierbar Modul B Modul C Modul D Top-Down: unterstützt Prototyping Stub-Programmierung aufwändig Modul E Modul F Seite 30 / 66

31 Kontrollflussgraphen und Überdeckungen Überdeckungsmaße: Prozentsatz der mindestens einmal durchlaufenen Anweisungen Zweige Bedingungsteile Schleifen Pfade Seite 31 / 66

32 Datenorientierte Überdeckungsmaße Definitionsüberdeckung: für jede definierte Variable wird die Verwendung von einem Testfall erfasst Verwendungsüberdeckung: für jede definierte Variable wird jede mögliche Verwendung von einem Testfall erfasst Wertebereichsüberdeckung: für jede definierte Variable werden alle Randwerte von einem Testfall erfasst Seite 32 / 66

33 GUI und Capture Replay Tools bekannteste Vertreter: Mercury WinRunner, Rational Robot (mehr als 50 Tools in Idee Aufzeichnung von Benutzerinteraktionen Abspielen mit Vergleich auf Änderungen Erweiterungen GUI-Map Alternativen, Datenüberdeckungen Wiederholungen, Checkpoints Seite 33 / 66

34 WinRunner Script Sprache Seite 34 / 66

35 Testdefinitionssprache TTCN-3 Testing and Test Control Notation - ETSI Standard 2003 (Telekommunikation) - Sprachliche, tabellarische und graphische Notation - Variables Datentypkonzept (ASN1, andere) - Standardisierte Schnittstelle zwischen Komponenten und zum SUT - Main Test Components und Parallel Test Components - Verschiedene Arten der Kommunikation - Templates und Matching Seite 35 / 66

36 Beispiel Seite 36 / 66

37 Modellbasierte Tests Brockhaus: Modell (von lat. modulus) 1. Vorbild: Aufbau oder Form nach der das eigentliche Werk geschaffen wird; gedanklicher Entwurf 2. Abbild: vereinfachende bildliche oder mathematische Darstellung von Strukturen, Funktionsweisen oder Verlaufsformen; Wiedergabe eines Gegenstandes in verkleinertem Maßstab zu Studien- und Versuchszwecken Seite 37 / 66

38 Modelle beim Testen Systemmodell Beschreibung des gewünschten Verhaltens des Systems in der modellierten Umgebung Umgebungsmodell Beschreibung der (physikalischen oder logischen) Umgebung des zu implementierenden Systems Beispiel Satellitensteuerung: - Systemmodell Schaltverhalten - Umgebungsmodell Solarzellen, Batterie Seite 38 / 66

39 modellbasierter Entwurf durchgängiger, kompatibeler Entwurfsprozess ingenieursgerechte Notation und Methodik Werkzeugunterstützung Seite 39 / 66 Grafik: W. Kattanek, IMMS

40 StateCharts von D. Harel 1987 eingeführte Erweiterung von endlichen Automaten; Strukturierung: Hierarchie und Parallelität Variablen, Kommunikation per Broadcast als Statechart Diagrams in UML eingeflossen; vor allem im Automobilbereich viel verwendet ilogix-tools: StateMate, Rhapsody Generierung von Testfällen aus StateCharts (StateMate ATG, Conformiq, Quasar) Seite 40 / 66

41 StateChart-Beispiel Seite 41 / 66

42 Anderer Formalismus: CSP Communicating Sequential Processes, Hoare 85 Synchronisation, Komposition, Rekursion, Timeout operationelle Semantik: Zustandsübergangssystem Realisierung in FDR2: Berechnung von Verfeinerungen zwischen Prozessen Seite 42 / 66

43 Beispiel: Telekommandos im Satelliten SPEC = ( SWITCHDEV [ { Tau_nextTC } ] TCTIM ) TIMCHK SWITCHDEV = Tau_nextTC -> ( (Com_PYRO_PWR_DEV_ON -> settimswt -> Swt_BS_ON_MAIN_ON -> Swt_PYRO_PRE_MAIN_ON -> Swt_PYRO_PWR_ON -> restimswt -> SWITCHDEV) (Com_PYRO_PWR_DEV_OFF -> settimswt -> Swt_PYRO_PWR_MAIN_OFF -> restimswt -> SWITCHDEV)... ) TIMCHK = elatimswt -> errorswitchtimer -> TIMCHK TCTIM = Tau_nextTC -> settimtick -> elatimtick -> TCTIM Erzeugung von Tests aus der Zustandsübergangsrelation Seite 43 / 66

44 Testgenerierung Konformanzbegriff - Implementierung I ist konform zu einer Spezifikation S, wenn für alle Sequenzen σ von Ein/Ausgaben gilt: Beobachtungen (I nach σ) Beobachtungen (S nach σ) Testfall: - deterministisches endliches Transitionssystem - Endzustände pass oder fail - von jedem Zustand eine Ausgabe- oder beliebige Eingabemöglichkeit Testgenerierung durch depth-first-konstruktion der Sprache Seite 44 / 66

45 Modellbasierte Überdeckungsbegriffe Zustandsüberdeckung: jeder Platz / Teilzustand wird von einem Testfall erfasst Konfigurationsüberdeckung: jeder erreichbare Globalzustand (Markierung) wird erfasst Transitionsüberdeckung: jeder Zustandsübergang wird erfasst Pfadüberdeckung: jeder Teilpfad einer gewissen Länge / bis zu einer gewissen Tiefe wird erfasst Seite 45 / 66

46 Tools für modellbasierte Tests Kriterien: unterstützte Modellierungssprachen, Effizienz Beeinflussbarkeit der Testfallerzeugung Ausführungsunterstützung - im Modell, - für einen virtuellen Prototyp, und - für ein reales SUT (System Under Test) Seite 46 / 66

47 verfügbare Tools Conformiq: Generierung und Ausführung von Testfällen aus UML StateCharts, Übersetzung nach TTCN3 Agedis: Murphi-Modelle mit Generierungsdirektiven (Projektionen) TGV: Lotos und SDL nach TTCN, Telekommunikation Telelogic Tau: generiert TTCN aus SDL ASML: Microsoft Abstract State Machine Language für.net RT-Tester: RT-CSP und Timed Automata mit verteilter Ausführung, Zufallsüberdeckungen UniTesK: Modelle in und (pre- und postconditions im Code: grey box testing ) Seite 47 / 66

48 Verteilung der Testausführung Seite 48 / 66

49 ... für die Telekommunikation 1. Management Console (GUI) 7. Test Case Repository 8. Analysis 6. Test Campaign/ Result Repository Online 2. Distribution/deployment component TSS MTC PTCs TSS 4. TRI Adaptation SUT Visualization of Test Hardware Selection and Configuration of Modules and Protocol Stacks, Testing Strategy 5. Intercomponent Handling: TCI 3. Test execution component Seite 49 / 66

50 Gliederung I Motivation - Vorstellung - Begriffseingrenzung - Der Vorgang des Testens II Testmethodik - Whitebox-und Blackbox- Tests - Funktions- und Modultests - GUI- und Capture-Replay-Testtools - Testsprachen - Modellbasierte Tests III Testorganisation - Testplanung - Testdurchführung - Testdokumentation Seite 50 / 66

51 Testplanung Erstellung eines detaillierten Dokumentes für folgende Punkte: Testziele (welche Qualitätskriterien sollen eingehalten werden) Teststufen (in welchen Projektphasen sind welche Aktivitäten auszuführen) Testtypen (welche Tests sollen durchgeführt werden, welche Werkzeuge) Randbedingungen (Hardware / Softwareumgebung) Rollen und Verantwortlichkeiten Meilensteine und Deliverables Seite 51 / 66

52 Muster eines Testplanes (1) 1. Einführung 1.1 Zielsetzung 1.2 Geltungsbereich 1.3 Definitionen und Abkürzungen 1.4 Referenzen 1.5 Übersicht 2. Teststrategie 2.1 Testtypen Benutzbarkeitstest Modultest Integrationstest auf Komponentenebene Annahmeprüfung Systemtest Abnahme 2.2 Test der einzelnen Releases Seite 52 / 66

53 Muster eines Testplanes (2) 3. Testtools 3.1 Testumgebung 3.2 Testmanagement und Fehlerverfolgung 3.3 Funktions- und Regressionstest 3.4 Last- und Performancetests 3.5 Organisation 4. Rollen 5. Testumgebungen 5.1 Entwicklungsumgebung 5.2 Systemtestumgebung 5.3 Pre-Productionumgebebung 5.4 Produktionsumgebung Seite 53 / 66

54 Muster eines Testplanes (3) 6 Verantwortungen und Akzeptanzkriterien 6.1 Modultest 6.2 Integrationstest auf Komponentenebene 6.3 Annahmeprüfung 6.4 Systemtest 6.5 Abnahme 7 Dokumentation 7.1 Testberichte 7.2 Fehlerverwaltung Seite 54 / 66

55 Rolle Testleiter Testdesigner Tester Testautomatisierer Testsystemadministrator Aufgaben Koordinierung Testaktivitäten Zuständigkeit für Ressourcen Erstellung Managementreports abschließende Bewertung der Ergebnisse Identifikation, Implementierung der Testfälle Erstellung des Testplanes Beurteilung der Effizienz des Testaufwandes Durchführung der Tests Protokollierung u. Bewertung der Ergebnisse Erstellung von Testskripten Umsetzung der GUI-Map Installation und Verwaltung des Testsystems Datenbankadministration und management Personen HXS EKM, RSC MAF, EMM, RSC HXS, MAF EKM Seite 55 / 66

56 Seite 56 / 66

57 Testaufwand Das Testen erfordert Ressourcen, muss also im Projekt eingeplant werden! Testen, Integration und Dokumentation sind oft die letzten Phasen der Entwicklung. Testphase als Dispositionsmasse für eine falsche Planung,,Wann ist endlich das Programm x fertig?,,gleich, ich muss nur noch Testen!,,Gleich, ich muss nur noch einen Fehler bereinigen!,,gleich, ich muss nur noch dokumentieren! Seite 57 / 66

58 Abschlusskriterien für den Test Nicht: Wenn Ressourcen oder Zeit erschöpft Nicht: wenn keine Fehler gefunden werden Sondern: Wenn vorher festgelegte Qualitätsziele erreicht sind - Überdeckungsgrad erreicht - Restfehlerabschätzung zufriedenstellend - Systemabnahme erfolgreich Seite 58 / 66

59 Testdurchführung Viele Werkzeuge zur Unterstützung und zum Management der Testdurchführung Integriert in Software-Entwicklungsumgebungen, Planungssoftware, Requirements-Analyse, Verwaltung von Defekten, Evaluation des Projektfortschritts usw. Aufgaben: - Erzeugung und Verwaltung des Testplanes - Vernetzung mit Requirements und Modulen - Erstellung von Testreports und metrischen Evaluationen - Import und Export von externen Schnittstellen Beispiele: Mercury Test Director, QACenter, Rational Test Manager Seite 59 / 66

60 Seite 60 / 66

61 Seite 61 / 66

62 Testdokumentation Problem: ggf. lange Archivierung der Ergebnisse (z.t. 20 Jahre) IEEE/ANSI 829 Teil 1: Testdokumente: - Testplan - Testspezifikation - Testskript - Testfall IEEE/ANSI 829 Teil 2: Berichtsdokumente: - Software-Übergabe - Testprotokoll - Problemmeldung - Abschlussbericht Seite 62 / 66

63 Testdokumentation: Testdokumente - Testplan Inhalt siehe oben - Testspezifikation Komponenten Zu testende Funktionen, Testverfahren Testskripte und Testfälle, Pass / Fail Kriterien - Testskripte Testziel, spezielle Anforderungen, Einzelschritte - Testfall Zu testende Funktionen, Eingaben, Ausgaben Umgebung, Besonderheiten, Abhängigkeiten Seite 63 / 66

64 Testdokumentation: Testberichte - Software-Übergabe Inhalt der Lieferung, Übergabepunkt, Zustand - Testprotokoll Beschreibung, durchgeführte Testfälle, Ergebnis, unerwartete Ereignisse - Problemmeldung Beschreibung, Auswirkungen - Abschlussbericht Abweichungen, Umfang, Bewertung, Maßnahmen Seite 64 / 66

65 Zusammenfassung Tips und Tricks zum Softwaretest Testtools und Test Management Tools White-box-Test: Trend zur Integration in SW-IDEs Black-box-Test: Trend zu modellbasierter Entwicklung, standardisierten Sprachen Testdurchführung: Trend zu integrierten Desktops für die Projektverwaltung Seite 65 / 66

66 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 66 / 66

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